以能力培養(yǎng)為目標的計算機組成原理教學研究

張銘泉 程曉榮

摘要：能力培養(yǎng)已成為當下高等教育的重點內容，如何培養(yǎng)出超越課本知識，具有現(xiàn)實工作需要實踐能力的大學畢業(yè)生，是每所高等院校本科教育教學中的關注點。本文以計算機組成原理課程教學為例，探討了如何把能力培養(yǎng)融入到課堂教學中，以課堂教學內容為基礎，培養(yǎng)工作單位需要的綜合能力。

關鍵詞：能力培養(yǎng);本科教育;教學研究

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）11-0221-02

一、能力培養(yǎng)存在的認識誤區(qū)及應對

目前，高等教育已由原來注重理論教學轉向對學生能力的培養(yǎng)，逐步以社會、企事業(yè)等單位的用人要求相一致，本文以計算機專業(yè)基礎課“計算機組成原理”為例探討了如何培養(yǎng)出能力出眾、具有可以“解決問題”能力的高校畢業(yè)生。

高校講授的課程門類繁多，有些課程與實際生活聯(lián)系緊密，有些課程則偏重理論方面，致使有些授課老師想當然地認為，自己所教授的課程與能力、素質、創(chuàng)新無關，例如把素質培養(yǎng)職責推給高校管理人員，這無疑是能力培養(yǎng)的誤區(qū)之一。事實上，學生能力的培養(yǎng)離不開授課教師的引導和責任心。

此外，能力培養(yǎng)的另外一個誤區(qū)是，混淆知識、能力、素質、創(chuàng)新的概念，搞不清如何實現(xiàn)能力培養(yǎng)、素質教育和創(chuàng)新教育。為走出這一誤區(qū)，需要重新明確這幾個概念及其內在聯(lián)系。知識、能力、素質、創(chuàng)新是統(tǒng)一的。知識是基礎，能力是核心，素質和創(chuàng)新體現(xiàn)在能力中。學習可以獲得知識，實踐可以獲得能力。能力培養(yǎng)體現(xiàn)在每一個教學環(huán)節(jié)中。能力是在實踐活動中形成和發(fā)展起來的，且不是一朝一夕的事，“培養(yǎng)能力”在課堂上無法落實，因而不能作為課堂教學目標。然而，課堂教學又必須重視能力的“培養(yǎng)”，教學中，要在明確能力形成和發(fā)展條件的前提下，認真落實三維目標，保證學生主體，重視學生的主體參與和動手操作，根本途徑在于改變教學方式，體現(xiàn)在課堂教學的目標上，就是為發(fā)展能力獲得相應的知識技能和方法，經(jīng)歷一定的學習過程和體驗。面對具體問題，在特定的環(huán)境下提出針對此問題的解決方法，并堅信辦法總比困難多，這樣我們就可以說你具備了解決問題的能力。

二、計算機組成原理課程中體現(xiàn)的能力培養(yǎng)

計算機是具有信息表示、運算、存儲及其他信息處理能力的復雜系統(tǒng)。在計算機專業(yè)課的教學中，除了講授基本的計算機理論知識外，還應培養(yǎng)學生“解決問題”的能力，包括軟硬件的設計與實現(xiàn)等現(xiàn)實生活中需要的能力。這種能力在某種程度上體現(xiàn)為解決問題的思路，計算機組成原理課程中處處體現(xiàn)著這種以“解決問題”為導向的思路，同時也是能力培養(yǎng)的思路。

（一）有限資源利用效率最大化

做任何事情都會有成本或者代價，即使不是用錢來衡量，也會是其他方面的代價。受雇于企事業(yè)單位的高校畢業(yè)生，接到單位需要完成的工作任務，應優(yōu)先考慮成本代價。如何用最小的成本高質量完成任務，往往是衡量一名員工能力強弱的指標。計算機中的信息可以用多種形式表示，如整數(shù)、小數(shù)、文字、圖片、音頻、視頻等，而目前主流的計算機只能存儲0和1組成的位串。因此，在計算機中表示信息，需要特定的規(guī)則。以浮點數(shù)為例，浮點數(shù)的數(shù)量有無窮多個，而計算機中只能使用有限的比特位表示一定范圍內的浮點數(shù)。盡管如此，在我們使用計算機過程中，這種表示法的限制并沒有給實數(shù)的表示帶來大的麻煩。這是因為在計算機數(shù)據(jù)表示法中，蘊含著有限資源利用效率最大化道理。為了表示盡可能多的實數(shù)，計算機設計者們采用了科學計數(shù)法的方式，表示計算機中的浮點數(shù)，把浮點數(shù)分為整數(shù)部分和小數(shù)部分，這樣可使實數(shù)的表示范圍成幾何級增長，使用有限的比特位（如32位、64位等）可表示的數(shù)值范圍足夠我們日常的使用。更進一步，由于在二進制的科學計數(shù)法中，小數(shù)點前總是1，即都是1.xxx的形式。因此，在IEEE 754浮點數(shù)標準中規(guī)定，這個1也可以省略，節(jié)省出1比特的空間分配給小數(shù)點后的部分。這樣就人為地“創(chuàng)造”了1位精度。

通過這個例子可以看出，在資源受限的情況下，要高質量地完成一個任務，需要提高資源的利用率，最大限度地開發(fā)資源的可利用空間。沒有人擁有無限的資源，做任何事情的資源都是有限的，恰恰是有限的資源才能造就出色的設計者或工程師，也最能體現(xiàn)一名員工的“解決問題”的能力。

（二）困難問題分解最大化

現(xiàn)實生活中采用分解法解決問題的例子比比皆是。要解決一個難題，通常情況下都不能一下解決掉，否則就不能稱作難題了。為了解決難題，一般需要把問題細化，分幾步逐個解決。這樣，一個困難問題的解決，就像剝洋蔥一樣層層展開，其中局部上可能還需要深耕細作。

在“計算機組成原理”課程中，CPU流水線的設計與實現(xiàn)應該算作一個難題。按照困難問題分解法的思路，可以這樣描述這部分內容：順序執(zhí)行指令的處理器效率差（問題），需要引入流水線技術使多條指令并行執(zhí)行（方法），而前后相鄰指令的相關性會導致流水線運行結果的錯誤（問題），需要插入空操作指令來間隔兩條相鄰的指令（方法），而大量無效空操作會降低處理器效率，甚至退化為順序執(zhí)行（問題），采用數(shù)據(jù)轉發(fā)或旁路機制，將線路上還未寫入寄存器的數(shù)據(jù)直接用作下一條指令的輸入（方法）。數(shù)據(jù)轉發(fā)和旁路無法解決所有的相關性（問題），特殊情況要使用暫停等機制（方法）?？偨Y上述內容，先把難題分解成易于解決的“問題”，隨著一個問題的解決，又可能引出另一個新的問題，在逐層解決問題的過程中，問題規(guī)模逐漸變小，可解決的情況不斷增加，直至解決所有問題，最終整個難題得到解決。這一過程并不容易，既需要有清晰的大局觀，又要專注于細節(jié)，但是經(jīng)歷這一過程把難題分解直至解決后，所得到的不僅僅是難題的解決方案，還有自身能力的提升。

在現(xiàn)代社會中，這種需要分解法解決的難題不僅在學習中會遇到，在工程上會遇到，在科學研究上也會經(jīng)常碰到。在愈發(fā)復雜的社會分工協(xié)作鏈條中，人們付出與回報的間隔越來越長，目標和行動看起來越來越缺乏直接聯(lián)系。一個看似無法解決的大難題，在最大化地分解成多個小問題后，如果通過有效的方法解決掉各個小問題，那么大的難題也自然會得到解決。這種最大化難題分解法需要教師在課程教授中時時滲透，也同樣需要學生在學習中細細體會。

（三）多個維度平衡最優(yōu)化

現(xiàn)實中資源總是有限的而目標又是多元化的，這就涉及到在多個維度中尋找平衡的策略，找到解決問題的折中方案。具體到計算機存儲系統(tǒng)中，目標是速度、容量和價格。計算機存儲系統(tǒng)是金字塔式的層次結構：位于最上層寄存器訪問速度最快，但是存儲容量最小且價格最貴;次高層的高速緩存訪問速度比較快，容量稍大，價格比較貴;第三層的主存儲器訪問速度一般，容量一般，價格也一般;下層的外存（磁盤、光盤、磁帶）訪問容量最大，價格也便宜，但是速度慢。似乎沒有兩全其美的辦法，設計存儲器時不能簡單地選擇其中任何一種存儲介質，來達成在多個維度（速度、容量、價格）之間的平衡。

實際上，計算機存儲器系統(tǒng)是一個具有不同容量、成本和訪問時間的存儲設備的層次結構。CPU內的寄存器保存著最常用的數(shù)據(jù)?？拷麮PU的快速高速緩存作為緩沖區(qū)域，負責暫存原本存儲在相對慢速的主存儲器中的部分數(shù)據(jù)和指令。與此原理一致，主存則是暫時存放那些程序執(zhí)行中需要的，原本存儲在慢速、大容量外存（磁盤、磁帶、光盤）上的部分數(shù)據(jù)，而且聚焦到高速緩存也同樣采用了分層設計，也體現(xiàn)出了平衡的藝術。

我們人生中的許多事情也這個道理，當面對多元化的條件和目標時，需要根據(jù)實際問題，找到多個維度下最佳的平衡點，使目標收益最大化。多個維度目標下的平衡最優(yōu)化，無疑也是一種高能力的體現(xiàn)。

三、結語

在高等教育課堂教學過程中，以能力培養(yǎng)為目標，抓住課程內容蘊含的道理至關重要。課程的學習不單單體現(xiàn)在對課程內容掌握的程度上，還要注重對課程內容所體現(xiàn)的原則和方法的理解和運用上。

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Research on Computer Organization Principle Teaching Based on Ability Training

ZHANG Ming-quan，CHENG Xiao-rong

（Department of Computer，North China Electric Power University，Baoding，Hebei 071003，China）

Abstract：In recent years，ability training has become the key content of the higher education.How to cultivate college graduates who are beyond the knowledge of textbooks and have practical ability in practical work is the focus of education and teaching in every institution of higher teaching.Based on the teaching of computer composition principle，this paper discusses how to integrate the ability training into the classroom teaching，based on the content of classroom teaching and training the practical ability of the company.

Key words：ability training;undergraduate education;teaching research