“计算机组成原理”课程的教学改革与实践

蒋永国　郭忠文　冯　源　洪　锋　徐慧敏

摘要:本文根据“计算机组成原理”课程具体情况,结合硬件教学特点,提出教学改革建议:动态合理组织和增删相关教学内容,加强三级实验体系环节,促进理论教学,对实验教学采用CAI教学法,采用“建构主义”的教学模式,建立试卷库,强化教师自我素质。

关键词:计算机组成原理;三级实验体系;CAI教学法;建构主义

中图分类号:G642 文献标识码:A

1引言

“计算机组成原理”作为计算机专业硬件课的核心课程,地位重要,既要注重基础性,又要体现时代性。目前学生就业以软件设计为主,学生会疑问:学习本课对以后工作有什么用处?授课老师不能回避。David A. Patterons指出,“软件系统性能取决于软件设计者对系统中硬件的理解程度。操作系统设计者、更多的软件工程师需要有较强的计算机组织与设计的背景知识。”因此要站在学生个人发展制高点上解释本课程重要性和地位,改变“轻硬件”的错误观念。

师生对本课程普遍反映“难教、难学”,是由本课自身的特点决定的。首先,计算机组成原理的技术描述占主要,既没有类似离散数学的证明、推导,又没有类似数据结构的算法介绍,学生会觉得“理论、规律性不强”。第二,概念多,比较抽象,加上计算机技术的发展,出现了很多新概念、新技术。同时,本课程是一门理论与实践性很强的专业课,不但需要精心安排理论授课,还要高度重视实验课的教学。

在国内计算机硬件人才培养弱化的环境下,从培养应用性人才出发,使学生既掌握计算机系统各部分的工作原理,又具有较强的实际动手能力,改变当前学生“重理论、轻实践,重软件、轻硬件”的状况,就成为我们这次“计算机组成原理”课程改革的主要问题。

2教学改革与实践

如何改革“计算机组成原理”课程,以提高其教学效果和教学质量,使它跟上计算机技术的发展步伐,是我们当前亟待解决的问题。在多年的教学实践基础上,我们对这门课程的教学进行了一些探索,本文主要从五个方面讨论和总结本课程教学改革实践情况。

2.1根据教学大纲和计算机的最新发展合理组织教学内容

在教学内容的编排上,依据教学大纲,重点突出,详略得当。每一章的内容都分为精讲和选讲两部分,选讲部分放手让学生自学或讨论,既培养了学生的自学能力,又节约了课时,避免了全堂灌输的“填鸭子”式教学。精讲部分则要求授课老师讲细、讲透,并结合当今计算机技术的最新发展动态,适当增加有关计算机各部件的演变历史和最新技术知识,既提高了学生的学习兴趣,又弥补了教材与实际的脱节,提高了这门课的使用价值。例如在讲各个部件原理时候,结合《ACM图灵奖——计算机发展史的缩影》和《IEEE计算机先驱奖——计算机科学与技术的发明史》两本书,讲述计算机部件或者重要原理的发明者或设计者是如何攻关和钻研的,学生对结合历史讲解原理的方式非常有兴趣,教师引导学生在制定个人专业发展目标上要有超越这些杰出人物的设想,从而引发学生强烈的专业学习兴趣。

2.2加强三级实验体系环节,注重应用能力的培养

“计算机组成原理”课程属于工程性、技术性和实践性都特别强的一门课程,因此,在开展好理论教学的同时,对实验教学环节必须给予足够的重视。通过实验课教学,使学生具有较强的分析问题和解决问题的能力,以适应科学技术的飞速发展。从2000年起,我系开设了“计算机组成原理”实验,并为之配置了配套的清华大学仪器厂的实验设备TEC-2、TEC-2000,通过近年7个班的近700名学生的实验教学,总结出了“5+1”模式的三级实验体系结构,即“5个分解实验”加“1门课程设计”,“5个分解实验”分别为:运算器、微程序控制器、主存储器扩展、并行接口电路I/O实验和多级中断实验,“一门课程设计”即整机组装实验。它们随课程进度分散在不同阶段完成,这样可使学生对计算机的每一部分都有深入的了解,以加深理解理论知识。

2.2.1三级实验体系

将上述实验分为基础模块实验、综合性实验、设计性实验的三级实验教学体系。

第一,基础模块实验阶段。学习基本实验仪器的使用、基本实验方法和技术、实验机系统结构的组成。通过设计一系列小实验的验证和应用,要求学生掌握实验系统单元模块的内部结构及相关电子芯片的基本逻辑,理解单元模块的工作原理及该单元模块在整机系统中的应用。

第二,综合性实验阶段。学习“计算机组成原理”这门课程的主要目的是让学生建立整机思想,在掌握单元模块工作原理的基础上掌握计算机整机系统地协调运行。为了达到这一教学目的,我们在教学内容中安排了一定量的综合设计实验,要求学生通过一系列此类实验掌握整机运行模式,让学生通过实践,建立牢固的整机思想,进一步深刻理解理论知识。

第三,设计性实验阶段。这一实验阶段是原理应用能力的培养阶段。通过这一阶段的系列实验,要求学生能利用在第二阶段建立的整机思想,对指导教师提出的课题任务,提出解决方案,陈述原理的应用,自主设计实验所用的单元模块以及实验步骤,进而通过实践得出实验结论。学生在这一阶段,通过自主实验的设计,从成功与失败中受到训练,得到整体素质提高。

2.2.2CAI实验教学和合理考核

在上述三级实验教学体系过程中,我们采用以下的教学方法和比例合适的考核方法。

第一,采用CAI实验教学法,改变学生“手忙脚乱”的实验习惯。

在实验教学中,如果教师在黑板上使用板书展示实验仪器,会使学生感觉到很枯燥,分组讲解又使教师工作量特别大,而且很抽象,影响教学质量。因此我们采用先进的多媒体教学手段,生动形象地反映出实验教学的全过程,利用Authorware、Flash等多媒体开发软件,自行设计、制作课件(计算机组成原理实验),对实验设备所提供的功能进行全方位的描述。TEC-2000实验计算机系统是一台高度集成化的实验台,在做手动控制实验时,必须拨动较多开关、按钮。以前几十个学生围挤在一台仪器前听讲解,部分学生根本无法看清听清,严重影响实验教学效果。而采用先进的多媒体教学手段,如采用实物投影仪或计算机多媒体系统,教师可将仪器设备的结构框图、实物图、工作原理逻辑框图等制成幻灯片,上课时把它投影到大屏幕上,再结合实验设备进行讲解,学生分散坐在自己座位上,结合实验设备边听边看,使过去复杂、单调的内容变得直观、生动,充分调动了学生的学习积极性,增强实验效果,提高实验教学质量。

第二,科学合理的实验操作流程和实验成绩考核方法。

在每一个实验前,由教师布置实验任务和目的,然后由学生设计并完成实验,这就要求学生在每一个实验之前查阅大量资料,做好设计工作,实验之后能总结实验结果写出相应的实验分析。期末理论考核成绩占70%,实验考核成绩占20%和平时考核占10%。实验成绩分为实验准备、实验检查和实验报告,实验准备占20%、实验检查占60%和实验报告占20%。

2.3采用“建构主义”的教学模式,理论推导为主的教学方法

所谓“建构主义”,即以学生为中心,在整个教学过程中由教师起组织者、指导者、帮助者和促进者的作用,利用情境、协作、会话等学习环境要素,充分发挥学生的主动性、积极性和首创精神,最终达到使学生有效地实现对当前所学知识的意义建构的目的。

“计算机组成原理”理论性强、概念多、抽象,很多学生一直到整个课程学习完毕,都不知道学了什么,似懂非懂,没有真正参与到学习过程中去,完全靠死记硬背记住一些知识点,各个知识点之间无法衔接,也就无法形成该课程的整体框架。因此,要改变“计算机组成原理”的教学效果,就必须在教学过程中充分体现“建构主义”的教学思想,以学生为中心,实行以理论推导为主的教学方法。在每一个新内容讲授之前,教师可以先对上一个内容进行简单扼要的总结,然后承上启下地诱导出“接下来的内容将要解决的是什么问题”或者“既然用这一种方法来解决问题存在着这样缺点,那么,还有什么更先进的方法”等问题,把它作为任务,交给学生去分析、讨论,学生有了明确的学习目标,就会投入到学习中去,发挥自身的主观能动性,这样既抓住的课程的主线,又极大地培养了学生的自学能力、创新能力和协作能力。

2.4建立“计算机组成原理”试卷库,提高教学质量

根据教材及大纲要求,参考往年全国各高校考研试题、2009年以后全国计算机专业课统考试题以及国外教材的习题,我们建立了60份专门提供给学生的“计算机组成原理”试卷库,该试题库每隔2年更新一次。试卷库涵盖了学生必须掌握的所有知识点,但各套试卷中题目并不相同,学生通过复习,如果对60套试卷中的题目达到“四会”(计算、回答、分析、设计),我们的教学目的也就达到了。为了避免少数学生死记硬背,教师手中的期末考试试卷中必须含有一定比例的随机补充或更新试题,否则影响教学效果的评价。试卷库的建立大大减轻了教师工作量,也保证了教学质量,成为衡量教学效果的一个重要指标。

2.5改变传统观念,强化教师自我素质,提高教学能力

教学改革的成功关键是要提高授课教师的自我素质,以适应现代开放式教学和现代科学技术的发展。作为一个高校教师,应该通过不断学习,强化自我素质,以期达到教学思想、教学理念的更新,教学模式、教学方法的更新,知识结构、技术层次的更新,教学技术、教学手段的更新。例如2008年4月,本人带队参加了“产学研多核技术青年骨干教师高级研修班”,和兄弟院校及Intel公司技术人员进行了多核新知识体系的交流与学习,并且于2008年秋季学期对本课程进行了多核课程建设的初步尝试。

3结束语

作为研究型大学,在培养学生过程中,要注意授课模式必须结合自身科研进行讲解,授课教师要结合自己的科研、论文的具体示例来讲解课程,提高学生的课堂听课效率,让学生从本科阶段就关注如何进行科研活动,从而激发学生做一个研究型的学生。同时给学生布置1～2篇综述性的小文章,让学生通过利用网络资源查阅相关文献,在课程内采用Seminar的形式讨论交流,以提高学生分析与交流的能力,从而增强学生的研究动手能力。

总之,利用计算机教学中的创造性因素,大胆地让学生自由发挥,从而改变“满堂灌”的弊病,形成以学生为中心的生动活泼的学习局面,需要我们不断地努力进取,优化教学设计,以先进理论来展现全新的教学思路,从而在计算机硬件课程教学中探索出“扎实的理论基础和创新技能相结合”教育的崭新天地。

参考文献:

[1] 王爱英.计算机组成与结构[M].4版.北京:清华大学出版社,2008.

[2] David A. Patterons,John L. Hennesy. Computer Organization&Design[M]. America: Morgan Kaufmann,2004.

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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