“計算機組成與結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)方法探討

鮑培明

(南京師范大學(xué)計算機學(xué)院，江蘇南京10097)

“計算機組成與結(jié)構(gòu)”是計算機學(xué)科的核心專業(yè)基礎(chǔ)課［1，2]，在計算機專業(yè)各門課程學(xué)習(xí)中具有承上啟下的地位，也是計算機軟硬件課程的連接橋梁。向下連接數(shù)字邏輯電路設(shè)計等課程，向上連接匯編語言和編譯系統(tǒng)和操作系統(tǒng)等軟件課程［3]。它是一門知識面廣，教學(xué)內(nèi)容多，學(xué)習(xí)難度大，更新快的課程。院從我實際情況出發(fā)，采用層次式教學(xué)模式，對學(xué)生進行分層次教學(xué)，對提高教學(xué)質(zhì)量起到了很好的效果。

我校學(xué)生水平參差不齊，教學(xué)模式必須有自己的特色，讓學(xué)生都人盡其才。

基于學(xué)生的知識接受能力和未來的就業(yè)去向，我們研究了一套“計算機組成與結(jié)構(gòu)”課程的層次式教學(xué)模式，讓層次式理念貫穿于課程教學(xué)的全過程。

“計算機組成與結(jié)構(gòu)”課程的教學(xué)過程包括課堂講授、作業(yè)和實驗。課堂講授以分析和講解計算機各個功能部件的組成及運行原理為主，培養(yǎng)學(xué)生對計算機硬件的系統(tǒng)級認知能力。我們把這每一個教學(xué)環(huán)節(jié)都分成了三個層次，可以把這三個層次用形象的詞描述為必做題、選做題和提高題。

必做題要求每個學(xué)生都必須掌握，或必須完成的部分。選做題要求學(xué)生盡其所能去理解，或去完成的部分。提高題超出了課程教學(xué)要求的內(nèi)容，專門針對優(yōu)秀學(xué)生給與的一種能力培養(yǎng)。下面從3個教學(xué)的環(huán)節(jié)依次敘述這三個層次。

1 層次式教學(xué)模式

1.1 課堂教學(xué)環(huán)節(jié)

上課時通過一些實例示范，學(xué)生很快就能了解整數(shù)和浮點數(shù)在機器中是怎么表示的，CPU是怎么在高速緩存中訪問到數(shù)據(jù)的，CPU是如何執(zhí)行某條給定的指令的等。對于單CPU的計算機，它的主要部件的功能特性、邏輯結(jié)構(gòu)和功能部件之間的相互連接關(guān)系等是屬于必做題內(nèi)容，在實例基礎(chǔ)上必須掌握它們是如何工作來完成相應(yīng)功能的。

對問題的分析、設(shè)計能力相對認知能力要求更高一層次。在模運算系統(tǒng)中兩數(shù)的同余關(guān)系，引出了數(shù)的補碼概念，以及補碼的一些性質(zhì);涉及Cache、主存和磁盤的一次CPU訪存操作;這些部分就屬于選做題內(nèi)容，要求學(xué)生理解，但在考試中少量涉及。

本課程中的補碼乘法運算的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和流水線的冒險處理，我們依舊是采用上課講解的，對學(xué)生以講座的標(biāo)準(zhǔn)要求，講解速度也相對快些。提高題內(nèi)容主要針對優(yōu)秀學(xué)生。

1.2 作業(yè)環(huán)節(jié)

為了讓優(yōu)秀學(xué)生更多地了解最新技術(shù)，融匯計算機學(xué)科的其它課程，可以布置一些課外題目，讓他們通過閱讀參考書、網(wǎng)上搜索和編程實踐等環(huán)節(jié)來完成，完成之后寫一篇課外報告。這個層次的教學(xué)安排，通過一些實例程序，讓學(xué)生分析高級語言的數(shù)據(jù)類型在機器中的實際表示和存儲，進一步引導(dǎo)學(xué)生思考如何合理使用高級語言數(shù)據(jù)類型。通過一些實例程序的執(zhí)行速度，分析計算機中高速緩存的影響，進一步引導(dǎo)學(xué)生思考如何讓程序有更好的空間局部性和時間局部性。改進程序效率的方法不僅是算法的效率，程序代碼一樣是重要的。通過查找資料了解DDR3和CPU多核等新技術(shù)。課外報告屬于提高題部分。

1.3 實驗環(huán)節(jié)

實驗方法有驗證型和設(shè)計型。我們采用EDA和PLD技術(shù)開設(shè)實驗課后，實驗從驗證型為主的實驗?zāi)Ｊ睫D(zhuǎn)向為設(shè)計型和綜合型實驗。少量對設(shè)計類問題有困難的學(xué)生可以直接給一個實驗樣例，讓他們讀懂實驗樣例后，模仿著自己做一遍，相當(dāng)于驗證型實驗。多數(shù)學(xué)生在讀懂一個簡單的實驗樣例后，在給定的10條指令集上完成CPU設(shè)計，對10條指令的執(zhí)行過程提供一些分析和指導(dǎo)。對優(yōu)秀的學(xué)生可在10條指令集基礎(chǔ)上增加更多的指令，對這些增加的指令他們需要自己去分析指令的執(zhí)行過程，獨自完成CPU設(shè)計。

2 考核方法

考核要兼顧多方面因素?？己顺煽冇?塊構(gòu)成:實驗、期中考試、期末考試。

1)實驗操作占10分。完成驗證型實驗就可以得7分，相當(dāng)于“中”的要求。根據(jù)學(xué)生在設(shè)計型、提高型實驗中所完成的情況，可以適當(dāng)?shù)丶?～3分。在期中和期末試卷(卷面100分)中各有10分的實驗分析題，出題的要求是將實驗與書本知識結(jié)合起來，既考查學(xué)生對實驗的理解程度，也考查學(xué)生對書本知識靈活應(yīng)用的能力。期中和期末考試各占20分和70分，因此，實際的實驗分值達到19分。

2)期中和期末考試都是筆試?？荚囎⒅氐氖菍W(xué)生對基本知識的掌握。試卷以必做題難度為基本要求，適當(dāng)?shù)卦黾有┻x做題內(nèi)容，用于增加區(qū)分度。對提高題內(nèi)容不做要求。

3 結(jié)語

分層次教學(xué)是一種因材施教的方法。開展分層次式教學(xué)時需要注意如下一些問題。

(1)如何組織教學(xué)內(nèi)容

教師必須掌握學(xué)生的知識接受能力，在這基礎(chǔ)上如何將教學(xué)內(nèi)容劃分成層次結(jié)構(gòu)?？梢姺謱哟谓虒W(xué)是對教師提出了更高的要求。

(2)如何激勵學(xué)生

教師必須與學(xué)生多接觸，對學(xué)生提出適當(dāng)?shù)囊蠛徒ㄗh。同時，應(yīng)有良好的激勵措施。層次式教學(xué)方法不僅適用于“計算機組成與結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)，同樣適用于普通院校的其它課程教學(xué)，層次式教學(xué)方法具有普遍適用性。

［1] 蔣本珊，王娟，馬忠梅.“計算機組成原理”課程實踐與理論教學(xué)體系關(guān)聯(lián)性研究［J] .北京:計算機教育，2009，(24):118-120

［2] 秦磊華，王小蘭，張園?！坝嬎銠C組成原理”設(shè)計性實踐教學(xué)模式研究［J] .南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2009，2(31):68－70

［3] 袁春風(fēng)。計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［M] .北京:清華大學(xué)出版社，2010