“计算机组成原理”教学方法与实践

摘 要 ：针对“计算机组成原理”课程教学所面临的困局,分析了这些问题出现的主要原因,提出了要采用面向问题式并体现教学内容的人性化教学等方法,强调了教学过程中的归纳和总结对帮助学生认识和理解课程知识体系的重要作用,以及加强专题讨论和重视实验环节对升华课程知识点的重要作用,实践证明这些方法和手段在实际教学过程中是非常有效的.

关 键 词 ：计算机组成原理；教学方法；教学研究；教学实践

作者简介：李济生（1957-）,男,山西晋城人,北京交通大学计算机学院,副教授.（北京 100044）

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）10-0123-02

“计算机组成原理”是计算机专业的一门核心课程,在整个课程体系中具有承上启下的作用.学生通过本课程的学习,不仅能掌握计算机硬件系统各部件的内部结构和工作原理,而且还能掌握计算机硬件系统的分析和设计方法,为后续学习硬件课程或软硬件结合的课程打下良好的基础.

一、 课程教学面临的困境

作为计算机专业的一门核心课程,如果没有很好的教学效果,不仅会造成学生对课程的学习达不到教学要求和目标,而且也会造成学生对后续硬件课程的学习产生畏惧心理.出现这些问题的主要原因是：

1.课程的入门难度较大

“计算计组成原理”是计算机专业学生真正面临的第一门专业基础课,起初学生往往带着极大的兴趣和信心投入到课程的学习中来.但随着课程的进行,课堂的缺课率逐步增加,有一些学生甚至在课堂上表现出思维迟钝和跟不上课程进度的现象,加上硬件课程又不像软件课程那样容易进行实验验证,课后就不能及时通过实践的方法对理论知识进行消化和再认识,随着时间的推移,学生对知识点的理解和掌握欠账增多.另外,学生常常习惯于采用软件的学习方式来学习硬件,不能正确认识学习软件和硬件在学习方法上的差异,从而造成思维方式的错位.如果教师再不能对繁多和零乱的知识点及时准确地归纳和总结,很容易造成一笔糊涂账,从而使学生在硬件课程的入门上会遇到很多困难.

2.学生普遍畏惧硬件课程

在大学教学中,硬件课程教学效果普遍不如软件课程,就是学习较好的学生也普遍反映该课程比较难学,其主要原因如下：其一是该课程涉及的知识面广、概念多,其工作原理讲解又比较抽象,学生对其工作过程缺乏感性认识,理解起来比较困难.[1]其二是不能找到准确的方法对所学知识点进行归纳和总结,很难区分各知识点之间的关联性和适用性,很难通过贯通知识点来把握课程知识的体系结构.其三是学生已经学到的软件还没有涉及对硬件的编程,因此很难理解软件和硬件的互动关系,再加上对硬件的操作又很难产生与软件一样的直观效果,学生普遍对硬件课程学习有畏惧心理.

3.课堂教学师生互动偏少

由于课程涉及的概念很多,就是对同一个概念也可能因为涉及计算机硬件部件的不同,其解释也略微不同,而学生又很难在它们之间进行区分并建立联系.例如,“异步”的概念,在串行通信中有“异步”的概念,在动态存储器的刷新中有“异步”的概念,在总线的控制中也有“异步”的概念等等.另外,教师为了在有限的课时里讲清楚一个又一个的概念和知识点,容易采用以讲授为主的“填鸭式”教学模式；而学生又不得不被动接受一个个抽象的概念.课堂上缺乏教师与学生的互动,导致学生中的很多问题不能及时得到解决,日积月累问题越来越多,学生就越来越不敢与教师互动,这种恶性循环极大地挫伤了学生的学习积极性.

教学过程中的归纳和总结偏少也是造成学生感觉没有头绪的重要原因,虽然学生学了很多课程内容,但他们并不能有效地对这些知识点进行分类和归纳,也很难总结出各知识点之间的相互作用和区别,不能及时将所学知识消化和吸收.

4.实践环节相对较弱

课程的实践环节大多根据几个重要的章节设置了一些验证性的实验,实验内容也无法覆盖所有的知识点,再加上实验与讲课之间也很难做到无缝连接,学生很难及时将不懂的问题通过实验的方法解决.因此,知识点的讲授和理解之间缺乏有效载体,很多零乱的知识点只能通过抽象思维方式进行理解和掌握,造成了学习难度大.这种不能通过有效途径对课程整体知识有效把握的局面,学生很容易丧失学习的积极性.

二、教学改革的探索与实践

前面提出了很多课程教学中存在的问题,解决这些问题不能靠某种特定的方式,而必须要采用综合整治的方法.

1.尽快帮助学生走出困境

大部分学生对电脑都感兴趣,但他们对计算机的认识仅仅停留在表面上,比如喜欢玩游戏、愿意熟悉一些陌生的软件等,但缺乏对计算机内在知识的认识和了解.众所周知,计算机处理复杂运算非常容易,而做一些辨识工作就不那么容易；而人脑正好相反,这正是计算机处理问题与人脑处理问题在功能上和方法上的区别所致.例如,人的视听触觉所获取的资料与其识别的结果具有相当大的关联性,甚至认为结果是必然的；而计算机则不同,它在获取资料与得到结果之间需要进行大量的数据处理,这个过程对人脑是显然的,而对计算机不是显然的.学生经常问到的问题完全是人脑的思维方式与计算机的思维方式的差异所致,因此在步入课程初期,教师要注重讲解计算机处理问题的思维方式与人脑的思维方式上的相同与不同,造成这种思维方式差异的原因,教会学生如何用计算机的思维方式思考和解决问题.另外,还要注意调节课程的进度,并注重采用启发式教学方式来激励学生增强发现和探索问题的兴趣,[2]尽快帮助学生走出困境.

2.面向问题的教学方法

面向问题的教学是指教师有意识地提出一些需求、现象或问题,引导学生主动去思考、探索与讨论来解决这个问题,使学生完成一个根据需求提出方案和解决问题的过程,让学生真正成为教学过程中的主体.[3]例如,在讲解计算机的中断系统时,可以先提出问题：当某个外部中断发生时,CPU是如何进入相关的中断怎么写作程序?让学生去思考并提出解决这个问题的方案.由于学生在高级语言里都学过函数和过程的概念,他们很有可能会结合自己的编程体会提出与函数调用类似的方法.由于函数被调用的位置是固定的,而中断怎么写作程序被调用的位置是随机的,这就引出如何解决在随机位置上调用怎么写作程序的问题,从而提出中断失量的概念.通过这种问题式教学方式,学生不仅理解了中断和过程调用的差异,也掌握了中断调用的完整过程,并且很容易帮助学生建立起一些重要的概念. 3.教学内容的人性化教学方法

教学内容的人性化教学是将课程的某些内容用人性化的方法进行关联和比喻,从而将很多抽象的概念和理论形象化、生动化,并用人性化的方法解决,使学生掌握的知识更加牢靠.例如,在讲解计算机通信的调制解调问题时,可以用人们如何穿过很狭窄的通道进行比喻.当人在进入狭窄的通道时一定要侧过身来,这就是信号的调制,离开通道时一定要转回身恢复到正常,这就是信号的解调；调制和解调的实质就是保持信息不变的情况下,使通信信号窄带化,从而解决宽带信号在窄带信道中的数据传输问题.还例如：在讲解存贮器的扩展时,用砖砌墙来进行比喻；一块砖相当一个存储器芯片,墙相当于扩展后的存储空间.砖在水平方向的扩展相当于位扩展,而在垂直方向的扩展为相当于字扩展,砖在水平方向和垂直方向的延伸就砌出了一块墙,这就是存储器字位扩展的概念.砖与砖之间的连接必须紧凑而不能重叠,这就引申了地址空间的连续性和不可重叠性概念,再通过分析存储器片内地址和片间地址连续变化时所表现出来的特点,就能从技术上说明地址的连续性和不可重叠性的实现方法,学生就能很容易地掌握主存储器地址空间的构成方法.

4.重视归纳和总结以强化课程的知识体系

归纳总结的目的就是将一些零乱的知识点分类归纳出有条理、知识结构清晰的概念和课程体系,以便学生掌握和记忆.归纳总结要遵循由复杂零乱抽象到复杂具体,再由复杂具体抽象到简单具体的过程；这个过程就是知识消化和吸收的过程,也是将一本厚书变成薄书的过程.

归纳总结要贯穿于每一章和各章之间,要让学生知道他们在学什么,哪些地方已经学明白了,哪些地方还需要进行充实；各章的知识点有哪些,它们之间有什么关联；如果合上了教材,是否还能说清楚各章的重要知识点.如果对课程的归纳总结及时、深入和透彻,学生就不会感觉到所学的知识点杂乱无章,也不会在结课后还不知道课程的知识体系.因此,归纳总结要贯穿于整个教学过程中,以强化学生的知识体系.

5.增加专题讨论环节,弥补实验内容不足

专题讨论是课程知识点升华的重要过程,专题应以每章的主题或章节之间的关联主题作为内容.专题可由教师指定或者由学生设计,但要注意学生设计题目的合理性和可操作性,要以最大限度地调动学生的主观能动性为前提.根据时间的要求可以选择专题报告和专题讨论等形式,以分组方式组织学生.专题报告应要求学生在课后完成,专题最好能够通过实验进行设计和验证；学生通过专题讨论,归纳和总结相关专题的知识点,解析它们之间的关联度,再通过相关的实验设计和验证能将相关知识升华到一定的高度,同时也可以弥补实验内容不足的缺陷.专题讨论应包括：选题、查阅资料、分组讨论、规划方案、设计与实验、撰写专题报告等过程.

学生完成专题报告后,教师要对完成情况给予准确的总结和评价.对于顺利完成专题的学生组,要给予充分的肯定,并指明他们的不足和下一步应该努力的方向；对于有困难的学生组,要明确他们的知识结构中存在的缺陷,解决问题时所选择的不合理方法,同时也要指明今后应该努力的方向.[4]通过总结和评价,学生明白完成这个专题所要掌握的知识,始终保持高昂的学习积极性.

三、结束语

本文针对“计算机组成原理”课程在教学中存在的问题,从教学方法上进行了探索,并提出了一系列解决方案和改革思路,经过多年的实践和不断改进,取得了较好的教学效果.实际上,对课程教学方法的研究需要一个长期的探索和实践过程,探索并实践出一种有效的教学模式,对帮助学生掌握本课程的知识点,建立正确的课程知识体系,进而培养学生对计算机硬件系统的认知能力、设计能力和创新能力是非常有意义的.