林巧民 張臺國 梁雨薇

摘要：作為一門主要介紹硬件工作原理的課程，計算機組成原理對于學(xué)生的學(xué)習興趣并不高，針對該情況，一方面強調(diào)了該門課程的課程導(dǎo)入環(huán)節(jié)的重要性，另一方面融入思政元素，并通過云下課堂這種線下+線上的授課模式，開展BYOD（Bring Your Own Device）混合式教學(xué)，實踐表明，改革措施明顯提高了學(xué)生們的學(xué)習積極性和興趣，同時，課堂互動環(huán)節(jié)得到了顯著的增強。經(jīng)過比對近三年該門課程的期末考試成績情況，驗證了強調(diào)課程導(dǎo)入、融入思政元素的云下課堂這種改革方法的有效性。

關(guān)鍵詞：計算機組成原理;課程導(dǎo)入;思政元素;云下課堂

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）21-0149-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

計算機組成原理的課程目標在于讓學(xué)生從程序員角度深入理解計算機系統(tǒng)，從而提高編制高效程序和調(diào)試程序的能力[1]。但是，國內(nèi)絕大多數(shù)高校的計算機組成原理課程體系缺乏系統(tǒng)性，教學(xué)模式傳統(tǒng)，總體上與國外一流大學(xué)相比還有很大差距[2]。計算機組成原理是計算機專業(yè)的重要課程，是深入了解和掌握計算機基本工作原理、建立計算機知識體系結(jié)構(gòu)必不可少的部分，其涉及知識面廣、內(nèi)容多且更新快，一些知識點較為抽象，教師普遍感到教學(xué)難度大[3]。為此，我們對該課程進行了一系列的教學(xué)改革嘗試。

1課程導(dǎo)入

為什么要學(xué)習計算機組成原理這門課程？大多數(shù)教材在概述章節(jié)中只是強調(diào)這門課怎么重要，可以學(xué)習到很多硬件的知識和原理，卻很少將其跟軟件設(shè)計聯(lián)系在一起，尤其是給出具體的實例，讓已具備軟件設(shè)計知識的學(xué)生知道，光學(xué)習軟件設(shè)計方面的知識是不夠的，還需要了解和理解硬件的工作原理，因為軟件最終執(zhí)行是靠硬件來支撐的。即便有的教材在后面章節(jié)給出了軟硬件相結(jié)合的例子，但是，我們也建議應(yīng)該將一些例子提前到課程導(dǎo)入環(huán)節(jié)來介紹。下面是我們教學(xué)改革后，在導(dǎo)入環(huán)節(jié)給學(xué)生介紹的軟硬結(jié)合實例中的兩個，它們出自2010年全國計算機類研究生入學(xué)考試計算機組成原理統(tǒng)一試卷，為了節(jié)省篇幅，我們做了一定的簡化：

例子1：假定變量i、f和d的數(shù)據(jù)類型分別為int、float和double（int用補碼表示，float和double分別用IEEE 754單精度和雙精度浮點數(shù)格式表示），已知i=785，f=1.5678e3，d=1.5e100。若在32位機器中執(zhí)行下列關(guān)系表達式，則判斷語句“（d+f） - d == f”的結(jié)果為 “真”還是“假”？

在互動時，不少同學(xué)對于這道題目的判斷出錯了，為什么結(jié)果是“假”呢？因為d+f時，由于d過大而f過小，出現(xiàn)了“大數(shù)吃小數(shù)”現(xiàn)象，此時，大多同學(xué)立馬出現(xiàn)了學(xué)習的興趣，好奇心驅(qū)使他們想要探個究竟，這時，我們就可以將程序設(shè)計語言課中數(shù)據(jù)類型采用的IEEE754存儲標準進行簡要介紹。

此外，可以進一步和學(xué)生互動“0.1這個小數(shù)能被精確存儲嗎？”，答案是不能的，一些同學(xué)答錯了，因為這個問題在同學(xué)們學(xué)習程序設(shè)計語言時，大多被忽略了，大部分同學(xué)只知道各種數(shù)據(jù)類型都有各自的取值范圍，雖然有精度和廣度的概念，卻沒有如此具體而簡單的實例，將精度跟存儲格式結(jié)合起來考慮，就很容易理解了。理論上，計算機能表示的數(shù)其實是很有限的，即便存儲字節(jié)數(shù)再多，也會有無限的數(shù)是計算機所不能直接存儲表達的，計算機存儲的數(shù)從數(shù)學(xué)角度看，總是離散的?；诙M制的計算機不但存儲不了0.1，0.2、0.4……也一樣不能被精確存儲。

例子2：某計算機的主存地址空間大小為256 MB，按字節(jié)編址。指令Cache和數(shù)據(jù)Cache分離，均有8個Cache行，每個Cache行大小為64 B，數(shù)據(jù)Cache采用直接映射方式?，F(xiàn)有兩個功能相同的程序A和B，其偽代碼如下所示：

假定int類型數(shù)據(jù)用32位補碼表示，程序編譯時i， j， sum均分配在寄存器中，數(shù)組a按行優(yōu)先方式存放，其首地址為320（十進制數(shù)）。請問哪個程序的運行會更快？

程序A和B是同學(xué)很熟悉的題目，但問大家哪個程序跑得快？一下子課程氣氛就起來了，因為之前他們從來沒有考慮過這個問題，而且這個問題對于他們來說，也普遍覺得有點趣味。雖然同學(xué)們對于Cache是陌生的，但我們通過用簡單易懂的語言把基本原理講述過后，發(fā)現(xiàn)大部分同學(xué)還是能理解的，而且這大大調(diào)動了他們學(xué)習計算機組成原理課的積極性。沒有硬件知識，想要成為軟件高手，這是不可能的。

通過這兩個例子一下子就讓學(xué)生理解了計算機硬件的重要性，改變“重軟件輕硬件”的傾向，明白軟件設(shè)計離不開硬件知識的掌握與理解。

2融入思政

課程思政的核心是教學(xué)中要恰當?shù)娜谌搿胞}”，讓課程學(xué)起來“有滋有味”[4]。習近平總書記的這個新鮮而又生動的比喻含義深刻、蘊意豐富，對加強和改進大學(xué)生思想政治工作有著深遠的啟發(fā)意義。教材我們選用北京郵電大學(xué)白中英老師主編的《計算機組成原理》（第5版），全書11章，前8章為基本教學(xué)內(nèi)容。經(jīng)過對教學(xué)內(nèi)容梳理，第1章到第8章均可進行一定的教學(xué)改革并融入相應(yīng)的思政元素，促進學(xué)生對計算機組成原理重點內(nèi)容的理解。教學(xué)改革思路及思政元素的融入見表1。

譬如，章節(jié)2.1中的IEEE754標準為浮點數(shù)的存儲進行了定義，并提供了32位和64位兩種格式，但無論哪種格式，它們所能存儲的數(shù)據(jù)都是有限的，前面我們已經(jīng)提到過，即便是0.1、0.2類似簡單的數(shù)，它們都無法精確存儲，這是它們的固有缺點，但這并不妨礙計算機發(fā)揮它的長處，為我們?nèi)祟愃?。做人也一樣，人無完人，在與他人的相處中，我們應(yīng)多看到別人的優(yōu)點，包容他人的缺點，正如古人所講“人至察則無徒”，計算機都有缺陷，更何況人乎，做人，不必苛求完美，但也應(yīng)立足實際，不斷完善自我，讓每個人都成為更好的自己。

3云下課堂的功能設(shè)計

云下課堂是我們開發(fā)的一個線上線下教學(xué)融合的項目，并在2021年計算機組成原理課程的教學(xué)中進行了實施，該項目也獲得了2021年江蘇省大學(xué)生計算機設(shè)計大賽三等獎。云下課堂基于“互聯(lián)網(wǎng)+”思維，試圖讓大學(xué)生們的筆記本電腦、智能手機在走入課堂的同時，將其利用起來，開展BYOD（Bring Your Own Device）教學(xué)。疫情總有結(jié)束的一天，到時，云上資源仍然可以發(fā)揮作用，下放到傳統(tǒng)課堂中的師生自帶設(shè)備，讓線上線下資源相互融合、師生設(shè)備協(xié)同工作，促進教學(xué)活動的高效開展。在云下課堂的實施過程中，我們觀察到學(xué)生的學(xué)習積極性相比往年有了明顯提高，對BYOD教學(xué)產(chǎn)生了一定興趣。圖1是云下課堂的功能設(shè)計。

上述功能是“教育部在《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》中強調(diào)要利用信息技術(shù)開展探究式、參與式教學(xué)”的號召下設(shè)計的，可以很好地解決傳統(tǒng)課堂的一些不足，如：師生間缺少互動;老師不能及時收到學(xué)習情況的反饋;學(xué)生不能在課后回顧上課內(nèi)容等。

4結(jié)束語

2020年的考試成績相比2019年，略有下降，這個可能和疫情期間采用單一線上教學(xué)有關(guān)，到了2021年，我們強調(diào)了課程導(dǎo)入內(nèi)容及其重要性，融入了有關(guān)思政元素，并采用了云下課堂這種線下+線上的模式，考試成績相比前兩屆均有較大幅度的提高，低分考生人數(shù)下降了，而高分段考生人數(shù)明顯增加。課程改革顯示，學(xué)生的學(xué)習積極性更高，注意力集中，互動效果更好，教學(xué)效果有了顯著提升，我們也將在未來的教學(xué)中進一步探索和提高。

參考文獻：

[1] 蔣永國，洪鋒，董軍宇.面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的計算機組成原理核心課程建設(shè)[J].計算機教育，2015（21）：3-6.

[2] 袁春風，陳貴海，黃宜華，等.“計算機組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的教學(xué)現(xiàn)狀和改革思路[J].計算機教育，2009（16）：153-156.

[3] 楊旭東，肖鐵軍，丁偉，等.計算機組成原理課程教學(xué)改革[J].計算機教育，2013（7）：46-49.

[4] 張策，呂為工，李劍雄.以學(xué)生為中心的計算機類專業(yè)核心課程的課程思政改革[J].計算機教育，2021（4）：51-55.

[5] 金燦榮，米蘭.打鐵還需自身硬大危機時代和中國式突圍[M].北京：現(xiàn)代出版社，2013.

【通聯(lián)編輯：王力】