“計算機組成原理”課程的教學改革與實踐

蔣永國　郭忠文　馮　源　洪　鋒　徐慧敏

摘要:本文根據(jù)“計算機組成原理”課程具體情況,結(jié)合硬件教學特點,提出教學改革建議:動態(tài)合理組織和增刪相關(guān)教學內(nèi)容,加強三級實驗體系環(huán)節(jié),促進理論教學,對實驗教學采用CAI教學法,采用“建構(gòu)主義”的教學模式,建立試卷庫,強化教師自我素質(zhì)。

關(guān)鍵詞:計算機組成原理;三級實驗體系;CAI教學法;建構(gòu)主義

中圖分類號:G642 文獻標識碼:A

1引言

“計算機組成原理”作為計算機專業(yè)硬件課的核心課程,地位重要,既要注重基礎性,又要體現(xiàn)時代性。目前學生就業(yè)以軟件設計為主,學生會疑問:學習本課對以后工作有什么用處?授課老師不能回避。David A. Patterons指出,“軟件系統(tǒng)性能取決于軟件設計者對系統(tǒng)中硬件的理解程度。操作系統(tǒng)設計者、更多的軟件工程師需要有較強的計算機組織與設計的背景知識?！币虼艘驹趯W生個人發(fā)展制高點上解釋本課程重要性和地位,改變“輕硬件”的錯誤觀念。

師生對本課程普遍反映“難教、難學”,是由本課自身的特點決定的。首先,計算機組成原理的技術(shù)描述占主要,既沒有類似離散數(shù)學的證明、推導,又沒有類似數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的算法介紹,學生會覺得“理論、規(guī)律性不強”。第二,概念多,比較抽象,加上計算機技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了很多新概念、新技術(shù)。同時,本課程是一門理論與實踐性很強的專業(yè)課,不但需要精心安排理論授課,還要高度重視實驗課的教學。

在國內(nèi)計算機硬件人才培養(yǎng)弱化的環(huán)境下,從培養(yǎng)應用性人才出發(fā),使學生既掌握計算機系統(tǒng)各部分的工作原理,又具有較強的實際動手能力,改變當前學生“重理論、輕實踐,重軟件、輕硬件”的狀況,就成為我們這次“計算機組成原理”課程改革的主要問題。

2教學改革與實踐

如何改革“計算機組成原理”課程,以提高其教學效果和教學質(zhì)量,使它跟上計算機技術(shù)的發(fā)展步伐,是我們當前亟待解決的問題。在多年的教學實踐基礎上,我們對這門課程的教學進行了一些探索,本文主要從五個方面討論和總結(jié)本課程教學改革實踐情況。

2.1根據(jù)教學大綱和計算機的最新發(fā)展合理組織教學內(nèi)容

在教學內(nèi)容的編排上,依據(jù)教學大綱,重點突出,詳略得當。每一章的內(nèi)容都分為精講和選講兩部分,選講部分放手讓學生自學或討論,既培養(yǎng)了學生的自學能力,又節(jié)約了課時,避免了全堂灌輸?shù)摹疤铠喿印笔浇虒W。精講部分則要求授課老師講細、講透,并結(jié)合當今計算機技術(shù)的最新發(fā)展動態(tài),適當增加有關(guān)計算機各部件的演變歷史和最新技術(shù)知識,既提高了學生的學習興趣,又彌補了教材與實際的脫節(jié),提高了這門課的使用價值。例如在講各個部件原理時候,結(jié)合《ACM圖靈獎——計算機發(fā)展史的縮影》和《IEEE計算機先驅(qū)獎——計算機科學與技術(shù)的發(fā)明史》兩本書,講述計算機部件或者重要原理的發(fā)明者或設計者是如何攻關(guān)和鉆研的,學生對結(jié)合歷史講解原理的方式非常有興趣,教師引導學生在制定個人專業(yè)發(fā)展目標上要有超越這些杰出人物的設想,從而引發(fā)學生強烈的專業(yè)學習興趣。

2.2加強三級實驗體系環(huán)節(jié),注重應用能力的培養(yǎng)

“計算機組成原理”課程屬于工程性、技術(shù)性和實踐性都特別強的一門課程,因此,在開展好理論教學的同時,對實驗教學環(huán)節(jié)必須給予足夠的重視。通過實驗課教學,使學生具有較強的分析問題和解決問題的能力,以適應科學技術(shù)的飛速發(fā)展。從2000年起,我系開設了“計算機組成原理”實驗,并為之配置了配套的清華大學儀器廠的實驗設備TEC-2、TEC-2000,通過近年7個班的近700名學生的實驗教學,總結(jié)出了“5+1”模式的三級實驗體系結(jié)構(gòu),即“5個分解實驗”加“1門課程設計”,“5個分解實驗”分別為:運算器、微程序控制器、主存儲器擴展、并行接口電路I/O實驗和多級中斷實驗,“一門課程設計”即整機組裝實驗。它們隨課程進度分散在不同階段完成,這樣可使學生對計算機的每一部分都有深入的了解,以加深理解理論知識。

2.2.1三級實驗體系

將上述實驗分為基礎模塊實驗、綜合性實驗、設計性實驗的三級實驗教學體系。

第一,基礎模塊實驗階段。學習基本實驗儀器的使用、基本實驗方法和技術(shù)、實驗機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的組成。通過設計一系列小實驗的驗證和應用,要求學生掌握實驗系統(tǒng)單元模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及相關(guān)電子芯片的基本邏輯,理解單元模塊的工作原理及該單元模塊在整機系統(tǒng)中的應用。

第二,綜合性實驗階段。學習“計算機組成原理”這門課程的主要目的是讓學生建立整機思想,在掌握單元模塊工作原理的基礎上掌握計算機整機系統(tǒng)地協(xié)調(diào)運行。為了達到這一教學目的,我們在教學內(nèi)容中安排了一定量的綜合設計實驗,要求學生通過一系列此類實驗掌握整機運行模式,讓學生通過實踐,建立牢固的整機思想,進一步深刻理解理論知識。

第三,設計性實驗階段。這一實驗階段是原理應用能力的培養(yǎng)階段。通過這一階段的系列實驗,要求學生能利用在第二階段建立的整機思想,對指導教師提出的課題任務,提出解決方案,陳述原理的應用,自主設計實驗所用的單元模塊以及實驗步驟,進而通過實踐得出實驗結(jié)論。學生在這一階段,通過自主實驗的設計,從成功與失敗中受到訓練,得到整體素質(zhì)提高。

2.2.2CAI實驗教學和合理考核

在上述三級實驗教學體系過程中,我們采用以下的教學方法和比例合適的考核方法。

第一,采用CAI實驗教學法,改變學生“手忙腳亂”的實驗習慣。

在實驗教學中,如果教師在黑板上使用板書展示實驗儀器,會使學生感覺到很枯燥,分組講解又使教師工作量特別大,而且很抽象,影響教學質(zhì)量。因此我們采用先進的多媒體教學手段,生動形象地反映出實驗教學的全過程,利用Authorware、Flash等多媒體開發(fā)軟件,自行設計、制作課件(計算機組成原理實驗),對實驗設備所提供的功能進行全方位的描述。TEC-2000實驗計算機系統(tǒng)是一臺高度集成化的實驗臺,在做手動控制實驗時,必須撥動較多開關(guān)、按鈕。以前幾十個學生圍擠在一臺儀器前聽講解,部分學生根本無法看清聽清,嚴重影響實驗教學效果。而采用先進的多媒體教學手段,如采用實物投影儀或計算機多媒體系統(tǒng),教師可將儀器設備的結(jié)構(gòu)框圖、實物圖、工作原理邏輯框圖等制成幻燈片,上課時把它投影到大屏幕上,再結(jié)合實驗設備進行講解,學生分散坐在自己座位上,結(jié)合實驗設備邊聽邊看,使過去復雜、單調(diào)的內(nèi)容變得直觀、生動,充分調(diào)動了學生的學習積極性,增強實驗效果,提高實驗教學質(zhì)量。

第二,科學合理的實驗操作流程和實驗成績考核方法。

在每一個實驗前,由教師布置實驗任務和目的,然后由學生設計并完成實驗,這就要求學生在每一個實驗之前查閱大量資料,做好設計工作,實驗之后能總結(jié)實驗結(jié)果寫出相應的實驗分析。期末理論考核成績占70%,實驗考核成績占20%和平時考核占10%。實驗成績分為實驗準備、實驗檢查和實驗報告,實驗準備占20%、實驗檢查占60%和實驗報告占20%。

2.3采用“建構(gòu)主義”的教學模式,理論推導為主的教學方法

所謂“建構(gòu)主義”,即以學生為中心,在整個教學過程中由教師起組織者、指導者、幫助者和促進者的作用,利用情境、協(xié)作、會話等學習環(huán)境要素,充分發(fā)揮學生的主動性、積極性和首創(chuàng)精神,最終達到使學生有效地實現(xiàn)對當前所學知識的意義建構(gòu)的目的。

“計算機組成原理”理論性強、概念多、抽象,很多學生一直到整個課程學習完畢,都不知道學了什么,似懂非懂,沒有真正參與到學習過程中去,完全靠死記硬背記住一些知識點,各個知識點之間無法銜接,也就無法形成該課程的整體框架。因此,要改變“計算機組成原理”的教學效果,就必須在教學過程中充分體現(xiàn)“建構(gòu)主義”的教學思想,以學生為中心,實行以理論推導為主的教學方法。在每一個新內(nèi)容講授之前,教師可以先對上一個內(nèi)容進行簡單扼要的總結(jié),然后承上啟下地誘導出“接下來的內(nèi)容將要解決的是什么問題”或者“既然用這一種方法來解決問題存在著這樣缺點,那么,還有什么更先進的方法”等問題,把它作為任務,交給學生去分析、討論,學生有了明確的學習目標,就會投入到學習中去,發(fā)揮自身的主觀能動性,這樣既抓住的課程的主線,又極大地培養(yǎng)了學生的自學能力、創(chuàng)新能力和協(xié)作能力。

2.4建立“計算機組成原理”試卷庫,提高教學質(zhì)量

根據(jù)教材及大綱要求,參考往年全國各高?？佳性囶}、2009年以后全國計算機專業(yè)課統(tǒng)考試題以及國外教材的習題,我們建立了60份專門提供給學生的“計算機組成原理”試卷庫,該試題庫每隔2年更新一次。試卷庫涵蓋了學生必須掌握的所有知識點,但各套試卷中題目并不相同,學生通過復習,如果對60套試卷中的題目達到“四會”(計算、回答、分析、設計),我們的教學目的也就達到了。為了避免少數(shù)學生死記硬背,教師手中的期末考試試卷中必須含有一定比例的隨機補充或更新試題,否則影響教學效果的評價。試卷庫的建立大大減輕了教師工作量,也保證了教學質(zhì)量,成為衡量教學效果的一個重要指標。

2.5改變傳統(tǒng)觀念,強化教師自我素質(zhì),提高教學能力

教學改革的成功關(guān)鍵是要提高授課教師的自我素質(zhì),以適應現(xiàn)代開放式教學和現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展。作為一個高校教師,應該通過不斷學習,強化自我素質(zhì),以期達到教學思想、教學理念的更新,教學模式、教學方法的更新,知識結(jié)構(gòu)、技術(shù)層次的更新,教學技術(shù)、教學手段的更新。例如2008年4月,本人帶隊參加了“產(chǎn)學研多核技術(shù)青年骨干教師高級研修班”,和兄弟院校及Intel公司技術(shù)人員進行了多核新知識體系的交流與學習,并且于2008年秋季學期對本課程進行了多核課程建設的初步嘗試。

3結(jié)束語

作為研究型大學,在培養(yǎng)學生過程中,要注意授課模式必須結(jié)合自身科研進行講解,授課教師要結(jié)合自己的科研、論文的具體示例來講解課程,提高學生的課堂聽課效率,讓學生從本科階段就關(guān)注如何進行科研活動,從而激發(fā)學生做一個研究型的學生。同時給學生布置1～2篇綜述性的小文章,讓學生通過利用網(wǎng)絡資源查閱相關(guān)文獻,在課程內(nèi)采用Seminar的形式討論交流,以提高學生分析與交流的能力,從而增強學生的研究動手能力。

總之,利用計算機教學中的創(chuàng)造性因素,大膽地讓學生自由發(fā)揮,從而改變“滿堂灌”的弊病,形成以學生為中心的生動活潑的學習局面,需要我們不斷地努力進取,優(yōu)化教學設計,以先進理論來展現(xiàn)全新的教學思路,從而在計算機硬件課程教學中探索出“扎實的理論基礎和創(chuàng)新技能相結(jié)合”教育的嶄新天地。

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Teaching Reform&Practice of the Course “Computer Organization Principles”

JIANG Yong-guo, GUO Zhong-wen, FENG Yuan, HONG Feng, XU Hui-min

(Information College, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Abstract: According to practical cases of the course “Computer Organization Principles”,this paper puts forwards reform proposals combined with hardware: Pay attention to the importance and objectives of this course; Dynamically organize teaching content; Strengthen the three-layer experimental system; Promote theory-teaching,and CAI experiment-teaching; under the theory of Constructivist Learning Theory,create exam-database and strengthen self-development of teacher.

Key words: computer organization principles; three-layer experimental system; CAI; constructivism