《计算机组成与结构》课程教学探讨.pdf

计算计组成与结构是物联网专业的一门重要的专业基础课，其教学内容依托已学相关课程如微型计算机接口技术电工学等课程基础之上，同时也是后续学习的基础，具备承上启下功能，要求学生具有较高的硬件理论知识和实践能力。然而，实际情况却是学生虽然学习了先序课程，但是对硬件的知识依然一知半解，模糊不清，更别提分析一些电路的硬件原理图了。究其原因有如下几点：（1）计算机组成与结构的核心是 CPU，围绕 CPU 的相关知识有运算器、指令系统、控制器等，学生在学习过程觉得相关概念、原理抽象难懂，因此对课程学习缺乏兴趣，最后以死记硬背方式应付考试。（2）教学方法单一，由于概念抽象，学生已经对课程学习缺乏兴趣，再加上传统教学以“灌输式”为主，学生更加没有兴趣学习。（3）实验的开展以验证为主，学生按照实验指导书的连接方法按部就班地做，做完后按照指导书的格式抄一份实验报告，写上实验结果，不管结果是否正确，更不去思考电路连接图的原理。因此，为了学生对计算机 CPU、总线、存储系统等硬件知识有一定的认识了解，激发学生的学习兴趣，让学生找到理论与实践的结合点，提高教学质量，计算机组成与结构的课程改革迫在眉睫。2 教学内容和方式的改进 2.1 注重第一堂课的讲述 计算机组成与结构课程理论性较强，学生在接受该课程的知识传授时往往感觉枯燥，为了激发学生的学习兴趣，在第一章概论中授课教师可以额外向学生讲授 CPU 制作的简单流程，以及与 CPU 制作息息相关的光刻机、刻蚀机。例如，对光刻机的介绍可以和学生聊聊荷兰ASML 公司的发展过程，浸润式光刻机和干刻式光刻机之争等精彩的故事。还可以继续让学生了解我国刻蚀机的发展状况，从而提高学生的民族自豪感。在第一次课就引入生动的事例作为教学内容，丰富了课程的内容，使得学生认为该课程并不是像传闻那样枯燥无味。为该课程后续的教学内容开展起了一个良好的开端，提高了学生学习兴趣。2.2 传统课堂引入云授课模式 手机等通信设备已经成为大多数学生生活中的一部分，传统的多媒体教学已经不能吸引学生的注意，学生上课不再专注倾听老师的讲授，这就要求教师将互联网等先进的信息技术引入课堂，将板书逐步向手机转换。上课前，教师通过“云”平台发布学习任务，通过这种方式的推送，学生节省了在大量的学习视频和资料信息中甄选自己需要的课前学习资料的时间。直接学习教师已经选择好的学习资料，在这一过程中虽然需要教师在平时花去一些时间帮助学生寻找合适他们学习的资料信息，但这种方式显然提高了学生的学习效率。学生可以自学“云”平台上的各种教学资源例如教师自制的微课视频或者其他学校的教学视频等，学完后学生提交学习效果反馈，包括学习过程中遇到的问题。课后，学生完成教师在课程平台上布置的作业、讨论和测试等内容，对本次课进行知识巩固并将结果反馈给教师。传统的课堂教学中，授课教师往往喜欢采用“任务驱动”的方式进行授课，因为“任务驱动”是实现理论与实践相结合的手段，较好地体现课程“应用性”的特色。但是计算机组成与结构理论性强，内容抽象，造成学生对上课缺乏兴趣，更不愿意进行更深层次思考。即便是教师采用了一些好的教学方法，例如“基于任务驱动的教学方法”或“基于 CDIO 模式的教学方法”等等，部分学生还是专注于非课堂教学内容，如玩手机、聊天等，使得教师的教学效果收效甚微。既然无法让学生放弃用手机的习惯，那么可以把在线课堂与计算机组成与结构的课堂教学相结合，把那些重要且晦涩难懂内容的讲授用手机或平板给学生呈现出来，以一种全新的方式授课。例如，在讲授操作数寻址方式的内容时，学生往往对存储器直接寻址、寄存器直接寻址、储器间接寻址、寄存器间接寻址等各种寻址方式弄不清楚，初学者极易混淆。为了让学生深刻理解这些晦涩的知识，授课教师可将寻址的过程以动画的形式投屏到学生的手机或平板上，同时配上讲解。在知识讲授前，设定该堂课的学习目标以及任务，当知识点讲授结束后，提出问题，让学生在线讨论交流和在线测试。对积极思考回答问题的学生，可以给予相应的平时分数的奖励，甚至用“发红包”的形式让回答问题前几名的学生来“抢红包”，这样不仅可以活跃课堂气氛，还可以激发其他学生学习的兴趣，同时根据学生的反馈信息及时进行课程内容的调整。当学生对计算机组成与结构有了学习的兴趣，授课教师这时可以将“基于任务驱动的教学方法”或“基于 CDIO 模式的教学方法”这些新的教学方法应用于课堂教学，有利于提升教学的效果。2.3 实验课程的改进 2.3.1 实验设备选择 由于计算机组成与结构课程的实验开展主要是进行验证性实验。例如，在做“基本运算器实验”，学生只需按照指导书给出的实验接线图接线，按照运算器逻辑功能表拨动相应开关即可完，这一组其他学生只是进行简单的观察和记录，根本不会考虑数据的流向，实验效果不理想。为了更好理解计算机组成与结构的理论知识，对计算机各部分硬件的基本工作原理以及指令的数据流向有一个感性的认识，为下一步设计性和综合性实验打下基础，学生在做基本的验证性实验时，每拨动一次开关就应该在电脑端显示数据流向动态过程，经过了哪些寄存器，数据暂时保存在哪些寄存器，而不是简单地让 LED灯亮灭，当实验箱脱机工作时，电脑端则不会显示数据的流向。这就需要选购符合有利于提高学生实验兴趣的、有利于提高学生的动手设计能力以及创新能力的仪器。2.3.2 综合实验的开展 为了培养学生综合实验能力，很多学校采用 FPGA 方案来开展计算机组成原理实验。作为物联网专业的学生要想完成综合性实验必须先学习 VHDL 语言，但是物联网专业的培养方案上没有列出这门课程，修改已定的培养方案难度较大。如果让学生完全自学的方式学习 VHDL 硬件语言也是不符合实际情况的。在开始的综合性实验，授课教师可以利用“云”平台，把自己写好的实验代码和步骤上传到平台，在线给学生详细讲解。在后续的实验中，逐步地让学生动手写代码，自己调试，发现错误，纠正错误，进而培养他们的自主学习能力。3 教学效果及反馈 计算机组成与结构课程与“云”平台融合的教学方法改革已在本科生中实践了 2 个学期，为了体现教改的效果，我们将改革前的2018-2019 学年 2 个学期的期末试卷成绩与教改后 2019-2020 学年 2个学期期末试卷成绩对比，其对比结果见表 1。从表 1 可以看出，教学改革后的成绩明显高于改革前，在改革的 2 个学期内学生平均成绩均稳定在 80 分，说明教学方法改革成效比较明显且稳定。同时，通过对 2 个学期的计算机组成与结构授课学生的问卷调查，绝大多数学生还是接受认可这种混合式的教学和实验方式。调查结果见表2。4 总结 将“云”教学平台引入计算机组成与结构的课程教学，改变了传统的以“教师为中心”学生被动学习的方式，使得学生对计算机组成与结构课程知识体系了解更加清楚，明确了学习目标。多样化的教学方法使课堂教学更加生动，气氛活跃，充分体现了以“学生为中心”的主导地位，也使学生课前和课后学习的积极性和主动性更强。这次计算机组成与结构的教改把协作式学习、混合式学习与“云“教学紧密结合，教师借助信息化平台开展教学活动、学习效果评价及动态管理，优化教学生态，提升了教学效果与质量。课程中如何更好地将数字平台融入教学设计和线下的课堂教学，仍需要进一步的研究与实践。总之，在计算机组成与结构课堂中采用多种教学方式的传授模式使得学生的学习状态向有益的方向变化。