計(jì)算機(jī)組成原理課程案例教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

李志剛

摘? 要： 在計(jì)算機(jī)組成原理課程中引入案例教學(xué)法進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)踐。考慮課程特點(diǎn)和普遍存在的問(wèn)題，引入案例教學(xué)法，構(gòu)建案例教學(xué)執(zhí)行流程的四個(gè)環(huán)節(jié)，并具體描述各環(huán)節(jié)實(shí)施方法。案例教學(xué)法增加了課堂互動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，教學(xué)效果改善明顯。

關(guān)鍵詞： 案例教學(xué); 計(jì)算機(jī)組成原理; 教學(xué)設(shè)計(jì); 教學(xué)實(shí)踐

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1006-8228（2020）10-107-03

Abstract： The case teaching method is introduced into the course of “Principles of Computer Organization” for teaching design and teaching practice. According to the characteristics and the problems of the course， the case teaching method is introduced for teaching design. Four sectors of the execution process of case teaching are constructed， and the implementation methods of each sector are described in detail. The case teaching method increases classroom interaction， stimulates students' enthusiasm and initiative， and improves teaching effect significantly.

Key words： case teaching method; principles of computer organization; teaching design; teaching practice

0 引言

計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的核心課程，技術(shù)性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣，在整個(gè)計(jì)算機(jī)課程體系中起著承上啟下的作用。學(xué)生通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，掌握計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)各部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的基本分析和設(shè)計(jì)方法，為后續(xù)學(xué)習(xí)硬件課程或軟硬件結(jié)合的課程打下良好基礎(chǔ)。然而，由于硬件概念和原理的非直觀性，給學(xué)生學(xué)習(xí)和教師教學(xué)都帶來(lái)較大挑戰(zhàn)。課程知識(shí)點(diǎn)大多抽象、散亂，又與其他課程相關(guān)知識(shí)緊密相關(guān)，如果學(xué)生像學(xué)習(xí)其他軟件課程那樣學(xué)習(xí)，教學(xué)中方法又以填鴨式灌輸為主，就會(huì)產(chǎn)生不良的教學(xué)效果[1-5]。

⑴ 入門(mén)難度大，概念抽象，梯度較陡

現(xiàn)代大學(xué)生接觸計(jì)算機(jī)較早，所以起初學(xué)生往往帶著極大的興趣和信心投入到課程的學(xué)習(xí)中。但隨著知識(shí)點(diǎn)密集地展開(kāi)，硬件的抽象性表現(xiàn)出來(lái)，學(xué)生往往會(huì)感到課堂內(nèi)容枯燥無(wú)味，沒(méi)有了吸引力，再加上對(duì)硬件的操作又很難產(chǎn)生與軟件運(yùn)行一樣的直觀效果，無(wú)法在課后及時(shí)通過(guò)實(shí)踐的方法對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行消化和再認(rèn)識(shí)，大部分學(xué)生產(chǎn)生了“喜歡軟件，害怕硬件”的心理。

⑵ 知識(shí)點(diǎn)散亂，與其他課程聯(lián)系緊密

課程涉及的概念多、單英文縮寫(xiě)詞多，而且很多概念命名帶有歷史發(fā)展的痕跡，例如RAM稱(chēng)為隨機(jī)存儲(chǔ)器，如果不清楚存儲(chǔ)器的發(fā)展過(guò)程，對(duì)“隨機(jī)”概念就無(wú)法徹底理解。同一個(gè)概念因?yàn)樯婕暗挠?jì)算機(jī)硬件部件不同，其解釋也略微不同，例如在串行通信中有“異步”的概念，在動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的刷新中有“異步”的概念，在總線的控制中也有“異步”的概念[6-7]等。

課程中的“寄存器堆棧”和“存儲(chǔ)器堆棧”與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程關(guān)系緊密，而“緩沖器”，“三態(tài)”等概念與數(shù)字電路課程關(guān)系緊密，指令系統(tǒng)中的“尋址方式”與匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)關(guān)系緊密，中央處理器中“狀態(tài)字”在明白基本編譯原理后才容易理解。

⑶ 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)相對(duì)較弱，課堂師生互動(dòng)偏少

課程的實(shí)驗(yàn)課多是幾個(gè)章節(jié)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也無(wú)法覆蓋所有的知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生很難將不懂的問(wèn)題通過(guò)實(shí)驗(yàn)及時(shí)得到解決，有些學(xué)生甚至覺(jué)得實(shí)驗(yàn)課沒(méi)有什么用處。

1 案例教學(xué)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

上述的問(wèn)題給該課程的學(xué)習(xí)和教學(xué)都帶來(lái)很大困難和挑戰(zhàn)。然而課程的應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)卻為采用案例教學(xué)法（case method）實(shí)施提供了可行性和便利性。

案例教學(xué)法由哈佛大學(xué)商學(xué)院首創(chuàng)，是一種開(kāi)放式、互動(dòng)式的新型教學(xué)方式，以案例作為一種教學(xué)工具，以學(xué)生為中心，通過(guò)對(duì)實(shí)際問(wèn)題的研究、分析和探討，得出結(jié)論的過(guò)程，越來(lái)越受到中外教育工作者的歡迎，近年來(lái)在各個(gè)學(xué)科的教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用[8-11]。

案例教學(xué)的特點(diǎn)是目的性強(qiáng)。首先，通過(guò)案例教學(xué)法的實(shí)施（設(shè)計(jì)、分析與講解），能使學(xué)生深刻領(lǐng)會(huì)學(xué)習(xí)目標(biāo)，掌握相關(guān)知識(shí)和技能，案例教學(xué)法更看重培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際操作和應(yīng)用能力。其次，案例教學(xué)具有生動(dòng)性，將復(fù)雜的理論和抽象的概念具象化、直觀化，并與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合，賦予課堂知識(shí)以生動(dòng)性、形象性，激起學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣。最后，案例教學(xué)具有極強(qiáng)的可操作性和實(shí)踐性，教師選擇結(jié)合實(shí)際的問(wèn)題、內(nèi)容豐富的案例進(jìn)行教學(xué)，不僅能深化學(xué)生對(duì)理論的認(rèn)知和理解，還能使學(xué)生在課堂上接觸并學(xué)習(xí)到社會(huì)實(shí)際問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)從理論到實(shí)踐的轉(zhuǎn)化 。而反觀傳統(tǒng)的教學(xué)，它只告訴學(xué)生相關(guān)的理論知識(shí)，課堂乏味無(wú)趣，而且其內(nèi)容在實(shí)踐中可能不實(shí)用，影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

2 案例教學(xué)的設(shè)計(jì)和實(shí)施

2.1 知識(shí)點(diǎn)及其案例設(shè)計(jì)

筆者在我國(guó)大型計(jì)算機(jī)企業(yè)工作二十多年，通過(guò)與學(xué)生交流和咨詢(xún)，對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行分析、歸納并與工程實(shí)踐結(jié)合，設(shè)計(jì)了十幾個(gè)類(lèi)型案例，這些案例設(shè)計(jì)考慮了趣味性、生動(dòng)性和可操作性，貼近學(xué)生，并緊扣知識(shí)點(diǎn)，在表1中給出了三個(gè)案例作為示例。

2.2 案例教學(xué)的執(zhí)行過(guò)程

教師在案例執(zhí)行過(guò)程中扮演者設(shè)計(jì)者和激勵(lì)者的角色，好的案例設(shè)計(jì)本身就可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。案列教學(xué)執(zhí)行過(guò)程包括了設(shè)計(jì)案例、講解案例、引申拓展案例以及反饋和改進(jìn)等四個(gè)環(huán)節(jié)，如圖1所示，這些環(huán)節(jié)它們構(gòu)成閉環(huán)反饋，通過(guò)迭代方式逐步改進(jìn)案例，以取得最佳教學(xué)效果。

⑴ 精心設(shè)計(jì)案例

教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容選擇合適的案例，好的案例事半功倍。所以案例要與教學(xué)目標(biāo)相吻合，學(xué)生易于接受和認(rèn)同。對(duì)于計(jì)算機(jī)組成原理課程，大部分學(xué)生對(duì)電腦都感興趣，但他們對(duì)計(jì)算機(jī)的認(rèn)識(shí)常常僅停留在表面上，那么我們就以身邊熟悉的事情入手，這樣更容易讓學(xué)生感到親切并引發(fā)興趣。以第1個(gè)案例為例，電腦U盤(pán)幾乎人人都有，而為其他人購(gòu)買(mǎi)U盤(pán)這件事情又常常發(fā)生，利用這個(gè)案例設(shè)計(jì)，讓學(xué)生感受到課本上的知識(shí)就在身邊。

計(jì)算機(jī)組成原理與多門(mén)課程緊密相關(guān)，在案例2中，我們展示本課程枯燥的知識(shí)點(diǎn)如何給前導(dǎo)課程C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)帶來(lái)支撐的。

IT行業(yè)發(fā)展迅猛， 相關(guān)新聞更是占據(jù)頭條位置，非常吸引年輕學(xué)生眼球。在案例3中，我們以最近的熱點(diǎn)新聞——一種流行的計(jì)算機(jī)病毒（勒索病毒）為例，“投其所好”，吸引學(xué)生的興趣，讓學(xué)生感受用課程基礎(chǔ)知識(shí)是如何來(lái)完美解釋病毒核心加密功能的。

⑵ 討論講解案例和引申拓展案例

在案例講解中，教師作為主導(dǎo)，學(xué)生作為主體。教師鼓勵(lì)學(xué)生開(kāi)闊思路，積極發(fā)言，并主動(dòng)回答其他學(xué)生的問(wèn)題，使學(xué)生獲得成就感，增強(qiáng)自信心。同時(shí)對(duì)學(xué)生提出的問(wèn)題，進(jìn)行指導(dǎo)、調(diào)控、激勵(lì)、點(diǎn)撥，從而提高教學(xué)質(zhì)量和效率。

案例拓展是案例講解的深化，提出需要學(xué)生繼續(xù)深入思考的問(wèn)題，或者就此問(wèn)題，觸類(lèi)旁通，將知識(shí)點(diǎn)串起來(lái)進(jìn)行小結(jié)，是案例講解的升華。

舉例來(lái)說(shuō)，在案例1中學(xué)生了解到U盤(pán)就是采用Flash Rom材料的存儲(chǔ)器，在之前一道課后習(xí)題中，考查電可改寫(xiě)存儲(chǔ)器的概念，大部分學(xué)生都沒(méi)有選Flash Rom。究其原因，是為字母縮寫(xiě)Rom所困惑，Rom是只讀存儲(chǔ)器的英文縮寫(xiě)，所以他們望文生義，這個(gè)“不準(zhǔn)確”的縮寫(xiě)與存儲(chǔ)器發(fā)展歷史有關(guān)，學(xué)生知道了自己經(jīng)常保存文件的U盤(pán)就屬于這種存儲(chǔ)器，這樣他們才完整地了解了電可改寫(xiě)存儲(chǔ)器的概念，并且記憶深刻。

案例1并沒(méi)有止步于此，在接下來(lái)的案例拓展中，還會(huì)提到存儲(chǔ)器名稱(chēng)與其發(fā)展歷程相關(guān)的RAM存儲(chǔ)器，即隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，通過(guò)引入早期的磁帶存儲(chǔ)器，學(xué)生明白了“隨機(jī)”二字的真正含義。再進(jìn)一步拓展，根據(jù)學(xué)生查閱的資料中有關(guān)評(píng)測(cè)的文章，由于U盤(pán)采用的工藝材料不同，讀寫(xiě)時(shí)間相差很大，最后體現(xiàn)為價(jià)格差異。他們又認(rèn)識(shí)到，存儲(chǔ)器讀寫(xiě)時(shí)間指標(biāo)非常重要，如果不關(guān)心這個(gè)指標(biāo)，買(mǎi)U盤(pán)的時(shí)候就容易“上當(dāng)”，而這個(gè)指標(biāo)正是后續(xù)課程要講述的內(nèi)容，當(dāng)學(xué)生了解到知識(shí)點(diǎn)連貫性和系統(tǒng)性，他們的學(xué)習(xí)目標(biāo)也就“水到渠成”了。

邏輯運(yùn)算是重要的知識(shí)點(diǎn)，涉及多種邏輯運(yùn)算規(guī)則，相比邏輯與，或和非運(yùn)算，異或運(yùn)算規(guī)則顯得更加抽象，學(xué)生很難理解為什么要有這樣的運(yùn)算規(guī)則。如果學(xué)生明白了它的“廣大神通”，就容易接受和掌握，為此設(shè)計(jì)了案例3。在案例3中，選取了近期新聞熱點(diǎn)——勒索病毒作為案例，并以其加密原理作為起點(diǎn)。由于該病毒已被殺毒軟件廠商分析和制服，所以在網(wǎng)上可以容易找到公開(kāi)的病毒加密方法，其原理是將一個(gè)指定的二進(jìn)制數(shù)（稱(chēng)為“密鑰”）與用戶(hù)文件做異或運(yùn)算，然后用運(yùn)算結(jié)果文件替換掉原始文件，用戶(hù)打開(kāi)時(shí)就會(huì)呈現(xiàn)亂碼。在用戶(hù)付費(fèi)后，病毒制作者，只需將這個(gè)“密鑰”與加密后的文件再次做異或運(yùn)算，就恢復(fù)出了原始文件。在這個(gè)案例分析之后，學(xué)生對(duì)異或運(yùn)算的“神奇功能”有了深刻的認(rèn)識(shí)，學(xué)生感嘆原來(lái)“異或”這個(gè)小小的邏輯運(yùn)算“功力”如此大。進(jìn)一步的拓展，可以向?qū)W生介紹，這種基于“異或”的加密方式在密碼學(xué)上稱(chēng)為“流密碼加密”，并廣泛應(yīng)用中網(wǎng)絡(luò)傳輸中，但實(shí)際應(yīng)用中多“密鑰”也被做過(guò)多重加密，防止被盜竊。從而讓學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程有所“期待”。還可以進(jìn)行實(shí)用性方面拓展，讓學(xué)生利用學(xué)習(xí)過(guò)的C語(yǔ)言做簡(jiǎn)單的文件加密工具，既有趣，又激發(fā)他們編程創(chuàng)意的熱情。

⑶ 反饋改進(jìn)案例

精選的案例設(shè)計(jì)，精辟的案例講解，精彩的案例拓展，能夠激發(fā)學(xué)生的好奇心、探索性、想象力及創(chuàng)造個(gè)性，他們更愿意參加到案例中，一方面對(duì)案例執(zhí)行過(guò)程和結(jié)論提出自己意見(jiàn)和看法，另一方反饋?zhàn)约涸谑褂秒娔X和智能手機(jī)中遇到的種種硬件問(wèn)題。這時(shí)，教師要熱情面對(duì)學(xué)生的提問(wèn)，汲取好的建議，并且將學(xué)生新提出的與課程有關(guān)的問(wèn)題或困惑匯編到案例集中，形成良性循環(huán)，真正做到“以教師為中心”向“以學(xué)生為中心”轉(zhuǎn)變。

3 結(jié)束語(yǔ)

在計(jì)算機(jī)原理課程中引入案例教學(xué)法進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，并經(jīng)過(guò)兩屆學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，達(dá)到了教學(xué)目標(biāo)，取得了良好的教學(xué)效果。精選的好案例可以給學(xué)生留下深刻印象，貼近生活的案例，讓抽象的硬件概念變得更加具象化;學(xué)科關(guān)聯(lián)案例，使學(xué)生理解學(xué)好該課程的重要性;而接近工程實(shí)踐的案例，讓學(xué)生開(kāi)闊了眼界，增加了學(xué)習(xí)興趣。而案例教學(xué)實(shí)施過(guò)程中增加了師生互動(dòng)，活躍了課堂氣氛。各個(gè)學(xué)科都有自己的經(jīng)典案例，案例教學(xué)具有普遍適用性，其優(yōu)勢(shì)是有利于“以教師為中心”向“以學(xué)生為中心”轉(zhuǎn)變，具有廣闊的應(yīng)用前景。進(jìn)一步，可以嘗試將案例教學(xué)法同其他教學(xué)方法結(jié)合使用，例如，在案例中采用翻轉(zhuǎn)課堂法，鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)提出問(wèn)題并進(jìn)行討論;還可以將思政元素引入案例，讓案例教學(xué)承擔(dān)課程思政任務(wù)等。

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