谈“计算机组成原理”课程教学设计

　　摘 要：在介绍“计算机组成原理”课程特点的基础上，研究本课程的教学设计，制订实验课件的开发方案，并针对该课程几个重难点提出相关的教学策略。
　　关键词：计算机组成原理；课程设计；知识体系
　　
　　
　　现代社会计算机技术发展一日千里，计算机的组成结构与过去的小规模集成电路相比已不可同日而语，它已经是超大规模的集成电路。高校开设“计算机组成原理”课程，其主要目的是学生通过该课程的学习，可以深入了解计算机的各功能部件，对每个部件在整机中起到的作用以及对应需完成的任务进行学习[1]。
　　1 课程特点及教学任务
　　“计算机组成原理”是高校计算机专业的一门核心课程。它在先导课与后续课间起着承上启下的重要作用，它的课程地位决定其知识范围广、知识容量大、更新速度快以及难度高的特点[2]。因此在本课程中，教师更应该注意学生主体作用的体现。计算机技术日新月异，老师所传授的知识要与时代的发展同步，使学生在校园内接触到的是新知识、新技术和新理念。
　　“计算机组成原理”是计算机本科专业必修的硬件课程。学生通过本课程的学习，可以了解计算机常用的逻辑器件、部件的基本原理、基本结构和初步设计方法，了解简单、完备的单台计算机组成原理。教学要求可以按照高、中、低分为三个层次，即“掌握”、“理解”和“了解”：“掌握”即要求学生对所学内容进行熟练掌握和深入理解，并且可以利用所学知识对相关的应用、初步设计等问题做出
　　
　　分析和解答；而“理解”要求学生可以利用所学内容对相关问题做简单的判断分析；“了解”则是对所学内容进行初步的了解[3]。
　　2 课程知识体系设计
　　常规的课程知识体系都要求具备一定的系统性、科学性以及完整性。不过相对于学习计算机原理的课程来说，上述也提到该课程的特点决定将其教学要求分为三个层次，因此，笔者认为可以将科学性标准作为需要主要把握的课程特性，而其系统性和完整性可以根据本课程的特点做适当的调整。
　　2.1 课程知识体系的构成
　　课程知识体系由若干知识单元(如总线、存储器等)构成，知识单元由若干知识点(如总线结构、特性等)构成，知识单元的每个知识点间又有着内在逻辑关系，每个知识单元中的知识点与其他单元的各知识点同样有一定联系，并且各知识单元之间同样存在着相应的关系，正是这些内在的逻辑关系组成了一个完整的网状系统，其所反映的就是课程知识体系结构。新的知识要藉由长时记忆中的知识向学生自身的知识结构转变，因此，在进行课程设计时要以这个观点为基础，强调学习该课程的知识体系结构[4]，如图1所示。
　　基金项目：黑龙江省智能教育与信息工程重点实验室；黑龙江省重点学科(081203)。
　　作者简介：李丽萍，女，教授，研究方向为计算机科学教育、计算机体系结构。
　　
　　2.2 建立课程知识体系结构的方法
　　首先利用任务分析这一教学设计理论技术，采用教研组老师集体研究、分析的模式，确定出该课程的教学范围以及课程深度[5]。再通过解释结构模型法，对教学顺序以及教学内容的关联结构做进一步确定。在确定教学顺序时，通常由专业人员以及课程教师来进行458787d68b6a5e3a16815a6cc1ca95f6bade7d728630f1802e4e0cf394df288a：先分析主题，把课程内容的各知识点抽出，确定出各个知识点的内部逻辑关系，即建立有向图；通过矩阵运算初步整理有向图，求取各知识点间教学关联结构，绘出整体知识点层级网络图；最后再进行整体的审查以及局部修改。知识体系结构中的每个知识点都要做任务目标的分析，进一步确定出具体教学内容，参照上述确定的教学关联结构，建立起教学目标和教学任务的关联图，最后就可以进行“计算机组成原理”的课程体系设计。
　　3 课程分析
　　3.1 教材分析
　　《计算机组成原理》教材经过多次的改版和演变，已经增加了很多的内容。通过分析所用《计算机组成原理》教材，我们可以把教材全部10大章内容先分为26个教学单元，每个单元再细分为若干个知识点。选择每个单元内容的主要知识点，再针对这些知识点间的内在逻辑关系组织学习顺序。在教学设计上强调清晰、简洁、明确，使学生可以从整体把握该课程的知识结构。因为学习过程中的每个知识点有着不同的难易程度，通常关键的知识点往往也是难点，因此在设计中要针对重点知识提供多层次、多形式的学习和练习。
　　3.2 学生特征分析
　　课程设计中确定教学进度、完成教学任务的第一步，就是对学生特征做出科学、准确的分析，只有对学生进行充分的了解，才能确定哪些学习内容是可以通过学生自学完成的，哪些任务是需要老师加以引导的。分析学生特征可以充分激发学生的学习内动力，引导学生编制自学计划，在有限的时间实现教学目标。
　　学生特征信息通常来源于以下两个渠道：
　　1) 通过老师和学生的面对面交谈或者利用邮件、及时通讯工具等所做的交流。
　　2) 通过问卷调查，问卷的内容主要包括学生在学习“计算机组成原理”时的态度、目的以及方法，还有具备相应基础知识的程度。采用问卷的形式与学生进行交流，可以直接掌握学生的具体情况，包括学生的认知结构、基础知识以及设计能力。老师可以以此为参照进行教学目标的设计。要先促使基础知识相对欠缺的学生对相关知识点进行补充学习，学生在具备了前导知识后，才能克服后续学习过程中的畏难心理，使得课程得以顺利开展。而对于一部分学习热情高、基础扎实、喜欢计算机专业的学生，则可以引导他们制定一些综合性的、有一定难度的自学计划。学生在解决实际问题时，提高创新能力和学习能力，从而激发其求知欲，体会到学习的成就感，最终提高设计能力。
　　3.3 学习目标分析
　　本课程的学习目标按照上述课程体系结构的组成，设计为“课程学习目标”、“单元学习目标”和“知识点学习目标”。可以先在学期初提出课程学习目标，使学生对于课程的学习目的了然于胸；单元学习目标可以在学习各单元内容之前呈现；而每个知识点的学习目标要在知识点的学习过程中呈现，并且将知识点的学习目标对照上述教学特点进行层次的划分，使学生明确知道知识点是属于“掌握”还是“理解”还是“了解”。老师给出相应的引导和建议，学生按照不同的层次目标确定自己适用的学习策略。
　　4 教学系统设计
　　4.1 组织教学内容
　　在实施本课程的教学活动时，除了引导学生在课堂这种正式渠道获取理论知识外，还要充分利用校园局域网、因特网等网络形式和网络资源加以学习辅助。例如，计算机发展与展望、汉字在计算机中的处理、外部设备等一些与现代技术联系密切的知识点，多采用学生分组学习讨论方式。学生搜集查找的资料内容远比课本丰富，这种学习方式，既开拓了学生的知识面，也锻炼了学生初步进行信息检索归类的科研探索能力。老师在课堂中通过精心制作的课件，采用知识可视化、信息可视化等先进的方法，向学生传递知识点；或者利用BBS、电子邮件等方式，与学生进行非正常渠道的沟通，在传递教材各显性知识点的同时，还向学生传授分析问题、解决问题的策略[6]。学生通过掌握这些隐性知识，不仅加快了知识点向自身知识结构转化的过程，还提高了实际解决问题的能力。
　　4.2 设计学习环境
　　学习环境通常由自主学习和协作学习两部分组成。自主学习环境的设计，除了老师引导学生制定相应的学习计划外，还可以针对学生的阶段测试、日常学习中的反馈信息设计出自学自测学习模式：收集每个阶段测试以及日常练习中经常出错的习题，开发设计出自测试题库，促使学生自觉进入该试题库进行自我测试，通过对比发现不足，从而提高学习效率和学习积极性。而协作学习环境的设计，则可以采用项目教学法、任务驱动法等各种教学方法[7]，加强学生协作能力的锻炼，培养其团队精神。也可以在校内局域网建立课程论坛、学习社区等，利用发贴与学分挂钩的形式，提高学生的参与度。
　　
　　4.3 开发教学资源
　　老师要采用多种教学策略为学生搭建一个理想的学习平台。深入开发素材性课程资源，可以说课程资源是课程实施的基本条件之一，素材性课程资源是开展教学活动直接来源，学生转化为自身知识结构的对象。素材性课程资源分为静态和动态两种，很多老师比较侧重于静态资源(如讲义、课件)的利用，而忽略了动态资源。所谓动态资源就指师生交互过程中所形成的资源，例如，学生时实的信息反馈等。其实动态资源的利用正是突出了“学生为学习主体”这一全新教学理念，它使学生和老师情感交流更为丰富，也提高学生的学习兴趣。
　　4.4 设计教学方法
　　由于“计算机组成原理”课程有很多抽象性的概念，笔者通过实践发现，类比法对帮助学生理解抽象概念起着非常有效的作用。所谓类比法，是把计算机原理课程中的知识内容与日常生活中接近的例子作对比，使得相关理论概念变得具像化，更容易理解和掌握[8]。类比法又分为对象方法类比及对象属性类比两种。其中对象属性类比是利用该对象的属性，与另外一个与其属性特征相接近或者完全相同的对象做比较，使得具有抽象属性的对象具像化，对该对象的属性特征加以说明。如教材中对CPU内部结构和功能的描述都比较抽象，有时候仅用一个模型图来说明其内部结构，学生理解起来比较困难。此时可以分析该知识单元：CUP的内部结构是一个互相协作但又相对独立的整体，其各部分都有自己的功能特点，那么就可以将其与一家制造企业公司做类比。一家制造厂由经理部、财务管理部、生产部、车间、企划部、采购部等各部门组成，每个部门的职责范围也不尽相同，如果把公司的组织架构和CPU内部结构的组成做类比，则理解起来就相对容易，因此可以做如表1所示的类比。
　　这种类比教学方法在课堂实施后，学生都认为对于CPU的内部结构理解比较透彻。
　　而对象类比则是对某对象所具备的行为或过程与另外一个对象所具备的抽象性过程或行为进行类比，进而对抽象概念加以说明。
　　4.5 实验设计
　　该课程是一门实践性非常强的课程，因此，实验的设计就尤为重要，这里按照开设实验课程的时期提出几种设计方法。
　　4.5.1 验证式实验
　　对于初期实验课程来说，这种实验方法比较常用，它可以帮助学生熟练掌握基础实验的步骤及方法。其实验证式实验就是老师先给出实验的步骤、方法以及试验目的，并绘出线路图，在上面写出汇编程序，给出实验结果，学生按照老师提供的思路进行试验验证。比如，一块EPROM的芯片，由0地址开始写上内容，学生按照老师提供的电路图构成电路，读出地址内容单元，并与老师所写的内容做比较。这个试验可以帮助学生初步了解单元电路的构造及调试方法，及时排除错误。
　　4.5.2 模仿式实验
　　开设中期实验课程，学生可以参照一些程序或电路，对其进行改造或模仿，设计出类似的实验程序和电路，得出课程要求的实验结果，并对该结果进行观察、分析和研究，这种方法就是模仿式实验。
　　4.5.3 探索式实验
　　实验课程的后期阶段，可以要求学生参照教材内容，自行设计出实验方案，对实验电路、实验流程、实验程序进行自主的调试和构造，从中获取老师所要求的实验结果。这种探索式实验对于学生解决问题、分析问题的能力要求比较高，并且还要有较强的计算机软件、硬件知识做支撑。学生经过该阶段实验课程的训练，其动手能力、设计能力都会得到很大的提高。根据长期的计算机组成原理课程教学实践，我们开发了基于EDA技术的教学实验板，在实验课中开展了新教学方法的教学实验和研究，摸索和设计出了一套新型的计算机组成原理实验课教学方法与模式。实践表明，采用这种教学方法的突出特点是充分体现和发挥了学生的创新设计能力，达到了加强学生综合素质的提高和实践能力培养的目标。
　　4.6 教学评价体系设计
　　在设计教学评价体系时，老师要注意将多种评价方式相结合。在学习过程中运用形成性评价，老师可以设计出诸如“电子档案袋”等形式的程序，对学生的学习过程做详细记录；在学习活动告一段落时，可以采用总结性评价方法，指出各阶段性学习的不足，对学生的学习效果加以验证。评价的手段也不能只采用考试一种，可以结合日常教学中的项目完成成果、在课程论坛中发帖的数量和质量等，对学生的学习态度、学习方法做出全面评价。而评价的主体也要多样化，不能仅以老师为评价的主体，学生也要真正参与到评价活动中来，如设计问卷调查，或者项目教学法中，让学生作为评价的主体，进行各项目小组间的互相评价等。
　　5 结语
　　对“计算机组成原理”进行课程设计，目的是提出更为有效的教学设计。当然在实际教学过程中，学校使用的教材与实际的技术发展还存在一定的差异，因此老师要注意结合实际情况，对新的计算机知识、技术及应用多加介绍，使学生在学校可以了解最新的计算机技术，激发其学习兴趣，增强专业自信心。
　　
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