计算机组成原理课程教学改革探析

1“计算机组成原理”课程教学改革探析赵宇摘要：计算机组成原理课程是计算机专业本科阶段极其重要的核心课程，内容多、学习难度大，在计算机专业课程体系中起着承上启下的作用。指出了目前课程教学中存在的问题，分别从教学内容、教学手段、教学方法、考核方式等方面提出了一系列的解决方案和改革措施，通过实践证明这些改革措施在实际教学过程中是行之有效的。已投中国大学教学关键词：计算机组成原理；教学；教学改革；探析“计算机组成原理”课程是计算机专业本科阶段极其重要的核心课程，内容多、学习难度大，多年来一直被认为是既难教又难学的课程[1]。它的主要教学任务是使学生能系统而完整地理解计算机硬件系统的组成结构和工作原理，通过实验课程的操作训练培养学生对计算机硬件结构分析、应用、设计的能力，在整个专业课的教学过程中，它起到了承上启下的作用[2]。近几年随着超大规模集成电路技术和计算机体系结构的不断发展，该课程的基本内容也在不断发展演变，自2009年起，计算机组成原理课程又被列入全国研究生入学考试必考科目之一，且占总分的30%，这些新情况的出现就给该课程的教学提出了新的要求。一、目前教学中存在的问题计算机组成原理课程教学一直以理论教学为主，少量实验教学为辅。学生学习过程难度较大，教学效果不理想，目前教学中存在的问题主要表现在以下几个方面。1．教材内容陈旧，缺乏好的教材和课件。当前许多教材的内容已远远落后于计算机体系结构的发展，教学内容的直接应用目标不清晰，学生难以理解课程的直接应用价值。许多教材理论性较强，内容陈旧且知识覆盖面窄，缺乏与前沿技术的结合，教材中的知识点多且杂，学生对课程不感兴趣[3]。另外多数随教材配套课件都是教材内容的简单罗列，内容空洞，对重要及抽象知识点的理解帮助不大，缺乏使用价值，很难激发学生的学习热情。2．教学方法落后、不灵活。许多学校仍然采用长期以来“灌输式”的教学方法，没有充分调动学生的主观能动性，忽略了学生的主体地位。多数教师在教学中缺少理论与实践相结合的具体内容，授课枯燥，内容抽象。3．实践性环节薄弱，学生自己动手设计的机会较少，不能激发学生学习的兴趣。实验条件落后，实验内容与讲授内容不匹配，课程实验多以验证型实验为主，知识点的讲授缺乏有效载体，学生学习难度大。实践课成绩评定方式单一，缺少科学性。4．部分授课教师本身缺乏计算机硬件方面的设计和工程经历，对课程知识点和精髓的理解深2度不够[1]。5．对学生实际动手能力和创新能力的培养和训练不足，根据不同学校的人才培养目标不能突出自己的教学特色。6．教学手段落后，部分教师过分依赖多媒体课件，教学过程中缺乏必要的推理分析。二、课程教学改革探析1．教学内容的改革探析课程教学内容的选择是关键，教材只是一个教学内容的框架，讲授课程不能没有取舍而照本宣科，对于教材中较陈旧的内容要大胆地舍去，新的内容有选择地溶入到课堂，但也不能为了突出所谓的先进和新颖，把层出不穷的新的技术不加选择地加入教学内容。如随着计算机流水技术的不断发展变化，计算机的指令周期、机器周期和时钟周期的概念也在发展变化，过去强调一个指令周期由若干个机器周期构成，一个机器周期又包含若干个时钟周期，而现在随着标量或超标量流水线的出现，一个时钟周期就可能执行一条指令甚至是多条指令[4]。CPU的结构除了引入多级Cache外，还引入了多核结构，这就使得相应的教材内容要进行变化，就要求教师在讲解这些内容时要加入标量、超标量及多核结构的内容，来系统讲解这几个周期之间的关系。总之教师应该按照学校的总体办学要求、人才培养的目标、具备的教学条件、学生的实际水平和老师的具体情况，在保证完成教学大纲基本要求的前提下，做出合适的选择，突出自己的教学特色[1]。依据计算机组成原理教学大纲，要把最基本的内容讲精、讲透。针对某一本教材，如唐朔飞老师的《计算机组成原理》，有的教学内容可以让学生自学，独立思考，完成教师提出的问题；有的教学内容必须精讲精练，而且要做一定的习题量，完成知识点的掌握。也就是以一本教材为主线，针对某个知识点有取舍地加入其他教材内容。另外，要把握好不同课程之间的衔接，在开设计算机组成原理课程之前，一定要先学习它的先导课程，如《计算机组装与维护》、《数字逻辑电路》、《汇编语言》等。同时要根据学校不同的办学目标和办学性质，针对不同的教学对象，可以把教学内容实施方案分为科学型、工程型、应用型[1]，不同的教学对象选择不同的内容实施方案，具体的实施方案建议查看参考文献1的内容。在完善课堂教学内容的同时还要加强实践教学的改革，提高课程的实际教学效果。实践教学是为总的教育目标服务的，所以在设计实践教学时要考虑总的教学目标，要与理论课程教学内容相结合，体现课程的特点，体现课程的内容要求。针对计算机组成原理这门课程，笔者认为主要应做好课程设计和课程实验。课程实验要分为课内实验和独立实验两种[2]，课内实验主要指在理论课内含有的实验，主要用来使学生更好地掌握理论课上所讲的内容；独立实验是与理论课程内容相对应，其独立性较强、复杂度更高。总的说来课程实验是针对课程内容相关知识点设置的实3践教学活动，是课程教学的重要组成部分，对加深理论知识的理解、弥补课堂教学的不足起着桥梁和促进作用。所以课程实验要紧密结合课堂理论教学内容，着眼于帮助学生加深理论教学内容的理解，培养学生实践操作能力及创新能力，设计一组难度适中的实验题目。课程实验设计要遵循以下原则[2]：⑴目标性原则。紧紧围绕课程教学目标，注重实践能力的培养。⑵系统化原则。按照组成课程实验教学的各个分实验的地位、作用及相互之间的内在联系不，使各个分实验做到相互衔接、彼此关联，贯穿于课程学习的全过程。⑶规范化原则。要规范实验的内容、形式，制定出相应的考核标准和要求。在完成课程实验的基础上进一步完善课程设计是必须的，因为仅仅依靠课程实验的内容很难系统地培养学生综合运用所学知识的能力，课程设计可以激发学生学习知识的主动性和创造性，开设课程设计使学生不仅对学科技术及其发展有比较全面的认识，而且对一些新的领域或跨学科的知识以及各学科之间的联系有比较多的了解，能给学生一个学科整体的概念，有利于个性的培养和学科综合能力的提高。另外，通过课程设计可以较好的解决目前课程设置、教学实验内容和学时限制方面的所存在的诸多问题。如在计算机组成原理中可以设置这样一个课程设计：利用可编程逻辑陈列（FPGA），要求学生了解HDL语言的设计过程与方法，用HDL语言进行逻辑设计和实现CPU，通过逻辑模拟和综合，将CPU硬核下载到FPGA中并运行。2．教学手段的改革探析教学手段是制约教学质量、教学模式的重要因素，传统的教学手段是“粉笔+黑板”，书写黑板要占用很多课堂时间，学生不感兴趣且效率低下。目前大多高校教师都已能充分运用多媒体、网络等技术来改变传统教学的局限与不足，课件教学已经成为最主要的教学手段，但又出现了另外的极端，很多老师过分的依赖幻灯片，出现读课件的情况严重，由于采用课件使教学过程速度过快，学生没有思考时间跟不上老师的讲解。通过实践证明，采用“课件+黑板+网络”的教学手段，能得到较好的教学效果。授课的部分内容（如：例题、原理图、表、信号动态流向）在课件上出现，通过比较生动的画面，把原本只能通过抽象思维的计算机内部传递过程，控制状态传递情况等通过直观的方式展现出来，把抽象思维和直观观察紧密结合。理论推导等细节部分在黑板上给予适当补充，在细节推理过程中要给学生有充分的思考时间，给出一个新的内容后，马上要紧跟一个具体例子，加深学生对新的知识点的理解。另外要有效利用网络教学资源，充分发挥虚拟教室、远程教学、分布式教学等现代化教学技术的作用，最好建立网上课程教学系统，把教学课件、电子教案、习题、答疑等放在教学系统上进行，可以大大节约课堂时间，使学生的课余时间也得到了充分利用。组织教研室教师在网上进行作业批改，辅导答疑，可以大大提高工作效率。所以笔者认为使用课件教学的同时决不能完全摒弃黑板，要把课件、黑板、网络进行有机的4结合可以得到较好的教学效果。3．教学方法改革探析计算机组成原理课程的理论性较强，重点难点较多，内容抽象不易理解，教学过程主要是引导学生对知识点的深入理解，培养学生抽象思维能力和对基本知识掌握。教学过程中培养学生的兴趣是至关重要的，所以笔者主张在课堂教学中贯彻兴趣驱动和任务驱动的教学思想，激发学生的学习兴趣，建立以学生为主体的教学模式。尤其当今网络时代的高速发展，正在促使教育改革从传统的以教师传授为中心转向以学生为主体。以学生为主体的教学模式，强调“学”重于“教”，充分发挥学生的自学能力和团队协作能力。教师在教学中应起组织、引导、答疑的作用，从知识的传授者、教学的组织领导者转变成为学习过程中的咨询者、指导者，充分调动学生学习的能动性，使学生变被动学习为主动学习。这个转变就要求老师要充分备好课，要把知识点在脑海里真正消化，把教学内容变成自己的语言，使学生感到这些知识是从教师大脑思维中自然流出的，使学生与老师在“教”与“学”的过程中达到同步，在老师的引导与启发下去积极思考问题。这种教学方法让学生带着问题去学，不仅提高了学生的学习兴趣，更重要的是能培养他们发现问题、分析问题、解决问题的意识和能力。教师还要注重搜集计算机组成原理的拓展知识，指导学生阅读相关的书籍及文献，随时整理计算机硬件发展的前沿知识。在教学过程中主要抓三个重要环节：课前预习、课堂必要讲授、课后多看及多做练习。课堂讲授时要坚持精讲多练，运用启发式引导学生主动去思考问题。教师要把基本概念和基本理论讲深讲透，让学生真正理解，然后再通过课后的看书和练习，达到对知识点的掌握。特别是对课后环节要做好必要的监督机制，要让学生感觉到适当的压力，让任务驱使学生主动去学习。4．考核方式的改革探析计算机组成原理课的传统考核方式是通过一次期中或期末考试作为学生的学业成绩，缺乏过程管理，笔者通过近几年的教学过程已深深感觉到这一考核方式的弊端。此课程的考核应该建立多元化考核评价体系，要特别注重实验环节的考核方式，构建过程化的实验考核体系，实行平时成绩和实验环节成绩、竞赛成绩、兴趣小组活动成绩和期末考试成绩相结合的评价方式，以全面考核学生的学习效果和综合素质，防止死记硬背的机械化学习，对学生的学习起到良好的导向作用。平时成绩：由任课教师根据学生平时作业，平时问答，课堂表现等进行评价。实验环节成绩：在传统的实验课考核的基础上，加入随机检查的成绩评定方式。随机检查是当学生在实验时，对学生进行随机的提问，让其简述实验步骤及目的。学生的每个实验项目均必须有老师验收检查并给出成绩，实验课成绩应包括学生的出勤情况、预习实验完成情况、实验操5作过程、提问回答情况、实验报告情况等环节构成，其中实验操作过程为主要评分依据。最后将所有实验项目成绩综合后给出每个学生的实验环节成绩。竞赛成绩：根据参加竞赛学生的集训表现、竞赛名次等进行评价。兴趣小组活动成绩：根据兴趣小组学生平时开展的实验设备维修、维护及项目研发等活动的表现给出评价。期末成绩：是全面综合的课程知识考试，老师组织试卷时应严格按照课程教学大纲要求进行，既要考查学生对基本理论、基础知识的掌握程度，更要检查学生创新思维、分析问题及解决问题的能力，试卷要有较大覆盖面，评卷要客观公正，实行流水评卷。多元化评定成绩可全面反映学生的实际能力，激发学生完成平时作业、回答提问的积极性，保持了学生掌握知识的连贯性和持续性[2]。三、结束语“计算机组成原理”课程的教学改革需要长期的研究探索和实践，研究并实践一种有效的教学模式，对帮助学生从微观层面掌握本课程的知识单元，从宏观层面建立该课程知识体系，进而培养学生关于计算机硬件系统的认知能力、设计能力和创新能力，具有重要的作用。通过对目前此课程实际教学中存在的问题分析，分别从教学内容、教学手段、教学方法、考核方式等方面提出了一系列的解决方案和改革措施，这些改革措施在实际教学中取得了良好的教学效果。参考文献：[1]蒋宗礼.高等学校计算机科学与技术专业核心课程教学实施方案[M].北京：高等教育出版社，2009.07.[2]计算