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摘要:提出將計算機組成原理課程理論知識學習與實驗設計相融合的課程實踐教學方案,通過師資一體化由任課教師全程承擔理論課、實驗課、課程設計教學任務,將計算機組成部件工作原理及技術實現融合于實驗教學內容中,使課程理論教學與實驗教學深度融合,逐步培養學生運用課程理論知識設計與其相關實驗能力,有效提高學生理解、掌握計算機硬件組成理論知識并運用相關知識解決綜合實驗設計問題的能力,提升學生運用知識和解決復雜工程問題能力的培養,有助于課程教學目標達成。

關鍵詞:計算機組成原理課程;理論與實驗融合教學;動手能力培養

“計算機組成原理”是一門著重介紹計算機硬件系統及其組成部件相互協調工作原理知識的計算機類專業核心課程,其教學內容抽象,理論性和實踐性強,在計算機類專業課程知識體系中具有承上啟下的重要作用,在教學實踐中受到廣泛關注[1-2]。目前,隨著工程教育認證和新工科建設在計算機類專業建設中的持續推進,必將推動“計算機組成原理”課程相關教學內容深入改革和實踐。培養學生具有解決復雜工程問題能力是目前工程教育認證和新工科人才培養的重點要求之一,也是“計算機組成原理”課程教學實踐中重點探討和解決的關鍵問題,其關鍵在于課程教學實踐中如何讓學生理解和掌握理論基礎知識,并在此基礎上,如何合理運用理論知識解決工程實踐問題,達到學以致用的目的。目前,國內大多高校探索“計算機組成原理”課程培養學生解決復雜問題能力的基本思路就是將其培養能力分解于教學目標子目標和相關畢業達成目標中,通過相關教學實踐達到培養目的。然而,目前研究常常忽略在教學實踐中一些重要教學環節,就是如何制定有效、合理的課程教學內容、并將其如何在教學實踐中有效達成,這對于實現相關教學目標和畢業要求尤為重要。目前,“計算機組成原理”課程教學實踐設置為理論教學和實驗教學兩個環節,旨在綜合提升學生理解和掌握課程理論知識和實踐動手能力。事實上,在目前教學實踐中,理論授課教學內容與實驗教學實踐不匹配,常常表現為重理論、輕實驗,大多課程教師更傾斜于從理論上培養學生解決復雜問題能力,注重理論教學,忽視實驗教學實踐中培養學生運用理論知識解決復雜問題能力,未能體現課程理論教學和實驗教學內容高度融合,實驗教學內容單一,僅讓學生根據實驗箱內置的計算機組成部件模型,按照實驗講義按部就班地完成一些簡單模型驗證性實驗,缺乏綜合性、設計性實驗,使學生難以深入理解計算機各組成部件內部結構及其相互邏輯關系在計算機整機模型的工作過程和原理[3-4],難以綜合體現培養學生解決復雜問題的實際能力,也難以體現和滿足計算機相關專業工程認證標準的課程畢業要求達成度[5-6]。就教學實踐而言,“計算機組成原理實驗”教學是課程理論教學的高度體現,對于學生理解和掌握課程理論知識及應用極其重要。如何將“計算機組成原理理論”教學內容和實驗教學內容高度融合,是當前“計算機組成原理”課程教學改革的一個重要關鍵環節,也是培養學生解決復雜工程問題能力的關鍵所在。為此,基于福建師范大學的計算機實驗教學中心等教學資源,我們探索了通過計算機組成原理課程理論和實驗教學內容相融合來培養學生解決復雜工程問題能力的教學改革,其基本思路:基于計算機組成原理知識結構整體規劃,以課程基本理論為點,課程內容為線,理論教學與實驗教學相融合為面來構建“計算機組成原理實驗”教學模式,著重突出計算機組成原理內在結構知識教學內容銜接性、理論教學與實驗教學內容銜接性,便于學生從理論到實踐對計算機組成系統內在工作原理知識有一個完整的認知,達到學以致用的教學目的[7-9]。

1課程理論和實驗教學內容相融合

從理論上講,計算機組成原理屬于計算機硬件相關知識體系,其課程教學內容著重于計算機硬件系統各功能組成部件的工作原理、組成結構設計、相互連接方式,以及相應的邏輯實現方法。與此同時,實驗課程教學內容對應于理論教學內容,兩者融合設計,通過實現相關實驗設計,使學生對理論課的知識有更深刻的理解,理解程序在計算機中的執行過程,理解計算機單處理機系統的組成原理和工作原理,理解計算機硬件系統各組成部分的邏輯實現方法及互連成整機的技術,牢固建立計算機的整機概念。培養學生獨立思考能力以及綜合應用能力。為了突出理論教學與實驗教學內容銜接性和融合性,我們將課程理論知識點與實驗教學內容相對應,便于學生在實驗設計中理解和掌握理論知識在工程背景中的應用性,其對應情況如表1所示。通過課程理論教學和實驗教學內容深度融合,有助于學生掌握計算機組成的基本原理和基本方法。特別是,通過將計算機組成部件工作原理及技術實現融合于實驗教學內容中,逐步培養學生運用計算機組成原理知識實現綜合設計能力,為提升學生解決復雜工程問題能力提供知識支撐[10-12]。

2理論與實驗教學實踐相融合

在課程教學實踐中,我們采用理論教學與實驗教學相融合的優化教學組織方式,旨在利用有限的教學課時完成表1所制定的理論和實驗教學內容,以期獲得較好的教學效果。在教學方案制定中,我們將理論教學和實驗教學融合于教學目標中,也就是,理論教學中融入實驗教學內容,實驗教學體現理論教學內容,在理論課堂上,教師可將計算機組成理論知識點融合于實驗教學相關模塊和模型的設計,不僅有助于理論知識與實驗設計有機融合,也有助于學生更好地完成相關實驗并能及時理解其內部工作原理,可有效改善傳統的“計算機組成原理”課程教學形式和效果。通常在相關理論課后,教師根據理論授課內容給學生布置與運算器、存儲器、控制器等模塊相關的實驗設計大作業,學生可根據所掌握和理解的計算機組成邏輯關系等理論知識完成相關實驗設計,并通過相關理論和數據分析,有效理解計算機組成理論知識及其工作原理,有效改善傳統教學理論課后布置課后習題難以理解課程知識點等不足,更重要的是,可將相關實驗設計大作業作為實驗預習報告,有效提高實驗教學效率。此外,理論與實驗教學實踐相融合,有助于在有限的授課時間內,完整綜合體現計算機組成原理與實驗過程的相關性,使學生從理論到實驗對計算機組成原理有一個完整的認知過程,特別是對于學生實現計算機模型綜合拓展設計至關重要。我們知道,讓學生自主實現以CPU為主體的計算機組成系統架構設計,是實驗教學的一個重要內容,有助于學生準確理解計算機硬件組成系統自動實現計算功能的知識內涵。另外,在教學實踐中,教師在計算機整機模型理論知識基礎上,將一些工程背景相關的故障診斷與排除納入計算機系統架構實驗設計中,注重培養學生分析解決問題的能力、工程實踐能力及團隊協作能力。通過理論與實驗教學實踐融合指導學生設計計算機整體模型的指令系統,構建控制器與存儲器、運算器邏輯關系,使學生理解程序、微程序、指令、微指令在計算機各組成部件自動運行工作的原理和作用。讓學生真正體會到由計算機組成系統從局部到整體、從簡單到復雜的層次感,可優化整合教學實踐中計算機組成原理各組成部件間知識銜接,達到理論與理論課程教學內容的銜接、理論教學與實驗教學內容上的銜接,綜合體現計算機組成原理理論知識與其實現過程相關性,使學生建立完整計算機知識體系的認知結構,達到學以致用的效果[8-9,12]。

3理論和實驗教學融合達成評價

在教學實踐中,我們制定了與計算機組成原理課程理論和實驗教學融合相關的實驗報告,來綜合客觀評價課程理論與實驗教學融合的教學效果,如表2所示,在所制定的實驗報告中,充分考慮理論和實驗教學內容融合的緊密度和關聯性,將實驗設計與課程教學中的知識點相結合,實驗設計要提供開展相關實驗的理論教學知識點支撐依據,有助于培養學生在實驗設計中積極自主思考、自主學習、完善理論和實踐相結合的能力。在培養學生實際動手能力的同時,也提高學生理解和掌握利用計算機硬件組成系統的基本工作原理和技術方法分析問題和解決問題的能力,為學生今后解決復雜工程問題提供計算機相關知識儲備和能力培養求[8-9]。

4結語

目前,鑒于福建師范大學每學期16個教學周,每周實驗課2課時的實際情況,我們制定7個實驗內容(4個驗證性實驗、2個綜合設計性實驗、1個拓展性實驗),教學實踐中師資一體化,任課教師全程承擔課程理論課、實驗課和課程設計教學任務,利于理論教學與實驗教學深度融合,使教師授課時更加清晰如何合理銜接相關課程的理論與理論、理論與實踐教學內容知識點,優化課程教學目標和教學內容,完善課程大綱和課程內容,改進教學方法,優化考核方式和課程評價,使學生從理論到實踐對“計算機組成原理”課程有一個完整的認知過程,有效提高學生分析問題和實際動手能力,為培養學生綜合運用計算機組成原理知識解決實際問題的能力、獨立分析問題、解決問題能力和創新能力奠定基礎。更重要的是,針對課程所對應的畢業要求達成可持續改進,學生在實驗設計中能夠運用所學的理論知識分析問題和數據處理、理解和掌握計算機組成器件內在的邏輯架構關系,通過理論分析和實驗設計找到解決問題的技術方案,有助于學生運用計算機組成系統相關基本理論知識和技術手段解決復雜工程問題,有力推動“計算機組成原理”課程的教學改革。

作者:吳建寧 單位:福建師范大學 計算機與網絡空間安全學院