林巧民 張臺國 梁雨薇
摘要:作為一門主要介紹硬件工作原理的課程,計(jì)算機(jī)組成原理對于學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并不高,針對該情況,一方面強(qiáng)調(diào)了該門課程的課程導(dǎo)入環(huán)節(jié)的重要性,另一方面融入思政元素,并通過云下課堂這種線下+線上的授課模式,開展BYOD(Bring Your Own Device)混合式教學(xué),實(shí)踐表明,改革措施明顯提高了學(xué)生們的學(xué)習(xí)積極性和興趣,同時(shí),課堂互動環(huán)節(jié)得到了顯著的增強(qiáng)。經(jīng)過比對近三年該門課程的期末考試成績情況,驗(yàn)證了強(qiáng)調(diào)課程導(dǎo)入、融入思政元素的云下課堂這種改革方法的有效性。
關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī)組成原理;課程導(dǎo)入;思政元素;云下課堂
中圖分類號:G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
文章編號:1009-3044(2022)21-0149-02
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計(jì)算機(jī)組成原理的課程目標(biāo)在于讓學(xué)生從程序員角度深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng),從而提高編制高效程序和調(diào)試程序的能力[1]。但是,國內(nèi)絕大多數(shù)高校的計(jì)算機(jī)組成原理課程體系缺乏系統(tǒng)性,教學(xué)模式傳統(tǒng),總體上與國外一流大學(xué)相比還有很大差距[2]。計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)專業(yè)的重要課程,是深入了解和掌握計(jì)算機(jī)基本工作原理、建立計(jì)算機(jī)知識體系結(jié)構(gòu)必不可少的部分,其涉及知識面廣、內(nèi)容多且更新快,一些知識點(diǎn)較為抽象,教師普遍感到教學(xué)難度大[3]。為此,我們對該課程進(jìn)行了一系列的教學(xué)改革嘗試。
1課程導(dǎo)入
為什么要學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)組成原理這門課程?大多數(shù)教材在概述章節(jié)中只是強(qiáng)調(diào)這門課怎么重要,可以學(xué)習(xí)到很多硬件的知識和原理,卻很少將其跟軟件設(shè)計(jì)聯(lián)系在一起,尤其是給出具體的實(shí)例,讓已具備軟件設(shè)計(jì)知識的學(xué)生知道,光學(xué)習(xí)軟件設(shè)計(jì)方面的知識是不夠的,還需要了解和理解硬件的工作原理,因?yàn)檐浖罱K執(zhí)行是靠硬件來支撐的。即便有的教材在后面章節(jié)給出了軟硬件相結(jié)合的例子,但是,我們也建議應(yīng)該將一些例子提前到課程導(dǎo)入環(huán)節(jié)來介紹。下面是我們教學(xué)改革后,在導(dǎo)入環(huán)節(jié)給學(xué)生介紹的軟硬結(jié)合實(shí)例中的兩個(gè),它們出自2010年全國計(jì)算機(jī)類研究生入學(xué)考試計(jì)算機(jī)組成原理統(tǒng)一試卷,為了節(jié)省篇幅,我們做了一定的簡化:
例子1:假定變量i、f和d的數(shù)據(jù)類型分別為int、float和double(int用補(bǔ)碼表示,float和double分別用IEEE 754單精度和雙精度浮點(diǎn)數(shù)格式表示),已知i=785,f=1.5678e3,d=1.5e100。若在32位機(jī)器中執(zhí)行下列關(guān)系表達(dá)式,則判斷語句“(d+f) - d == f”的結(jié)果為 “真”還是“假”?
在互動時(shí),不少同學(xué)對于這道題目的判斷出錯(cuò)了,為什么結(jié)果是“假”呢?因?yàn)閐+f時(shí),由于d過大而f過小,出現(xiàn)了“大數(shù)吃小數(shù)”現(xiàn)象,此時(shí),大多同學(xué)立馬出現(xiàn)了學(xué)習(xí)的興趣,好奇心驅(qū)使他們想要探個(gè)究竟,這時(shí),我們就可以將程序設(shè)計(jì)語言課中數(shù)據(jù)類型采用的IEEE754存儲標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行簡要介紹。
此外,可以進(jìn)一步和學(xué)生互動“0.1這個(gè)小數(shù)能被精確存儲嗎?”,答案是不能的,一些同學(xué)答錯(cuò)了,因?yàn)檫@個(gè)問題在同學(xué)們學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)語言時(shí),大多被忽略了,大部分同學(xué)只知道各種數(shù)據(jù)類型都有各自的取值范圍,雖然有精度和廣度的概念,卻沒有如此具體而簡單的實(shí)例,將精度跟存儲格式結(jié)合起來考慮,就很容易理解了。理論上,計(jì)算機(jī)能表示的數(shù)其實(shí)是很有限的,即便存儲字節(jié)數(shù)再多,也會有無限的數(shù)是計(jì)算機(jī)所不能直接存儲表達(dá)的,計(jì)算機(jī)存儲的數(shù)從數(shù)學(xué)角度看,總是離散的?;诙M(jìn)制的計(jì)算機(jī)不但存儲不了0.1,0.2、0.4……也一樣不能被精確存儲。
例子2:某計(jì)算機(jī)的主存地址空間大小為256 MB,按字節(jié)編址。指令Cache和數(shù)據(jù)Cache分離,均有8個(gè)Cache行,每個(gè)Cache行大小為64 B,數(shù)據(jù)Cache采用直接映射方式。現(xiàn)有兩個(gè)功能相同的程序A和B,其偽代碼如下所示:
假定int類型數(shù)據(jù)用32位補(bǔ)碼表示,程序編譯時(shí)i, j, sum均分配在寄存器中,數(shù)組a按行優(yōu)先方式存放,其首地址為320(十進(jìn)制數(shù))。請問哪個(gè)程序的運(yùn)行會更快?
程序A和B是同學(xué)很熟悉的題目,但問大家哪個(gè)程序跑得快?一下子課程氣氛就起來了,因?yàn)橹八麄儚膩頉]有考慮過這個(gè)問題,而且這個(gè)問題對于他們來說,也普遍覺得有點(diǎn)趣味。雖然同學(xué)們對于Cache是陌生的,但我們通過用簡單易懂的語言把基本原理講述過后,發(fā)現(xiàn)大部分同學(xué)還是能理解的,而且這大大調(diào)動了他們學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)組成原理課的積極性。沒有硬件知識,想要成為軟件高手,這是不可能的。
通過這兩個(gè)例子一下子就讓學(xué)生理解了計(jì)算機(jī)硬件的重要性,改變“重軟件輕硬件”的傾向,明白軟件設(shè)計(jì)離不開硬件知識的掌握與理解。
2融入思政
課程思政的核心是教學(xué)中要恰當(dāng)?shù)娜谌搿胞}”,讓課程學(xué)起來“有滋有味”[4]。習(xí)近平總書記的這個(gè)新鮮而又生動的比喻含義深刻、蘊(yùn)意豐富,對加強(qiáng)和改進(jìn)大學(xué)生思想政治工作有著深遠(yuǎn)的啟發(fā)意義。教材我們選用北京郵電大學(xué)白中英老師主編的《計(jì)算機(jī)組成原理》(第5版),全書11章,前8章為基本教學(xué)內(nèi)容。經(jīng)過對教學(xué)內(nèi)容梳理,第1章到第8章均可進(jìn)行一定的教學(xué)改革并融入相應(yīng)的思政元素,促進(jìn)學(xué)生對計(jì)算機(jī)組成原理重點(diǎn)內(nèi)容的理解。教學(xué)改革思路及思政元素的融入見表1。
譬如,章節(jié)2.1中的IEEE754標(biāo)準(zhǔn)為浮點(diǎn)數(shù)的存儲進(jìn)行了定義,并提供了32位和64位兩種格式,但無論哪種格式,它們所能存儲的數(shù)據(jù)都是有限的,前面我們已經(jīng)提到過,即便是0.1、0.2類似簡單的數(shù),它們都無法精確存儲,這是它們的固有缺點(diǎn),但這并不妨礙計(jì)算機(jī)發(fā)揮它的長處,為我們?nèi)祟愃?。做人也一樣,人無完人,在與他人的相處中,我們應(yīng)多看到別人的優(yōu)點(diǎn),包容他人的缺點(diǎn),正如古人所講“人至察則無徒”,計(jì)算機(jī)都有缺陷,更何況人乎,做人,不必苛求完美,但也應(yīng)立足實(shí)際,不斷完善自我,讓每個(gè)人都成為更好的自己。
3云下課堂的功能設(shè)計(jì)
云下課堂是我們開發(fā)的一個(gè)線上線下教學(xué)融合的項(xiàng)目,并在2021年計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)中進(jìn)行了實(shí)施,該項(xiàng)目也獲得了2021年江蘇省大學(xué)生計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽三等獎。云下課堂基于“互聯(lián)網(wǎng)+”思維,試圖讓大學(xué)生們的筆記本電腦、智能手機(jī)在走入課堂的同時(shí),將其利用起來,開展BYOD(Bring Your Own Device)教學(xué)。疫情總有結(jié)束的一天,到時(shí),云上資源仍然可以發(fā)揮作用,下放到傳統(tǒng)課堂中的師生自帶設(shè)備,讓線上線下資源相互融合、師生設(shè)備協(xié)同工作,促進(jìn)教學(xué)活動的高效開展。在云下課堂的實(shí)施過程中,我們觀察到學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性相比往年有了明顯提高,對BYOD教學(xué)產(chǎn)生了一定興趣。圖1是云下課堂的功能設(shè)計(jì)。
上述功能是“教育部在《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》中強(qiáng)調(diào)要利用信息技術(shù)開展探究式、參與式教學(xué)”的號召下設(shè)計(jì)的,可以很好地解決傳統(tǒng)課堂的一些不足,如:師生間缺少互動;老師不能及時(shí)收到學(xué)習(xí)情況的反饋;學(xué)生不能在課后回顧上課內(nèi)容等。
4結(jié)束語
2020年的考試成績相比2019年,略有下降,這個(gè)可能和疫情期間采用單一線上教學(xué)有關(guān),到了2021年,我們強(qiáng)調(diào)了課程導(dǎo)入內(nèi)容及其重要性,融入了有關(guān)思政元素,并采用了云下課堂這種線下+線上的模式,考試成績相比前兩屆均有較大幅度的提高,低分考生人數(shù)下降了,而高分段考生人數(shù)明顯增加。課程改革顯示,學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性更高,注意力集中,互動效果更好,教學(xué)效果有了顯著提升,我們也將在未來的教學(xué)中進(jìn)一步探索和提高。
參考文獻(xiàn):
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[4] 張策,呂為工,李劍雄.以學(xué)生為中心的計(jì)算機(jī)類專業(yè)核心課程的課程思政改革[J].計(jì)算機(jī)教育,2021(4):51-55.
[5] 金燦榮,米蘭.打鐵還需自身硬大危機(jī)時(shí)代和中國式突圍[M].北京:現(xiàn)代出版社,2013.
【通聯(lián)編輯:王力】