计算机组成原理教学改革的困境及其出路

　　摘要：计算机组成原理是计算机科学与技术专业不可缺少的一门基础性课程。但是由于该课程具有较强的理论性、实践性和技术性等特点，使其面临着“学生难学，教师难教”的困境。为体现“学生主体地位”和“参与式教学”等教育理念，本文从“学习迁移理论”出发，分析该课程教学改革存在的问题，提出应对现有困境的可能路径。
　　关键词：计算机组成原理；教学改革；学习迁移
　　
　　计算机组成原理是计算机科学与技术专业的核心基础课程。通过该课程的学习，可以使学生掌握计算机单处理机系统的组成和工作原理，建立计算机系统的整机概念，为其他专业课的学习奠定基础。但是，经笔者的调查发现，被调查者对该课程的最深记忆是“理论性太强，基本概念太抽象，教学信息量大，教学内容更新快，与实践脱节严重，学习用处不大”等等，所以，该课程给人留下了“学生难学，老师难教”的印象，这种“两难”似乎已经成为计算机组成原理课程发展的瓶颈，甚至于成了计算机科学与技术专业发展的一个难以回避的尴尬。在此，笔者产生了一个疑惑：既然该课程作为核心基础课程，地位如此重要，为何学生觉得学了没有用，甚至成了师生的“共苦”？笔者认为，学生对课程的“无用感”更多来自于学习中的无趣，这种无趣则源自对所学知识的“未来预期”产生了失望，而这些“失望”或是源自客观上的教材建设、教学内容、教学方法、教学实践，抑或来自个人主观上的兴趣、能力、努力等。所谓的“未来预期”是指学生对所学知识之未来价值的期待，其产生的“失望”也就意味着“现有学习对未来学习可能会带来无效影响”，实际上，这就涉及到“学习迁移理论”的相关内容。立足学习迁移理论对计算机组成原理课
　　
　　程的相关问题进行分析，探寻该课程教学中的内在规律，将有助于为该课程摆脱现有困境提供良策。为此，本文试图从“学习迁移”的角度进行问题的阐释，以对问题的解决起抛砖引玉之效。
　　1学习迁移理论
　　学习迁移是指在一种情境中获得的知识、技能或态度对另一种情境中知识、技能或态度的获得形成的影响，即一种学习对另一种学习的影响。根据迁移的影响效果，可以把学习迁移分为正迁移和负迁移。在教育工作中所说的“为迁移而教”，就是指正迁移在教学中的应用，在教学中要尽量避免或消除负迁移的影响。
　　为了把握学习迁移的规律，必须弄清影响迁移产生的因素。迁移并不是在任何情况下都能发生的，它会受到一系列的主客观条件的影响。
　　1) 学习对象之间的共同因素。共同因素是指学习对象在知识、技能等方面具有相同或相似的成分，不同的学习对象具有共同因素就容易产生学习迁移，两种学习之间所包含的共同要素越多，迁移也就越容易产生。
　　2) 已有经验的概括水平。根据概括化理论，产生学习迁移的关键是学习者能概括出两种学习存在的共同原理，也就是对已有经验的概括水平。对原有的知识经验的概括水平越高，迁移的可能性也越大，效果也就越好[1]。
　　3) 理解能力和智力水平。理论能力是知识学习的基本前提，只有当学生真正理解了基本概念和原理时，才能产生正向迁移。而且，在同等条件下，每个人迁移的效果总是不尽相同，即迁移还受个人的智力水平这一主体条件影响，许多心理学家(如桑代克)的实验研究都证实了这一点。
　　4) 思维定势。思维定势是由先前学习引起的对后继学习活动产生影响的一种思想准备状态。它对学习迁移的影响有积极的一面，体现为心理活动的稳定性和前后一致性；同时，也有消极的一面，即妨碍学生思维的灵活性和智力发展，使思维活动表现出惰性，不利于知识迁移的灵活性和有效性。
　　虽然学习迁移存在各种不同的理论，但它们都存在一个共同的理论预设：学习迁移是客观存在的，且有规可循，只要把握其内在规律，就可以切实提高学习迁移的效率。因此，对教师来说，掌握迁移规律，有利于激发学生学习的兴趣，提高学生对所学知识的迁移能力，进而提高教学工作的效率。在教学中，“授人以鱼，不如授之以渔”，教师不仅要教给学生各种知识，更重要的是教会学生各种学习方法，提高学习能力，尤其是提高知识的迁移能力。在计算机组成原理教学中运用学习迁移理论，不仅有助于从源头上分析教学的现有困境，提高解决问题的能力，而且对培养学生的学习兴趣和能力，以及对知识的迁移和应用都有着重要的促进作用。因此，运用学习迁移理论对解决该课程的“两难困境”意义深远。
　　2基于“学习迁移”的计算机组成原理教学困境分析
　　2.1教材建设滞后
　　教材是达成教学佳境不可缺少的基本教学工具，也是师生对话的一个重要平台，它对基础知识的组织和重难点的梳理都将起到不可忽视的作用。然而，对于计算机组成原理课程来说，教材建设可以说是一个非常薄弱的环节，大多数教材的知识结构和内容组织都存在问题。
　　1) 知识结构的通用性不强。计算机组成原理作为计算机科学、计算机工程、软件工程、信息技术等计算机及相关专业公共的基础核心课，由于各专业的培养目标不同，对该课程的教材编选也有所侧重，所以，面世的教材也就五花八门，现有教材基本上不符合CC2005核心课程知识体系。加之，教育部规定，从2009年起计算机专业考研中的专业基础课实行全国统一命题，但却没有给出统一的参考教材，这便进一步体现了问题的严重性[2]。知识结构如果没有很强的通用性，就使得学生很难找到有助于迁移的“共同因素”，这对后续学习的迁移来说绝对不利。
　　2) 教材内容抽象。很多教材的知识点表述不够详尽，理论推导删减过多，尤其在运算器和运算方法章节。如：二进制数补码与真值的关系，0、1、2、3四类全加器的实现原理，ALU(多功能算数逻辑运算单元)的输入输出关系等知识点，若老师没有补充相关知识，学生就很难理解。
　　3) 教材内容陈旧。教材内容缺乏与前沿技术的结合，可谓是教材建设面临的最大困境。无法与前沿技术结合的教材最终是难以引领时代潮流的，从而也就难以激发学生的学习兴趣，学习迁移的效果也就无从谈起。就现有的教材改革来看，实践者们对于这些方面的滞后问题似乎都显得无所适从。
　　2.2教学内容理论性强
　　在教学过程中，大多数教师惟教材是重，直接将教材的“抽象理论”搬到课堂，使得教学内容知识点过多，概念性过于抽象，理论与实践严重脱节，以致学生在知识学习的过程中感到难以理解甚或排斥。很多老师在介绍相联存储器概念时，仅仅说明相联存储器是按照内容来访问存储单元的一种存储器，学生对此很难透彻理解。如果能够结合高速缓冲存储器中块表的实现过程来讲解相联存储器的应用，这就便于学生理解此概念。对任何一个学习者来说，抽象理论的接受都是有限度且需要一定情景的，将枯燥的概念生硬的传给学生，最终的“学习迁移”恐怕更多是负向的。因为过于抽象的理论不利于学生识别各知识点之间的关系以形成“基于共同要素的迁移”，过多的知识点也不利于学生的及时掌握和理解，加之理论与实践的脱节更是加重了学生对系统知识的把握难度，于是，学生对知识的经验概括能力更是难以得到锻炼，学习的正迁移也就无法产生。就学习迁移而言，基本概念和知识结构作为学习迁移的基础，理解该课程的“原码、补码、反码、移码”等基本概念，把握“数的编码方法和运算方法、指令的构成与设计、指令的执行过程”等系统知识，对该课程的学习迁移至关重要。缺乏基本概念和知识结构，实际上迁移是不可能发生的，正如认知结构的迁移理论所认为的，有意义的学习都是在原有基础上进行的，没有“基础”哪里谈得上有助于学习的迁移发生呢？也更谈不上将课程的相关知识应用到实践并推进实践。因此，教学中不可回避理论的抽象和概念本身存在的问题，而问题的解决还需立足迁移而教才可。
　　
　　2.3教学方式单调
　　由于计算机组成原理课程的基础性和理论性等特点，使得大多数授课老师习惯于采取传统的“填鸭式”教学方式，缺乏灵活而富启发的讨论和互动环节，没有充分调动学生的主观能动性。即便是当前许多课堂已经引入了多媒体教学，而实际上多媒体的幻灯片只充当了传统黑板的角色，多媒体的生动性和灵活性等优势并没有表现出来，多媒体使用形同虚设，学生在这种多媒体教学中仍是一个被动的接受者。大多数学生对“CPU(中央处理器)的功能和组成”学习感到极为枯燥，仅靠填鸭式教学和多媒体幻灯片难以讲授清楚，必须精心设计一些互动环节，让学生在深刻理解核心内容的基础上学习。否则，学生在整个课程结束后对知识的把握似懂非懂，不知所云，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，难以形成该课程的整体框架。就学习迁移理论的“建构主义”观点来看，要真正产生学习的正迁移，当然应以学生为中心，但是，教师的作用不可忽视，尤其是适当而灵活的教学方法对正迁移的影响至关重要。在整个教学过程中，教师应该充当组织者、指导者和促进者，为培养学生的积极性和首创性提供条件，以最终实现学生对当前知识的意义建构[3]。教师的角色是一个主导者而非主体，以教师为中心的填鸭式教学方法抹杀了学生的自主学习能力，呆板乏味的教学方法无法激起学生的学习兴趣，因此，传统的教学方法根本无助于知识学习的正向迁移。
　　2.4实践环节力不从心
　　计算机组成原理是一门技术性、实践性和工程性较强的硬件课程，实践应用不容忽视，学生的动手能力或许是检验课程质量的一个重要指标。该课程实践环节存在的主要问题如下。
　　1) 实验课薄弱。当前CPU芯片的研发和生产仍然是制约我国计算机产业发展的主要瓶颈，尽管中科院计算机所已开发出了具有完全自主知识产权的“龙芯”系列CPU芯片，但要将其用于实际并带动CPU芯片的产业发展尚有一定的距离，产业发展的滞后制约了学生对该课程实践环节的热情，也使实践环节缺乏充分的案例设计和软硬件基础。
　　2) 实践内容与最新理论发展不同步。受“摩尔定律”的影响，计算机更新换代非常快，新概念、新内容不断涌现，但由于国内相关技术领域发展滞后，大部分教学理论仍然停留于传统知识，理论教学很难跟上实际应用，所以，学生对课程实践性的怀疑乃至否定也很自然[4]。基于此条件下的实验课程，要么流于形式，要么与实际应用有很大差距，这样，实验效果欠佳，难以真正发挥实验课程的应有作用。这些对于课程本身来说很多时候都是身不由己，因为其发展受制于学科应用领域的发展困境。
　　学习迁移是先前学习对后续学习的影响，先前的认知结构对迁移效果来说非常重要，但是，“实验课程的薄弱”及“理论知识的日益更新”使得认知结构的三个变量“可利用性、可辨别性和稳定性”无从凸显，于是，原有认知结构无法成型，基于认知结构的学习迁移也就严重受阻。因此，该课程的整个实践环节对课程改革来说有着力不从心的困境。
　　3“为迁移而教”的计算机组成原理教学改革之出路
　　3.1选择适当的教材和资料，促进知识的意义建构
　　教材和学习资料可以直接引导学生进行知识的意义建构，合理选择教材和学习资料需从如下几个方面着手。
　　1) 教材选择要体现基础性和前沿性，不仅要把最基本、最具迁移价值的理论成果放在首位，而且还要注意用学科发展的新成果替换陈旧的教学内容。讲清楚计算机组成体系的知识体系、基本原理和方法，紧跟时代步伐，描述计算机组成体系的最新研究动态。
　　2) 教材和学习资料选择要突出知识链上的共同因素，以及教学内容的体系结构和实际应用价值，这将有助于正迁移的产生。
　　3) 学习资料选择要注重因材施教，考虑学生的实际能力，针对不同专业方向和不同层次的学生要选择与之相适应的参考资料，因为学习者自身的能力将直接影响迁移的效率，所以，作为组织者和指导者的教师必须从学习资料的选择上关注学习迁移的影响因素。
　　3.2合理组织教学内容，体现知识的内在联系和规律
　　合适的教材并不代表教学内容的安排一定合理。要使知识学习产生正向迁移，必须保证教学内容的各构成要素具有科学而合理的逻辑关系，充分体现各知识点的内在联系。教师要根据教材的难点和重点，结合学生的智力水平和知识结构，将具有最大迁移价值的基本知识和基本技能的学习放在首位，并把那些概括性高、派生性强的主要内容凸显出来。无论计算机技术如何发展，也不管形式是单片机、DSP还是一些嵌入式处理器或巨型机，当前计算机基本都是遵循冯诺依曼结构(或哈佛结构)。因此，教学中必须使学生明白这个道理，要注意学习计算机组成的最基本原理和各种计算机的共有知识，在掌握这些基础知识的前提下，才能针对具体领域学习专门性的计算机知识。对于“中央处理器、存储器、指令系统的基本原理和实现方法”等基本知识点必须放在首位，将“计算机整机构成的基本框架和思路”凸显出来，以体现不同计算机的内在联系。共同因素是学习迁移的一个基本条件，当先前学习与后续学习之间有相同或相似的内在联系时，就容易产生互相迁移，而且它们之间所包含的共同因素越多，学习迁移也就越容易产生[5]。学生往往不注意用已有知识来帮助新知识的学习，教师在教学过程中一定要把对新知识的讲解同学生已有的背景知识相联系，尽量找出新旧知识的共同因素，引导学生产生学习迁移。对于计算机组成原理的基础知识学习也是如此，因为不管哪一部分基础知识，各知识点都有一定的联系性，不同的只是其面向的问题和阐述的内容不同而已。
　　3.3改革教学方式，培养学生的自主性和概括能力
　　大学教育应更多培养学生的自主学习能力，传统的讲授式课堂已经不利于发挥学生的主体性，结合学习迁移的特征，为推进计算机组成原理教学方式的改革，应尽量减少传统的“单向式教学”，适当采用“参与式教学”让学生参与“知识传授”的过程，将教师的主导作用与学生的主体作用相结合，将传授知识与培养技能相结合，提高学生的学习迁移能力。
　　首先，积极引进讨论式教学方法，从课堂教学为主迈向小组互动教学为主。尽量采取小班授课，增加讨论课的比重。积极推进讨论式教学、实例教学等教学方法与合作式教学方式，如：讲授Cache虚拟存储器之前，可以先让学生自己讨论如何更有效的使用内存，这样更有利于知识的把握，进而引导学生追踪本学科领域的最新进展和前沿理论，培养学生的自主性。
　　其次，注重引导学生对知识的概括。根据学习迁移的概括化理论，对所学习内容概括总结得越好，学习迁移就越容易产生。因此，在计算机基础理论的教学过程中，老师要安排专门时间训练学生对知识的总结和概括，尤其是“运算方法、内部存储器、中央处理器、指令系统”等核心内容更应注意训练学生的概括能力。
　　再次，积极开发和大力推进基于网络和多媒体技术的教学手段，改善课堂教学的效果，增强知识学习的趣味性。
　　最后，采用比较方法，引导学生分析不同情境中教学内容的相同点和不同点。参与比较的教学内容在性质上应该具有联系性和明确的比较标准，否则，比较就难以进行。对教学内容进行系统的比较，有助于学生深入掌握基本知识点，避免新旧知识之间的干扰，促进新旧知识之间正迁移的发生。
　　3.4加强实践环节，创建良好的学习迁移平台
　　由于国内计算机核心技术发展的滞后性，导致了相关支撑产业发展的落后，这也使得计算机基础理论学习缺乏良好的迁移土壤，进而实践环节严重受挫。为此，该课程需要从以下方面加强实践环节。
　　
　　1) 重视实验课教学。切实保证实验课的学时数和有效性，关注学生对实验课的学习效果，以弥补实验课存在的不足，保证理论知识得以切实应用。
　　2) 加强理论与实践的联系性。在国内计算机技术发展的现有背景下，加强计算机基础知识的实践性对教师来说的确是一项艰巨的任务。但是，结合学科发展的条件，我们可以找到解决问题的突破口，如关注学科发展前沿，将前沿理论引入课堂，并创设相应的虚拟实验，使学生既能关注到理论知识的进展又能亲自体验新技术的发展，于是，学生的学习兴趣和主动性自然便得以提升，积极的学习迁移也就容易产生，而积极的学习迁移又可以反过来促进学生创新能力的提高和新知识的增长。
　　3) 建立理论与实践结合的有利平台。知识学习的正迁移单凭课堂教学是远远不够的，应从学生自身实际出发，建立良好的教学与实践结合的平台，有针
　　
　　对性地进行学生实践能力的培养，开展与课程相关的校园科技活动，成立科研与实践结合的学生科技活动团体，以提高学生学习迁移和解决实际问题的能力。
　　4) 建立校外实习基地。积极拓展校际之间、校企之间、高校与科研院所之间的合作[6]，加强各种形式的实践教学基地和实验室建设，为学生提供更多的将学习和技能迁移到实践的条件。
　　4结语
　　随着计算机技术的日新月异，计算机组成原理课程的“渐进式”教学改革也必将成为计算机科学与技术专业发展面临的一项长期而艰巨的任务。为提高学生学习知识的自主性和技术应用的创造性，立足“学生中心”的学习迁移能力的培养将会成为新时期进行该课程教学改革的一个重要切入点，也势必成为该课程师生跨越“两难”的助推器。
　　
　　参考文献：
　　[1] 索里•特尔福特. 教育心理学[M].