應用型本科“計算機組成與結構”課程的教學改革探索

摘要:作為應用型本科院校計算機專業的核心基礎課程“計算機組成與結構”，傳統的教學方法和教學模式很難達到教學目標與要求，本文結合該課程的性質和地位，從教學內容和教學方法等方面，對這門課程的教學改革進行分析和創新探討。

關鍵詞:計算機組成與結構;教學改革;分層次教學;創新實驗

1課程的性質和地位

規范計算機教學知識體系在教學過程中能夠起到很好的作用，參照IEEE/ACM發布的計算機學科本科教學參考計劃(Computing Curricula 2001，簡稱CC2001 http://www.acm.org/education/curricula-recommendations)，不同類型的本科院校對計算機專業都制定了各自學科的教學計劃。在CC2005(Computing Curricula)中將計算機學科分為計算機工程(Computer Engineering-CE)、計算機科學(Computer Science-CS)、信息系統(Information System-IS)、信息技術(Information Technology-IT)和軟件工程(Software Engineering-SE)5個專業，圖1為針對每個專業的特點和要求所提出的知識架構。

圖1The problem space of computing

橫軸分為理論和應用兩個方面，而縱軸分為計算機硬件與結構(Computer Hardware and Architecture)、系統基礎(Systems Infrastructure)、軟件方法和技術(Software Methods and Technologies)、應用技術(Application Technologies)和信息系統結構(Organizational issues Information Systems)5個層次，不同專業對每個層次的要求不一樣。CC2005中基于上述層次結構明確指出計算機科學專業和計算機工程專業都應該掌握計算機硬件與結構方面的課程知識，并且對不同專業的每一門課程的地位、知識范疇和教學方法等做了詳細的說明。圖2為Computer Architecture課程的編號體系，課程分為四個級別:入門課程、中級課程、高級課程和具體項目課程，不同的課程對應不同的教學目標和教學方法。

圖2CC2005課程編號體系

作者簡介:韓英(1979-)，女，助教，本科，研究方向為計算機系統結構相關的教學與研究;嚴誠(1983-)，男，講師，碩士，研究方向為計算機體系結構相關的教學與研究;荀啟峰(1979-)，男，講師，碩士，研究方向為計算機系統結構相關的教學與研究。

“計算機組成與結構”作為計算機科學專業的中級課程來講要求采用精簡的、系統的、主題教學相結合的教學方法。通過本課程的學習，要求學生在掌握理論的基礎上，通過實踐教學環節的訓練，培養學生在計算機系統的分析、設計、開發、使用和維護的能力，為后繼課程的學習和將來從事相關的計算機研究工作打下良好的基礎。

2教學改革

2.1抓課程核心，合理安排講授內容，突出硬件重點

該課程主要是介紹單處理器計算機的組成原理與結構體系，內容主要包括計算機中數據的表示和運算實現、存儲器組織與結構、指令系統、中央處理器等。由于該課程屬于硬件基礎課，其本身的特性決定了課程內容之間相對獨立、知識點零散，目前很多教材沒有做到體現計算機系統結構的整體性，且傳統的灌輸式教學模式存在很多問題，所以這門課程的教與學都比較困難。

針對教與學的現狀以及出現的問題，很多高校對該課程的教學內容和教學模式進行著探索性的改革，為了在教學中讓學生能夠形成清晰完整的概念，需要合理的安排內容。比如，首先應該給出計算機系統的概念結構，然后從具體的運算實例出發(比如 “5+8*3”)來介紹微機的功能和工作過程，進而引出整個課程的主要內容結構，讓學生把握課程整體的方向，為學習以后的內容打下基礎，在講解具體部件原理時，始終堅持“突出整機概念”為主線，這樣把握著課程核心目標，進一步安排教學內容。[1-2]對于基礎性的知識注重硬件原理的講解，而對于發展較快、具有時代意義的技術性內容，老師應該做到跟蹤前沿技術，在課堂上補充講解。老師可以讓學生參與課題研究，培養學生的創新意識，保證教學內容的基礎性和先進性的統一。

2.2理論性和實踐性相統一的分層次教學，培養學生動手能力

“計算機組成與結構”課程的理論教學主要講解計算機組織和計算機結構兩方面的內容。理論教學內容偏重原理性的知識，十分抽象，例如講解CPU和存儲器連接技術時，教學中無法做到兩者實物引腳的連接，只能通過原理性的知識去講解其連接技術和讀寫工作原理;在講解各個部件互連技術時，涉及到對程序員透明的硬件細節問題，如控制信號、節拍電位機制以及硬件門電路技術等。

實際上，教學的要求不僅僅掌握其原理性的知識，還要求掌握關鍵部件的設計方法，更重要的是培養學生的實踐創新能力。教學實驗的內容應不斷更新，做到追蹤新原理、新技術、新方法和新器件，并及時反映到實驗教學中，為了達到通過不同類型實驗來培養學生實踐能力，實驗可采用分層次教學:基本實驗→開放性實驗→綜合性實驗→研究性實驗。[3]基本實驗是配合理論教學內容，進一步加深學生對于理論知識的理解而開展，可以在平常的實驗中開設，比如運算器、存儲器實驗等;開放性實驗是為了進一步提高教學水平培養學生的實驗技能，讓學生了解這門課程先進的技術進展，可以借用學校的網絡教學平臺來開設開放性實驗，比如“接口技術”;而綜合性實驗為了培養學生的設計能力和分析解決問題的能力，可以在課程設計中開設，比如為了能使建立完整的微機概念，除了在理論教學中突出整機概念外，在課程設計中結合具體的實驗給出基本模型機和復雜模型機的具體設計和實現技術;研究性實驗是更高層次的要求，是為了培養學生的創新思維和研究能力，可以安排在畢業設計階段。這樣的分層次教學和堅持理論和實踐相統一的原則，更有利于培養計算機專業的硬件人才。

2.3多媒體技術應用于教學方法的改革，激勵學生思維活動

創新思維活動是建立在原有知識體系基礎之上的一種活動，學生良好思維習慣的形成需要在平常專業學習中培養，可以在課堂教學中采用多樣的教學手段有效激發學生的思維。比如將多媒體技術應用到教學中，借助于直觀的圖形和動畫的形式將抽象的問題進行分解，為學生建立形象化的思考過程，有利于學生對于知識點的理解，同時也有利于學生創新意識的積累。我院在“計算機組成與結構”的教學的改革探索中，將網絡和多媒體技術應用于教學，建立共享型的網絡教學資源平臺，并配合雙語課程構建了開放式的課程學習環境。該課程的教學大綱、多媒體課件、習題、實驗指導以及講課錄象都以網絡的形式提供給學生，同時學院針對這門課程建設了配套的試題庫、試卷庫。學生不僅可以通過網絡查詢資料，還可以通過網絡課程自主學習，自測效果。多媒體技術和網絡技術的教學手段更靈活、更便捷。便于學生理解和思考、便于師生交流，達到互動學習的目的。

2.4 采用互動式教學方法，激發學生的學習興趣

在教學中為了更好的達到教學目標，應采用互動式的教學方法，強調學生學習的主動性。[4]建構主義理論指出學習不是由教師把知識簡單地傳遞給學生，而是學生自己建構知識的過程，學生不是簡單被動地接受信息，而是主動地建構知識，這種建構是無法由他人來代替的，這里強調是一種“情境”，即環境的情境必須有利于學生對所學內容的建構。“計算機組成與結構”課程的學習在絕大部分院校都是利用多媒體課件進行講授，以老師為中心、以強調知識傳授為主體，這種灌輸式教學無法調動學生學習的主動性和參與性。

建構主義強調學習的主動性和積極性，認為教師的教學設計不僅僅考慮教學目標分析，還要考慮有利于學生學習情境的創作，強調以學生為中心，把學生的角色進行轉變，由傳統的知識被動接受者轉變為信息加工過程中的主體，也就是知識的主動建構者，而在教學的過程中教師起組織、指導、幫助和促進作用，利用情境設計，互相協作、交流等方式調動學生的主動性和積極性，以培養學生的實踐能力、創新意識和應用能力。在教學方法創新中，我們還做了如下嘗試:(1)采用啟發式教學調動學生的思考性;(2)重點的內容采用討論式教學，加強互動性;(3)簡單的內容讓學生自學以培養學生的自學能力;(4)實踐教學內容采用研究式，讓學生主動參與。如此通過各種教學環節的設計，以及情境式的構建來激發學生的學習興趣，以達到培養學生解決問題的能力和激發學生學習的興趣。

2.5針對教學內容的組織，采用新穎的教學方法

針對這門課程的特點和大綱要求，我們可以采用如圖3所示的教學方法。采用從整體到局部和從局部到整體，始終突出整機概念的教學方法。[5]

圖3教學方法示意圖

首先給出計算機系統的整體概念，然后引出計算機系統的三大組成部分:中央處理器、存儲器系統和I/O設備。三大部件通過系統總線相連，這樣有利于學生建立整機的概念，把握課程的總體方向。而在講述到某部件具體細節(知識點)的時候，采用的是從局部到整體的教學方法，比如對于運算方法和運算器的教學。如果學生沒有學習表示和運算數據的基礎，根本無法做到理解運算器的原理與結構。所以對于“計算機組成與結構”課程的內容講解，需要針對不同知識點的特點采用從整體到局部和從局部到整體的教學方法。

在“計算機組成與結構”的教學改革探索中，除了上述的改革以外我們還做了關于教學組織管理制度的改進，比如集體備課、雙教案、自編實驗教材以及和外校共同進行教考分離等，目的是通過這些方法改進、改變傳統的教學。

3總結

“計算機組成與結構”課程包括理論和實驗教學兩個方面，只有教學與實驗緊密集合，才能起到良好的教學效果，課程的知識點多、原理性強，這給本課程的教與學都帶來了很大的困難，為了達到教學大綱的目標和要求，需要教師在教學方法和內容上不斷的改進，并且通過課程設計和實驗環節培養學生的實踐創新能力。通過對“計算機組成與結構”課程的教學改革探討，認識到只有通過改革才能提高教學質量，才能培養出適應社會的應用型人才。