談“計算機組成原理”課程教學設計

　　摘 要：在介紹“計算機組成原理”課程特點的基礎上，研究本課程的教學設計，制訂實驗課件的開發方案，并針對該課程幾個重難點提出相關的教學策略。
　　關鍵詞：計算機組成原理；課程設計；知識體系
　　
　　
　　現代社會計算機技術發展一日千里，計算機的組成結構與過去的小規模集成電路相比已不可同日而語，它已經是超大規模的集成電路。高校開設“計算機組成原理”課程，其主要目的是學生通過該課程的學習，可以深入了解計算機的各功能部件，對每個部件在整機中起到的作用以及對應需完成的任務進行學習[1]。
　　1 課程特點及教學任務
　　“計算機組成原理”是高校計算機專業的一門核心課程。它在先導課與后續課間起著承上啟下的重要作用，它的課程地位決定其知識范圍廣、知識容量大、更新速度快以及難度高的特點[2]。因此在本課程中，教師更應該注意學生主體作用的體現。計算機技術日新月異，老師所傳授的知識要與時代的發展同步，使學生在校園內接觸到的是新知識、新技術和新理念。
　　“計算機組成原理”是計算機本科專業必修的硬件課程。學生通過本課程的學習，可以了解計算機常用的邏輯器件、部件的基本原理、基本結構和初步設計方法，了解簡單、完備的單臺計算機組成原理。教學要求可以按照高、中、低分為三個層次，即“掌握”、“理解”和“了解”：“掌握”即要求學生對所學內容進行熟練掌握和深入理解，并且可以利用所學知識對相關的應用、初步設計等問題做出
　　
　　分析和解答；而“理解”要求學生可以利用所學內容對相關問題做簡單的判斷分析；“了解”則是對所學內容進行初步的了解[3]。
　　2 課程知識體系設計
　　常規的課程知識體系都要求具備一定的系統性、科學性以及完整性。不過相對于學習計算機原理的課程來說，上述也提到該課程的特點決定將其教學要求分為三個層次，因此，筆者認為可以將科學性標準作為需要主要把握的課程特性，而其系統性和完整性可以根據本課程的特點做適當的調整。
　　2.1 課程知識體系的構成
　　課程知識體系由若干知識單元(如總線、存儲器等)構成，知識單元由若干知識點(如總線結構、特性等)構成，知識單元的每個知識點間又有著內在邏輯關系，每個知識單元中的知識點與其他單元的各知識點同樣有一定聯系，并且各知識單元之間同樣存在著相應的關系，正是這些內在的邏輯關系組成了一個完整的網狀系統，其所反映的就是課程知識體系結構。新的知識要藉由長時記憶中的知識向學生自身的知識結構轉變，因此，在進行課程設計時要以這個觀點為基礎，強調學習該課程的知識體系結構[4]，如圖1所示。
　　基金項目：黑龍江省智能教育與信息工程重點實驗室；黑龍江省重點學科(081203)。
　　作者簡介：李麗萍，女，教授，研究方向為計算機科學教育、計算機體系結構。
　　
　　2.2 建立課程知識體系結構的方法
　　首先利用任務分析這一教學設計理論技術，采用教研組老師集體研究、分析的模式，確定出該課程的教學范圍以及課程深度[5]。再通過解釋結構模型法，對教學順序以及教學內容的關聯結構做進一步確定。在確定教學順序時，通常由專業人員以及課程教師來進行458787d68b6a5e3a16815a6cc1ca95f6bade7d728630f1802e4e0cf394df288a：先分析主題，把課程內容的各知識點抽出，確定出各個知識點的內部邏輯關系，即建立有向圖；通過矩陣運算初步整理有向圖，求取各知識點間教學關聯結構，繪出整體知識點層級網絡圖；最后再進行整體的審查以及局部修改。知識體系結構中的每個知識點都要做任務目標的分析，進一步確定出具體教學內容，參照上述確定的教學關聯結構，建立起教學目標和教學任務的關聯圖，最后就可以進行“計算機組成原理”的課程體系設計。
　　3 課程分析
　　3.1 教材分析
　　《計算機組成原理》教材經過多次的改版和演變，已經增加了很多的內容。通過分析所用《計算機組成原理》教材，我們可以把教材全部10大章內容先分為26個教學單元，每個單元再細分為若干個知識點。選擇每個單元內容的主要知識點，再針對這些知識點間的內在邏輯關系組織學習順序。在教學設計上強調清晰、簡潔、明確，使學生可以從整體把握該課程的知識結構。因為學習過程中的每個知識點有著不同的難易程度，通常關鍵的知識點往往也是難點，因此在設計中要針對重點知識提供多層次、多形式的學習和練習。
　　3.2 學生特征分析
　　課程設計中確定教學進度、完成教學任務的第一步，就是對學生特征做出科學、準確的分析，只有對學生進行充分的了解，才能確定哪些學習內容是可以通過學生自學完成的，哪些任務是需要老師加以引導的。分析學生特征可以充分激發學生的學習內動力，引導學生編制自學計劃，在有限的時間實現教學目標。
　　學生特征信息通常來源于以下兩個渠道：
　　1) 通過老師和學生的面對面交談或者利用郵件、及時通訊工具等所做的交流。
　　2) 通過問卷調查，問卷的內容主要包括學生在學習“計算機組成原理”時的態度、目的以及方法，還有具備相應基礎知識的程度。采用問卷的形式與學生進行交流，可以直接掌握學生的具體情況，包括學生的認知結構、基礎知識以及設計能力。老師可以以此為參照進行教學目標的設計。要先促使基礎知識相對欠缺的學生對相關知識點進行補充學習，學生在具備了前導知識后，才能克服后續學習過程中的畏難心理，使得課程得以順利開展。而對于一部分學習熱情高、基礎扎實、喜歡計算機專業的學生，則可以引導他們制定一些綜合性的、有一定難度的自學計劃。學生在解決實際問題時，提高創新能力和學習能力，從而激發其求知欲，體會到學習的成就感，最終提高設計能力。
　　3.3 學習目標分析
　　本課程的學習目標按照上述課程體系結構的組成，設計為“課程學習目標”、“單元學習目標”和“知識點學習目標”。可以先在學期初提出課程學習目標，使學生對于課程的學習目的了然于胸；單元學習目標可以在學習各單元內容之前呈現；而每個知識點的學習目標要在知識點的學習過程中呈現，并且將知識點的學習目標對照上述教學特點進行層次的劃分，使學生明確知道知識點是屬于“掌握”還是“理解”還是“了解”。老師給出相應的引導和建議，學生按照不同的層次目標確定自己適用的學習策略。
　　4 教學系統設計
　　4.1 組織教學內容
　　在實施本課程的教學活動時，除了引導學生在課堂這種正式渠道獲取理論知識外，還要充分利用校園局域網、因特網等網絡形式和網絡資源加以學習輔助。例如，計算機發展與展望、漢字在計算機中的處理、外部設備等一些與現代技術聯系密切的知識點，多采用學生分組學習討論方式。學生搜集查找的資料內容遠比課本豐富，這種學習方式，既開拓了學生的知識面，也鍛煉了學生初步進行信息檢索歸類的科研探索能力。老師在課堂中通過精心制作的課件，采用知識可視化、信息可視化等先進的方法，向學生傳遞知識點；或者利用BBS、電子郵件等方式，與學生進行非正常渠道的溝通，在傳遞教材各顯性知識點的同時，還向學生傳授分析問題、解決問題的策略[6]。學生通過掌握這些隱性知識，不僅加快了知識點向自身知識結構轉化的過程，還提高了實際解決問題的能力。
　　4.2 設計學習環境
　　學習環境通常由自主學習和協作學習兩部分組成。自主學習環境的設計，除了老師引導學生制定相應的學習計劃外，還可以針對學生的階段測試、日常學習中的反饋信息設計出自學自測學習模式：收集每個階段測試以及日常練習中經常出錯的習題，開發設計出自測試題庫，促使學生自覺進入該試題庫進行自我測試，通過對比發現不足，從而提高學習效率和學習積極性。而協作學習環境的設計，則可以采用項目教學法、任務驅動法等各種教學方法[7]，加強學生協作能力的鍛煉，培養其團隊精神。也可以在校內局域網建立課程論壇、學習社區等，利用發貼與學分掛鉤的形式，提高學生的參與度。
　　
　　4.3 開發教學資源
　　老師要采用多種教學策略為學生搭建一個理想的學習平臺。深入開發素材性課程資源，可以說課程資源是課程實施的基本條件之一，素材性課程資源是開展教學活動直接來源，學生轉化為自身知識結構的對象。素材性課程資源分為靜態和動態兩種，很多老師比較側重于靜態資源(如講義、課件)的利用，而忽略了動態資源。所謂動態資源就指師生交互過程中所形成的資源，例如，學生時實的信息反饋等。其實動態資源的利用正是突出了“學生為學習主體”這一全新教學理念，它使學生和老師情感交流更為豐富，也提高學生的學習興趣。
　　4.4 設計教學方法
　　由于“計算機組成原理”課程有很多抽象性的概念，筆者通過實踐發現，類比法對幫助學生理解抽象概念起著非常有效的作用。所謂類比法，是把計算機原理課程中的知識內容與日常生活中接近的例子作對比，使得相關理論概念變得具像化，更容易理解和掌握[8]。類比法又分為對象方法類比及對象屬性類比兩種。其中對象屬性類比是利用該對象的屬性，與另外一個與其屬性特征相接近或者完全相同的對象做比較，使得具有抽象屬性的對象具像化，對該對象的屬性特征加以說明。如教材中對CPU內部結構和功能的描述都比較抽象，有時候僅用一個模型圖來說明其內部結構，學生理解起來比較困難。此時可以分析該知識單元：CUP的內部結構是一個互相協作但又相對獨立的整體，其各部分都有自己的功能特點，那么就可以將其與一家制造企業公司做類比。一家制造廠由經理部、財務管理部、生產部、車間、企劃部、采購部等各部門組成，每個部門的職責范圍也不盡相同，如果把公司的組織架構和CPU內部結構的組成做類比，則理解起來就相對容易，因此可以做如表1所示的類比。
　　這種類比教學方法在課堂實施后，學生都認為對于CPU的內部結構理解比較透徹。
　　而對象類比則是對某對象所具備的行為或過程與另外一個對象所具備的抽象性過程或行為進行類比，進而對抽象概念加以說明。
　　4.5 實驗設計
　　該課程是一門實踐性非常強的課程，因此，實驗的設計就尤為重要，這里按照開設實驗課程的時期提出幾種設計方法。
　　4.5.1 驗證式實驗
　　對于初期實驗課程來說，這種實驗方法比較常用，它可以幫助學生熟練掌握基礎實驗的步驟及方法。其實驗證式實驗就是老師先給出實驗的步驟、方法以及試驗目的，并繪出線路圖，在上面寫出匯編程序，給出實驗結果，學生按照老師提供的思路進行試驗驗證。比如，一塊EPROM的芯片，由0地址開始寫上內容，學生按照老師提供的電路圖構成電路，讀出地址內容單元，并與老師所寫的內容做比較。這個試驗可以幫助學生初步了解單元電路的構造及調試方法，及時排除錯誤。
　　4.5.2 模仿式實驗
　　開設中期實驗課程，學生可以參照一些程序或電路，對其進行改造或模仿，設計出類似的實驗程序和電路，得出課程要求的實驗結果，并對該結果進行觀察、分析和研究，這種方法就是模仿式實驗。
　　4.5.3 探索式實驗
　　實驗課程的后期階段，可以要求學生參照教材內容，自行設計出實驗方案，對實驗電路、實驗流程、實驗程序進行自主的調試和構造，從中獲取老師所要求的實驗結果。這種探索式實驗對于學生解決問題、分析問題的能力要求比較高，并且還要有較強的計算機軟件、硬件知識做支撐。學生經過該階段實驗課程的訓練，其動手能力、設計能力都會得到很大的提高。根據長期的計算機組成原理課程教學實踐，我們開發了基于EDA技術的教學實驗板，在實驗課中開展了新教學方法的教學實驗和研究，摸索和設計出了一套新型的計算機組成原理實驗課教學方法與模式。實踐表明，采用這種教學方法的突出特點是充分體現和發揮了學生的創新設計能力，達到了加強學生綜合素質的提高和實踐能力培養的目標。
　　4.6 教學評價體系設計
　　在設計教學評價體系時，老師要注意將多種評價方式相結合。在學習過程中運用形成性評價，老師可以設計出諸如“電子檔案袋”等形式的程序，對學生的學習過程做詳細記錄；在學習活動告一段落時，可以采用總結性評價方法，指出各階段性學習的不足，對學生的學習效果加以驗證。評價的手段也不能只采用考試一種，可以結合日常教學中的項目完成成果、在課程論壇中發帖的數量和質量等，對學生的學習態度、學習方法做出全面評價。而評價的主體也要多樣化，不能僅以老師為評價的主體，學生也要真正參與到評價活動中來，如設計問卷調查，或者項目教學法中，讓學生作為評價的主體，進行各項目小組間的互相評價等。
　　5 結語
　　對“計算機組成原理”進行課程設計，目的是提出更為有效的教學設計。當然在實際教學過程中，學校使用的教材與實際的技術發展還存在一定的差異，因此老師要注意結合實際情況，對新的計算機知識、技術及應用多加介紹，使學生在學校可以了解最新的計算機技術，激發其學習興趣，增強專業自信心。
　　
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