摘 要：在介紹“計算機(jī)組成原理”課程特點的基礎(chǔ)上，研究本課程的教學(xué)設(shè)計，制訂實驗課件的開發(fā)方案，并針對該課程幾個重難點提出相關(guān)的教學(xué)策略。
　　關(guān)鍵詞：計算機(jī)組成原理；課程設(shè)計；知識體系
　　
　　
　　現(xiàn)代社會計算機(jī)技術(shù)發(fā)展一日千里，計算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)與過去的小規(guī)模集成電路相比已不可同日而語，它已經(jīng)是超大規(guī)模的集成電路。高校開設(shè)“計算機(jī)組成原理”課程，其主要目的是學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)，可以深入了解計算機(jī)的各功能部件，對每個部件在整機(jī)中起到的作用以及對應(yīng)需完成的任務(wù)進(jìn)行學(xué)習(xí)[1]。
　　1 課程特點及教學(xué)任務(wù)
　　“計算機(jī)組成原理”是高校計算機(jī)專業(yè)的一門核心課程。它在先導(dǎo)課與后續(xù)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(yīng)該注意學(xué)生主體作用的體現(xiàn)。計算機(jī)技術(shù)日新月異，老師所傳授的知識要與時代的發(fā)展同步，使學(xué)生在校園內(nèi)接觸到的是新知識、新技術(shù)和新理念。
　　“計算機(jī)組成原理”是計算機(jī)本科專業(yè)必修的硬件課程。學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，可以了解計算機(jī)常用的邏輯器件、部件的基本原理、基本結(jié)構(gòu)和初步設(shè)計方法，了解簡單、完備的單臺計算機(jī)組成原理。教學(xué)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(xué)生對所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行熟練掌握和深入理解，并且可以利用所學(xué)知識對相關(guān)的應(yīng)用、初步設(shè)計等問題做出
　　
　　分析和解答；而“理解”要求學(xué)生可以利用所學(xué)內(nèi)容對相關(guān)問題做簡單的判斷分析；“了解”則是對所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行初步的了解[3]。
　　2 課程知識體系設(shè)計
　　常規(guī)的課程知識體系都要求具備一定的系統(tǒng)性、科學(xué)性以及完整性。不過相對于學(xué)習(xí)計算機(jī)原理的課程來說，上述也提到該課程的特點決定將其教學(xué)要求分為三個層次，因此，筆者認(rèn)為可以將科學(xué)性標(biāo)準(zhǔn)作為需要主要把握的課程特性，而其系統(tǒng)性和完整性可以根據(jù)本課程的特點做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。
　　2.1 課程知識體系的構(gòu)成
　　課程知識體系由若干知識單元(如總線、存儲器等)構(gòu)成，知識單元由若干知識點(如總線結(jié)構(gòu)、特性等)構(gòu)成，知識單元的每個知識點間又有著內(nèi)在邏輯關(guān)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(lián)系，并且各知識單元之間同樣存在著相應(yīng)的關(guān)系，正是這些內(nèi)在的邏輯關(guān)系組成了一個完整的網(wǎng)狀系統(tǒng)，其所反映的就是課程知識體系結(jié)構(gòu)。新的知識要藉由長時記憶中的知識向?qū)W生自身的知識結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，因此，在進(jìn)行課程設(shè)計時要以這個觀點為基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)該課程的知識體系結(jié)構(gòu)[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(xué)科(081203)。
　　作者簡介：李麗萍，女，教授，研究方向為計算機(jī)科學(xué)教育、計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。
　　
　　2.2 建立課程知識體系結(jié)構(gòu)的方法
　　首先利用任務(wù)分析這一教學(xué)設(shè)計理論技術(shù)，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(xué)范圍以及課程深度[5]。再通過解釋結(jié)構(gòu)模型法，對教學(xué)順序以及教學(xué)內(nèi)容的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步確定。在確定教學(xué)順序時，通常由專業(yè)人員以及課程教師來進(jìn)行458787d68b6a5e3a16815a6cc1ca95f6bade7d728630f1802e4e0cf394df288a：先分析主題，把課程內(nèi)容的各知識點抽出，確定出各個知識點的內(nèi)部邏輯關(guān)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(xué)關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)，繪出整體知識點層級網(wǎng)絡(luò)圖；最后再進(jìn)行整體的審查以及局部修改。知識體系結(jié)構(gòu)中的每個知識點都要做任務(wù)目標(biāo)的分析，進(jìn)一步確定出具體教學(xué)內(nèi)容，參照上述確定的教學(xué)關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)，建立起教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)任務(wù)的關(guān)聯(lián)圖，最后就可以進(jìn)行“計算機(jī)組成原理”的課程體系設(shè)計。
　　3 課程分析
　　3.1 教材分析
　　《計算機(jī)組成原理》教材經(jīng)過多次的改版和演變，已經(jīng)增加了很多的內(nèi)容。通過分析所用《計算機(jī)組成原理》教材，我們可以把教材全部10大章內(nèi)容先分為26個教學(xué)單元，每個單元再細(xì)分為若干個知識點。選擇每個單元內(nèi)容的主要知識點，再針對這些知識點間的內(nèi)在邏輯關(guān)系組織學(xué)習(xí)順序。在教學(xué)設(shè)計上強(qiáng)調(diào)清晰、簡潔、明確，使學(xué)生可以從整體把握該課程的知識結(jié)構(gòu)。因為學(xué)習(xí)過程中的每個知識點有著不同的難易程度，通常關(guān)鍵的知識點往往也是難點，因此在設(shè)計中要針對重點知識提供多層次、多形式的學(xué)習(xí)和練習(xí)。
　　3.2 學(xué)生特征分析
　　課程設(shè)計中確定教學(xué)進(jìn)度、完成教學(xué)任務(wù)的第一步，就是對學(xué)生特征做出科學(xué)、準(zhǔn)確的分析，只有對學(xué)生進(jìn)行充分的了解，才能確定哪些學(xué)習(xí)內(nèi)容是可以通過學(xué)生自學(xué)完成的，哪些任務(wù)是需要老師加以引導(dǎo)的。分析學(xué)生特征可以充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)動力，引導(dǎo)學(xué)生編制自學(xué)計劃，在有限的時間實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。
　　學(xué)生特征信息通常來源于以下兩個渠道：
　　1) 通過老師和學(xué)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(diào)查，問卷的內(nèi)容主要包括學(xué)生在學(xué)習(xí)“計算機(jī)組成原理”時的態(tài)度、目的以及方法，還有具備相應(yīng)基礎(chǔ)知識的程度。采用問卷的形式與學(xué)生進(jìn)行交流，可以直接掌握學(xué)生的具體情況，包括學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)知識以及設(shè)計能力。老師可以以此為參照進(jìn)行教學(xué)目標(biāo)的設(shè)計。要先促使基礎(chǔ)知識相對欠缺的學(xué)生對相關(guān)知識點進(jìn)行補(bǔ)充學(xué)習(xí)，學(xué)生在具備了前導(dǎo)知識后，才能克服后續(xù)學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)熱情高、基礎(chǔ)扎實、喜歡計算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，則可以引導(dǎo)他們制定一些綜合性的、有一定難度的自學(xué)計劃。學(xué)生在解決實際問題時，提高創(chuàng)新能力和學(xué)習(xí)能力，從而激發(fā)其求知欲，體會到學(xué)習(xí)的成就感，最終提高設(shè)計能力。
　　3.3 學(xué)習(xí)目標(biāo)分析
　　本課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)按照上述課程體系結(jié)構(gòu)的組成，設(shè)計為“課程學(xué)習(xí)目標(biāo)”、“單元學(xué)習(xí)目標(biāo)”和“知識點學(xué)習(xí)目標(biāo)”?？梢韵仍趯W(xué)期初提出課程學(xué)習(xí)目標(biāo)，使學(xué)生對于課程的學(xué)習(xí)目的了然于胸；單元學(xué)習(xí)目標(biāo)可以在學(xué)習(xí)各單元內(nèi)容之前呈現(xiàn)；而每個知識點的學(xué)習(xí)目標(biāo)要在知識點的學(xué)習(xí)過程中呈現(xiàn)，并且將知識點的學(xué)習(xí)目標(biāo)對照上述教學(xué)特點進(jìn)行層次的劃分，使學(xué)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(yīng)的引導(dǎo)和建議，學(xué)生按照不同的層次目標(biāo)確定自己適用的學(xué)習(xí)策略。
　　4 教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計
　　4.1 組織教學(xué)內(nèi)容
　　在實施本課程的教學(xué)活動時，除了引導(dǎo)學(xué)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(wǎng)、因特網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)形式和網(wǎng)絡(luò)資源加以學(xué)習(xí)輔助。例如，計算機(jī)發(fā)展與展望、漢字在計算機(jī)中的處理、外部設(shè)備等一些與現(xiàn)代技術(shù)聯(lián)系密切的知識點，多采用學(xué)生分組學(xué)習(xí)討論方式。學(xué)生搜集查找的資料內(nèi)容遠(yuǎn)比課本豐富，這種學(xué)習(xí)方式，既開拓了學(xué)生的知識面，也鍛煉了學(xué)生初步進(jìn)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(jìn)的方法，向?qū)W生傳遞知識點；或者利用BBS、電子郵件等方式，與學(xué)生進(jìn)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?qū)W生傳授分析問題、解決問題的策略[6]。學(xué)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(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的過程，還提高了實際解決問題的能力。
　　4.2 設(shè)計學(xué)習(xí)環(huán)境
　　學(xué)習(xí)環(huán)境通常由自主學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)兩部分組成。自主學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計，除了老師引導(dǎo)學(xué)生制定相應(yīng)的學(xué)習(xí)計劃外，還可以針對學(xué)生的階段測試、日常學(xué)習(xí)中的反饋信息設(shè)計出自學(xué)自測學(xué)習(xí)模式：收集每個階段測試以及日常練習(xí)中經(jīng)常出錯的習(xí)題，開發(fā)設(shè)計出自測試題庫，促使學(xué)生自覺進(jìn)入該試題庫進(jìn)行自我測試，通過對比發(fā)現(xiàn)不足，從而提高學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)積極性。而協(xié)作學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計，則可以采用項目教學(xué)法、任務(wù)驅(qū)動法等各種教學(xué)方法[7]，加強(qiáng)學(xué)生協(xié)作能力的鍛煉，培養(yǎng)其團(tuán)隊精神。也可以在校內(nèi)局域網(wǎng)建立課程論壇、學(xué)習(xí)社區(qū)等，利用發(fā)貼與學(xué)分掛鉤的形式，提高學(xué)生的參與度。
　　
　　4.3 開發(fā)教學(xué)資源
　　老師要采用多種教學(xué)策略為學(xué)生搭建一個理想的學(xué)習(xí)平臺。深入開發(fā)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(xué)活動直接來源，學(xué)生轉(zhuǎn)化為自身知識結(jié)構(gòu)的對象。素材性課程資源分為靜態(tài)和動態(tài)兩種，很多老師比較側(cè)重于靜態(tài)資源(如講義、課件)的利用，而忽略了動態(tài)資源。所謂動態(tài)資源就指師生交互過程中所形成的資源，例如，學(xué)生時實的信息反饋等。其實動態(tài)資源的利用正是突出了“學(xué)生為學(xué)習(xí)主體”這一全新教學(xué)理念，它使學(xué)生和老師情感交流更為豐富，也提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
　　4.4 設(shè)計教學(xué)方法
　　由于“計算機(jī)組成原理”課程有很多抽象性的概念，筆者通過實踐發(fā)現(xiàn)，類比法對幫助學(xué)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(jī)原理課程中的知識內(nèi)容與日常生活中接近的例子作對比，使得相關(guān)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu)，學(xué)生理解起來比較困難。此時可以分析該知識單元：CUP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一個互相協(xié)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(yè)公司做類比。一家制造廠由經(jīng)理部、財務(wù)管理部、生產(chǎn)部、車間、企劃部、采購部等各部門組成，每個部門的職責(zé)范圍也不盡相同，如果把公司的組織架構(gòu)和CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(xué)方法在課堂實施后，學(xué)生都認(rèn)為對于CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jìn)行類比，進(jìn)而對抽象概念加以說明。
　　4.5 實驗設(shè)計
　　該課程是一門實踐性非常強(qiáng)的課程，因此，實驗的設(shè)計就尤為重要，這里按照開設(shè)實驗課程的時期提出幾種設(shè)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(xué)生熟練掌握基礎(chǔ)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?zāi)康模⒗L出線路圖，在上面寫出匯編程序，給出實驗結(jié)果，學(xué)生按照老師提供的思路進(jìn)行試驗驗證。比如，一塊EPROM的芯片，由0地址開始寫上內(nèi)容，學(xué)生按照老師提供的電路圖構(gòu)成電路，讀出地址內(nèi)容單元，并與老師所寫的內(nèi)容做比較。這個試驗可以幫助學(xué)生初步了解單元電路的構(gòu)造及調(diào)試方法，及時排除錯誤。
　　4.5.2 模仿式實驗
　　開設(shè)中期實驗課程，學(xué)生可以參照一些程序或電路，對其進(jìn)行改造或模仿，設(shè)計出類似的實驗程序和電路，得出課程要求的實驗結(jié)果，并對該結(jié)果進(jìn)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(xué)生參照教材內(nèi)容，自行設(shè)計出實驗方案，對實驗電路、實驗流程、實驗程序進(jìn)行自主的調(diào)試和構(gòu)造，從中獲取老師所要求的實驗結(jié)果。這種探索式實驗對于學(xué)生解決問題、分析問題的能力要求比較高，并且還要有較強(qiáng)的計算機(jī)軟件、硬件知識做支撐。學(xué)生經(jīng)過該階段實驗課程的訓(xùn)練，其動手能力、設(shè)計能力都會得到很大的提高。根據(jù)長期的計算機(jī)組成原理課程教學(xué)實踐，我們開發(fā)了基于EDA技術(shù)的教學(xué)實驗板，在實驗課中開展了新教學(xué)方法的教學(xué)實驗和研究，摸索和設(shè)計出了一套新型的計算機(jī)組成原理實驗課教學(xué)方法與模式。實踐表明，采用這種教學(xué)方法的突出特點是充分體現(xiàn)和發(fā)揮了學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計能力，達(dá)到了加強(qiáng)學(xué)生綜合素質(zhì)的提高和實踐能力培養(yǎng)的目標(biāo)。
　　4.6 教學(xué)評價體系設(shè)計
　　在設(shè)計教學(xué)評價體系時，老師要注意將多種評價方式相結(jié)合。在學(xué)習(xí)過程中運用形成性評價，老師可以設(shè)計出諸如“電子檔案袋”等形式的程序，對學(xué)生的學(xué)習(xí)過程做詳細(xì)記錄；在學(xué)習(xí)活動告一段落時，可以采用總結(jié)性評價方法，指出各階段性學(xué)習(xí)的不足，對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果加以驗證。評價的手段也不能只采用考試一種，可以結(jié)合日常教學(xué)中的項目完成成果、在課程論壇中發(fā)帖的數(shù)量和質(zhì)量等，對學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)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(xué)生也要真正參與到評價活動中來，如設(shè)計問卷調(diào)查，或者項目教學(xué)法中，讓學(xué)生作為評價的主體，進(jìn)行各項目小組間的互相評價等。
　　5 結(jié)語
　　對“計算機(jī)組成原理”進(jìn)行課程設(shè)計，目的是提出更為有效的教學(xué)設(shè)計。當(dāng)然在實際教學(xué)過程中，學(xué)校使用的教材與實際的技術(shù)發(fā)展還存在一定的差異，因此老師要注意結(jié)合實際情況，對新的計算機(jī)知識、技術(shù)及應(yīng)用多加介紹，使學(xué)生在學(xué)?？梢粤私庾钚碌挠嬎銠C(jī)技術(shù)，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)專業(yè)自信心。
　　
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