計算機組成原理教學改革的困境及其出路

　　摘要：計算機組成原理是計算機科學與技術專業不可缺少的一門基礎性課程。但是由于該課程具有較強的理論性、實踐性和技術性等特點，使其面臨著“學生難學，教師難教”的困境。為體現“學生主體地位”和“參與式教學”等教育理念，本文從“學習遷移理論”出發，分析該課程教學改革存在的問題，提出應對現有困境的可能路徑。
　　關鍵詞：計算機組成原理；教學改革；學習遷移
　　
　　計算機組成原理是計算機科學與技術專業的核心基礎課程。通過該課程的學習，可以使學生掌握計算機單處理機系統的組成和工作原理，建立計算機系統的整機概念，為其他專業課的學習奠定基礎。但是，經筆者的調查發現，被調查者對該課程的最深記憶是“理論性太強，基本概念太抽象，教學信息量大，教學內容更新快，與實踐脫節嚴重，學習用處不大”等等，所以，該課程給人留下了“學生難學，老師難教”的印象，這種“兩難”似乎已經成為計算機組成原理課程發展的瓶頸，甚至于成了計算機科學與技術專業發展的一個難以回避的尷尬。在此，筆者產生了一個疑惑：既然該課程作為核心基礎課程，地位如此重要，為何學生覺得學了沒有用，甚至成了師生的“共苦”？筆者認為，學生對課程的“無用感”更多來自于學習中的無趣，這種無趣則源自對所學知識的“未來預期”產生了失望，而這些“失望”或是源自客觀上的教材建設、教學內容、教學方法、教學實踐，抑或來自個人主觀上的興趣、能力、努力等。所謂的“未來預期”是指學生對所學知識之未來價值的期待，其產生的“失望”也就意味著“現有學習對未來學習可能會帶來無效影響”，實際上，這就涉及到“學習遷移理論”的相關內容。立足學習遷移理論對計算機組成原理課
　　
　　程的相關問題進行分析，探尋該課程教學中的內在規律，將有助于為該課程擺脫現有困境提供良策。為此，本文試圖從“學習遷移”的角度進行問題的闡釋，以對問題的解決起拋磚引玉之效。
　　1學習遷移理論
　　學習遷移是指在一種情境中獲得的知識、技能或態度對另一種情境中知識、技能或態度的獲得形成的影響，即一種學習對另一種學習的影響。根據遷移的影響效果，可以把學習遷移分為正遷移和負遷移。在教育工作中所說的“為遷移而教”，就是指正遷移在教學中的應用，在教學中要盡量避免或消除負遷移的影響。
　　為了把握學習遷移的規律，必須弄清影響遷移產生的因素。遷移并不是在任何情況下都能發生的，它會受到一系列的主客觀條件的影響。
　　1) 學習對象之間的共同因素。共同因素是指學習對象在知識、技能等方面具有相同或相似的成分，不同的學習對象具有共同因素就容易產生學習遷移，兩種學習之間所包含的共同要素越多，遷移也就越容易產生。
　　2) 已有經驗的概括水平。根據概括化理論，產生學習遷移的關鍵是學習者能概括出兩種學習存在的共同原理，也就是對已有經驗的概括水平。對原有的知識經驗的概括水平越高，遷移的可能性也越大，效果也就越好[1]。
　　3) 理解能力和智力水平。理論能力是知識學習的基本前提，只有當學生真正理解了基本概念和原理時，才能產生正向遷移。而且，在同等條件下，每個人遷移的效果總是不盡相同，即遷移還受個人的智力水平這一主體條件影響，許多心理學家(如桑代克)的實驗研究都證實了這一點。
　　4) 思維定勢。思維定勢是由先前學習引起的對后繼學習活動產生影響的一種思想準備狀態。它對學習遷移的影響有積極的一面，體現為心理活動的穩定性和前后一致性；同時，也有消極的一面，即妨礙學生思維的靈活性和智力發展，使思維活動表現出惰性，不利于知識遷移的靈活性和有效性。
　　雖然學習遷移存在各種不同的理論，但它們都存在一個共同的理論預設：學習遷移是客觀存在的，且有規可循，只要把握其內在規律，就可以切實提高學習遷移的效率。因此，對教師來說，掌握遷移規律，有利于激發學生學習的興趣，提高學生對所學知識的遷移能力，進而提高教學工作的效率。在教學中，“授人以魚，不如授之以漁”，教師不僅要教給學生各種知識，更重要的是教會學生各種學習方法，提高學習能力，尤其是提高知識的遷移能力。在計算機組成原理教學中運用學習遷移理論，不僅有助于從源頭上分析教學的現有困境，提高解決問題的能力，而且對培養學生的學習興趣和能力，以及對知識的遷移和應用都有著重要的促進作用。因此，運用學習遷移理論對解決該課程的“兩難困境”意義深遠。
　　2基于“學習遷移”的計算機組成原理教學困境分析
　　2.1教材建設滯后
　　教材是達成教學佳境不可缺少的基本教學工具，也是師生對話的一個重要平臺，它對基礎知識的組織和重難點的梳理都將起到不可忽視的作用。然而，對于計算機組成原理課程來說，教材建設可以說是一個非常薄弱的環節，大多數教材的知識結構和內容組織都存在問題。
　　1) 知識結構的通用性不強。計算機組成原理作為計算機科學、計算機工程、軟件工程、信息技術等計算機及相關專業公共的基礎核心課，由于各專業的培養目標不同，對該課程的教材編選也有所側重，所以，面世的教材也就五花八門，現有教材基本上不符合CC2005核心課程知識體系。加之，教育部規定，從2009年起計算機專業考研中的專業基礎課實行全國統一命題，但卻沒有給出統一的參考教材，這便進一步體現了問題的嚴重性[2]。知識結構如果沒有很強的通用性，就使得學生很難找到有助于遷移的“共同因素”，這對后續學習的遷移來說絕對不利。
　　2) 教材內容抽象。很多教材的知識點表述不夠詳盡，理論推導刪減過多，尤其在運算器和運算方法章節。如：二進制數補碼與真值的關系，0、1、2、3四類全加器的實現原理，ALU(多功能算數邏輯運算單元)的輸入輸出關系等知識點，若老師沒有補充相關知識，學生就很難理解。
　　3) 教材內容陳舊。教材內容缺乏與前沿技術的結合，可謂是教材建設面臨的最大困境。無法與前沿技術結合的教材最終是難以引領時代潮流的，從而也就難以激發學生的學習興趣，學習遷移的效果也就無從談起。就現有的教材改革來看，實踐者們對于這些方面的滯后問題似乎都顯得無所適從。
　　2.2教學內容理論性強
　　在教學過程中，大多數教師惟教材是重，直接將教材的“抽象理論”搬到課堂，使得教學內容知識點過多，概念性過于抽象，理論與實踐嚴重脫節，以致學生在知識學習的過程中感到難以理解甚或排斥。很多老師在介紹相聯存儲器概念時，僅僅說明相聯存儲器是按照內容來訪問存儲單元的一種存儲器，學生對此很難透徹理解。如果能夠結合高速緩沖存儲器中塊表的實現過程來講解相聯存儲器的應用，這就便于學生理解此概念。對任何一個學習者來說，抽象理論的接受都是有限度且需要一定情景的，將枯燥的概念生硬的傳給學生，最終的“學習遷移”恐怕更多是負向的。因為過于抽象的理論不利于學生識別各知識點之間的關系以形成“基于共同要素的遷移”，過多的知識點也不利于學生的及時掌握和理解，加之理論與實踐的脫節更是加重了學生對系統知識的把握難度，于是，學生對知識的經驗概括能力更是難以得到鍛煉，學習的正遷移也就無法產生。就學習遷移而言，基本概念和知識結構作為學習遷移的基礎，理解該課程的“原碼、補碼、反碼、移碼”等基本概念，把握“數的編碼方法和運算方法、指令的構成與設計、指令的執行過程”等系統知識，對該課程的學習遷移至關重要。缺乏基本概念和知識結構，實際上遷移是不可能發生的，正如認知結構的遷移理論所認為的，有意義的學習都是在原有基礎上進行的，沒有“基礎”哪里談得上有助于學習的遷移發生呢？也更談不上將課程的相關知識應用到實踐并推進實踐。因此，教學中不可回避理論的抽象和概念本身存在的問題，而問題的解決還需立足遷移而教才可。
　　
　　2.3教學方式單調
　　由于計算機組成原理課程的基礎性和理論性等特點，使得大多數授課老師習慣于采取傳統的“填鴨式”教學方式，缺乏靈活而富啟發的討論和互動環節，沒有充分調動學生的主觀能動性。即便是當前許多課堂已經引入了多媒體教學，而實際上多媒體的幻燈片只充當了傳統黑板的角色，多媒體的生動性和靈活性等優勢并沒有表現出來，多媒體使用形同虛設，學生在這種多媒體教學中仍是一個被動的接受者。大多數學生對“CPU(中央處理器)的功能和組成”學習感到極為枯燥，僅靠填鴨式教學和多媒體幻燈片難以講授清楚，必須精心設計一些互動環節，讓學生在深刻理解核心內容的基礎上學習。否則，學生在整個課程結束后對知識的把握似懂非懂，不知所云，完全靠死記硬背記住一些知識點，各個知識點之間無法銜接，難以形成該課程的整體框架。就學習遷移理論的“建構主義”觀點來看，要真正產生學習的正遷移，當然應以學生為中心，但是，教師的作用不可忽視，尤其是適當而靈活的教學方法對正遷移的影響至關重要。在整個教學過程中，教師應該充當組織者、指導者和促進者，為培養學生的積極性和首創性提供條件，以最終實現學生對當前知識的意義建構[3]。教師的角色是一個主導者而非主體，以教師為中心的填鴨式教學方法抹殺了學生的自主學習能力，呆板乏味的教學方法無法激起學生的學習興趣，因此，傳統的教學方法根本無助于知識學習的正向遷移。
　　2.4實踐環節力不從心
　　計算機組成原理是一門技術性、實踐性和工程性較強的硬件課程，實踐應用不容忽視，學生的動手能力或許是檢驗課程質量的一個重要指標。該課程實踐環節存在的主要問題如下。
　　1) 實驗課薄弱。當前CPU芯片的研發和生產仍然是制約我國計算機產業發展的主要瓶頸，盡管中科院計算機所已開發出了具有完全自主知識產權的“龍芯”系列CPU芯片，但要將其用于實際并帶動CPU芯片的產業發展尚有一定的距離，產業發展的滯后制約了學生對該課程實踐環節的熱情，也使實踐環節缺乏充分的案例設計和軟硬件基礎。
　　2) 實踐內容與最新理論發展不同步。受“摩爾定律”的影響，計算機更新換代非常快，新概念、新內容不斷涌現，但由于國內相關技術領域發展滯后，大部分教學理論仍然停留于傳統知識，理論教學很難跟上實際應用，所以，學生對課程實踐性的懷疑乃至否定也很自然[4]。基于此條件下的實驗課程，要么流于形式，要么與實際應用有很大差距，這樣，實驗效果欠佳，難以真正發揮實驗課程的應有作用。這些對于課程本身來說很多時候都是身不由己，因為其發展受制于學科應用領域的發展困境。
　　學習遷移是先前學習對后續學習的影響，先前的認知結構對遷移效果來說非常重要，但是，“實驗課程的薄弱”及“理論知識的日益更新”使得認知結構的三個變量“可利用性、可辨別性和穩定性”無從凸顯，于是，原有認知結構無法成型，基于認知結構的學習遷移也就嚴重受阻。因此，該課程的整個實踐環節對課程改革來說有著力不從心的困境。
　　3“為遷移而教”的計算機組成原理教學改革之出路
　　3.1選擇適當的教材和資料，促進知識的意義建構
　　教材和學習資料可以直接引導學生進行知識的意義建構，合理選擇教材和學習資料需從如下幾個方面著手。
　　1) 教材選擇要體現基礎性和前沿性，不僅要把最基本、最具遷移價值的理論成果放在首位，而且還要注意用學科發展的新成果替換陳舊的教學內容。講清楚計算機組成體系的知識體系、基本原理和方法，緊跟時代步伐，描述計算機組成體系的最新研究動態。
　　2) 教材和學習資料選擇要突出知識鏈上的共同因素，以及教學內容的體系結構和實際應用價值，這將有助于正遷移的產生。
　　3) 學習資料選擇要注重因材施教，考慮學生的實際能力，針對不同專業方向和不同層次的學生要選擇與之相適應的參考資料，因為學習者自身的能力將直接影響遷移的效率，所以，作為組織者和指導者的教師必須從學習資料的選擇上關注學習遷移的影響因素。
　　3.2合理組織教學內容，體現知識的內在聯系和規律
　　合適的教材并不代表教學內容的安排一定合理。要使知識學習產生正向遷移，必須保證教學內容的各構成要素具有科學而合理的邏輯關系，充分體現各知識點的內在聯系。教師要根據教材的難點和重點，結合學生的智力水平和知識結構，將具有最大遷移價值的基本知識和基本技能的學習放在首位，并把那些概括性高、派生性強的主要內容凸顯出來。無論計算機技術如何發展，也不管形式是單片機、DSP還是一些嵌入式處理器或巨型機，當前計算機基本都是遵循馮諾依曼結構(或哈佛結構)。因此，教學中必須使學生明白這個道理，要注意學習計算機組成的最基本原理和各種計算機的共有知識，在掌握這些基礎知識的前提下，才能針對具體領域學習專門性的計算機知識。對于“中央處理器、存儲器、指令系統的基本原理和實現方法”等基本知識點必須放在首位，將“計算機整機構成的基本框架和思路”凸顯出來，以體現不同計算機的內在聯系。共同因素是學習遷移的一個基本條件，當先前學習與后續學習之間有相同或相似的內在聯系時，就容易產生互相遷移，而且它們之間所包含的共同因素越多，學習遷移也就越容易產生[5]。學生往往不注意用已有知識來幫助新知識的學習，教師在教學過程中一定要把對新知識的講解同學生已有的背景知識相聯系，盡量找出新舊知識的共同因素，引導學生產生學習遷移。對于計算機組成原理的基礎知識學習也是如此，因為不管哪一部分基礎知識，各知識點都有一定的聯系性，不同的只是其面向的問題和闡述的內容不同而已。
　　3.3改革教學方式，培養學生的自主性和概括能力
　　大學教育應更多培養學生的自主學習能力，傳統的講授式課堂已經不利于發揮學生的主體性，結合學習遷移的特征，為推進計算機組成原理教學方式的改革，應盡量減少傳統的“單向式教學”，適當采用“參與式教學”讓學生參與“知識傳授”的過程，將教師的主導作用與學生的主體作用相結合，將傳授知識與培養技能相結合，提高學生的學習遷移能力。
　　首先，積極引進討論式教學方法，從課堂教學為主邁向小組互動教學為主。盡量采取小班授課，增加討論課的比重。積極推進討論式教學、實例教學等教學方法與合作式教學方式，如：講授Cache虛擬存儲器之前，可以先讓學生自己討論如何更有效的使用內存，這樣更有利于知識的把握，進而引導學生追蹤本學科領域的最新進展和前沿理論，培養學生的自主性。
　　其次，注重引導學生對知識的概括。根據學習遷移的概括化理論，對所學習內容概括總結得越好，學習遷移就越容易產生。因此，在計算機基礎理論的教學過程中，老師要安排專門時間訓練學生對知識的總結和概括，尤其是“運算方法、內部存儲器、中央處理器、指令系統”等核心內容更應注意訓練學生的概括能力。
　　再次，積極開發和大力推進基于網絡和多媒體技術的教學手段，改善課堂教學的效果，增強知識學習的趣味性。
　　最后，采用比較方法，引導學生分析不同情境中教學內容的相同點和不同點。參與比較的教學內容在性質上應該具有聯系性和明確的比較標準，否則，比較就難以進行。對教學內容進行系統的比較，有助于學生深入掌握基本知識點，避免新舊知識之間的干擾，促進新舊知識之間正遷移的發生。
　　3.4加強實踐環節，創建良好的學習遷移平臺
　　由于國內計算機核心技術發展的滯后性，導致了相關支撐產業發展的落后，這也使得計算機基礎理論學習缺乏良好的遷移土壤，進而實踐環節嚴重受挫。為此，該課程需要從以下方面加強實踐環節。
　　
　　1) 重視實驗課教學。切實保證實驗課的學時數和有效性，關注學生對實驗課的學習效果，以彌補實驗課存在的不足，保證理論知識得以切實應用。
　　2) 加強理論與實踐的聯系性。在國內計算機技術發展的現有背景下，加強計算機基礎知識的實踐性對教師來說的確是一項艱巨的任務。但是，結合學科發展的條件，我們可以找到解決問題的突破口，如關注學科發展前沿，將前沿理論引入課堂，并創設相應的虛擬實驗，使學生既能關注到理論知識的進展又能親自體驗新技術的發展，于是，學生的學習興趣和主動性自然便得以提升，積極的學習遷移也就容易產生，而積極的學習遷移又可以反過來促進學生創新能力的提高和新知識的增長。
　　3) 建立理論與實踐結合的有利平臺。知識學習的正遷移單憑課堂教學是遠遠不夠的，應從學生自身實際出發，建立良好的教學與實踐結合的平臺，有針
　　
　　對性地進行學生實踐能力的培養，開展與課程相關的校園科技活動，成立科研與實踐結合的學生科技活動團體，以提高學生學習遷移和解決實際問題的能力。
　　4) 建立校外實習基地。積極拓展校際之間、校企之間、高校與科研院所之間的合作[6]，加強各種形式的實踐教學基地和實驗室建設，為學生提供更多的將學習和技能遷移到實踐的條件。
　　4結語
　　隨著計算機技術的日新月異，計算機組成原理課程的“漸進式”教學改革也必將成為計算機科學與技術專業發展面臨的一項長期而艱巨的任務。為提高學生學習知識的自主性和技術應用的創造性，立足“學生中心”的學習遷移能力的培養將會成為新時期進行該課程教學改革的一個重要切入點，也勢必成為該課程師生跨越“兩難”的助推器。
　　
　　參考文獻：
　　[1] 索里?特爾福特. 教育心理學[M].