計(jì)算機(jī)組成原理案例教學(xué)設(shè)計(jì)研究

1、計(jì)算機(jī)組成原理案例教學(xué)設(shè)計(jì)研究 摘要：在計(jì)算機(jī)組成原理課程中引入案例教學(xué)法進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)踐?？紤]課程特點(diǎn)和普遍存在的問(wèn)題，引入案例教學(xué)法，構(gòu)建案例教學(xué)執(zhí)行流程的四個(gè)環(huán)節(jié)，并具體描述各環(huán)節(jié)實(shí)施方法。案例教學(xué)法增加了課堂互動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，教學(xué)效果改善明顯。 關(guān)鍵詞：案例教學(xué)；計(jì)算機(jī)組成原理；教學(xué)設(shè)計(jì)；教學(xué)實(shí)踐 計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)專業(yè)的核心課程，技術(shù)性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣，在整個(gè)計(jì)算機(jī)課程體系中起著承上啟下的作用。學(xué)生通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，掌握計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)各部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的基本分析和設(shè)計(jì)方法，為后續(xù)學(xué)習(xí)硬件課程或軟硬件結(jié)合的課程打下良好基礎(chǔ)。然而,由于硬

2、件概念和原理的非直觀性，給學(xué)生學(xué)習(xí)和教師教學(xué)都帶來(lái)較大挑戰(zhàn)。課程知識(shí)點(diǎn)大多抽象、散亂，又與其他課程相關(guān)知識(shí)緊密相關(guān)，如果學(xué)生像學(xué)習(xí)其他軟件課程那樣學(xué)習(xí)，教學(xué)中方法又以填鴨式灌輸為主，就會(huì)產(chǎn)生不良的教學(xué)效果1-5。入門難度大，概念抽象，梯度較陡現(xiàn)代大學(xué)生接觸計(jì)算機(jī)較早，所以起初學(xué)生往往帶著極大的興趣和信心投入到課程的學(xué)習(xí)中。但隨著知識(shí)點(diǎn)密集地展開(kāi)，硬件的抽象性表現(xiàn)出來(lái)，學(xué)生往往會(huì)感到課堂內(nèi)容枯燥無(wú)味，沒(méi)有了吸引力，再加上對(duì)硬件的操作又很難產(chǎn)生與軟件運(yùn)行一樣的直觀效果，無(wú)法在課后及時(shí)通過(guò)實(shí)踐的方法對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行消化和再認(rèn)識(shí)，大部分學(xué)生產(chǎn)生了“喜歡軟件，害怕硬件”的心理。知識(shí)點(diǎn)散亂，與其他課程聯(lián)系緊

3、密課程涉及的概念多、單英文縮寫詞多，而且很多概念命名帶有歷史發(fā)展的痕跡，例如RAM稱為隨機(jī)存儲(chǔ)器，如果不清楚存儲(chǔ)器的發(fā)展過(guò)程，對(duì)“隨機(jī)”概念就無(wú)法徹底理解。同一個(gè)概念因?yàn)樯婕暗挠?jì)算機(jī)硬件部件不同，其解釋也略微不同，例如在串行通信中有“異步”的概念，在動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的刷新中有“異步”的概念，在總線的控制中也有“異步”的概念6-7等。課程中的“寄存器堆?！焙汀按鎯?chǔ)器堆棧”與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程關(guān)系緊密，而“緩沖器”，“三態(tài)”等概念與數(shù)字電路課程關(guān)系緊密，指令系統(tǒng)中的“尋址方式”與匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)關(guān)系緊密，中央處理器中“狀態(tài)字”在明白基本編譯原理后才容易理解。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)相對(duì)較弱，課堂師生互動(dòng)偏少課程的實(shí)驗(yàn)課多是幾

4、個(gè)章節(jié)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也無(wú)法覆蓋所有的知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生很難將不懂的問(wèn)題通過(guò)實(shí)驗(yàn)及時(shí)得到解決，有些學(xué)生甚至覺(jué)得實(shí)驗(yàn)課沒(méi)有什么用處。 1案例教學(xué)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì) 上述的問(wèn)題給該課程的學(xué)習(xí)和教學(xué)都帶來(lái)很大困難和挑戰(zhàn)。然而課程的應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)卻為采用案例教學(xué)法（casemethod）實(shí)施提供了可行性和便利性。案例教學(xué)法由哈佛大學(xué)商學(xué)院首創(chuàng)，是一種開(kāi)放式、互動(dòng)式的新型教學(xué)方式，以案例作為一種教學(xué)工具，以學(xué)生為中心，通過(guò)對(duì)實(shí)際問(wèn)題的研究、分析和探討，得出結(jié)論的過(guò)程，越來(lái)越受到中外教育工作者的歡迎，近年來(lái)在各個(gè)學(xué)科的教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用8-11。案例教學(xué)的特點(diǎn)是目的性強(qiáng)。首先，通過(guò)案例教學(xué)法的實(shí)施（設(shè)計(jì)、分析與講

5、解），能使學(xué)生深刻領(lǐng)會(huì)學(xué)習(xí)目標(biāo)，掌握相關(guān)知識(shí)和技能，案例教學(xué)法更看重培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際操作和應(yīng)用能力。其次，案例教學(xué)具有生動(dòng)性，將復(fù)雜的理論和抽象的概念具象化、直觀化，并與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合，賦予課堂知識(shí)以生動(dòng)性、形象性，激起學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣。最后，案例教學(xué)具有極強(qiáng)的可操作性和實(shí)踐性，教師選擇結(jié)合實(shí)際的問(wèn)題、內(nèi)容豐富的案例進(jìn)行教學(xué)，不僅能深化學(xué)生對(duì)理論的認(rèn)知和理解，還能使學(xué)生在課堂上接觸并學(xué)習(xí)到社會(huì)實(shí)際問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)從理論到實(shí)踐的轉(zhuǎn)化。而反觀傳統(tǒng)的教學(xué)，它只告訴學(xué)生相關(guān)的理論知識(shí)，課堂乏味無(wú)趣，而且其內(nèi)容在實(shí)踐中可能不實(shí)用，影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。 2案例教學(xué)的設(shè)計(jì)和實(shí)施 2.1知識(shí)點(diǎn)及其案例設(shè)計(jì)。筆者在

6、我國(guó)大型計(jì)算機(jī)企業(yè)工作二十多年，通過(guò)與學(xué)生交流和咨詢，對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行分析、歸納并與工程實(shí)踐結(jié)合，設(shè)計(jì)了十幾個(gè)類型案例，這些案例設(shè)計(jì)考慮了趣味性、生動(dòng)性和可操作性，貼近學(xué)生，并緊扣知識(shí)點(diǎn)，在表1中給出了三個(gè)案例作為示例。2.2案例教學(xué)的執(zhí)行過(guò)程。教師在案例執(zhí)行過(guò)程中扮演者設(shè)計(jì)者和激勵(lì)者的角色，好的案例設(shè)計(jì)本身就可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。案列教學(xué)執(zhí)行過(guò)程包括了設(shè)計(jì)案例、講解案例、引申拓展案例以及反饋和改進(jìn)等四個(gè)環(huán)節(jié)，如圖1所示，這些環(huán)節(jié)它們構(gòu)成閉環(huán)反饋，通過(guò)迭代方式逐步改進(jìn)案例，以取得最佳教學(xué)效果。精心設(shè)計(jì)案例教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容選擇合適的案例，好的案例事半功倍。所以案例要與教學(xué)目標(biāo)相吻合，學(xué)生易于接受和認(rèn)

7、同。對(duì)于計(jì)算機(jī)組成原理課程，大部分學(xué)生對(duì)電腦都感興趣，但他們對(duì)計(jì)算機(jī)的認(rèn)識(shí)常常僅停留在表面上，那么我們就以身邊熟悉的事情入手，這樣更容易讓學(xué)生感到親切并引發(fā)興趣。以第1個(gè)案例為例，電腦U盤幾乎人人都有，而為其他人購(gòu)買U盤這件事情又常常發(fā)生，利用這個(gè)案例設(shè)計(jì)，讓學(xué)生感受到課本上的知識(shí)就在身邊。計(jì)算機(jī)組成原理與多門課程緊密相關(guān)，在案例2中，我們展示本課程枯燥的知識(shí)點(diǎn)如何給前導(dǎo)課程C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)帶來(lái)支撐的。IT行業(yè)發(fā)展迅猛，相關(guān)新聞更是占據(jù)頭條位置，非常吸引年輕學(xué)生眼球。在案例3中，我們以最近的熱點(diǎn)新聞一種流行的計(jì)算機(jī)病毒（勒索病毒）為例，“投其所好”，吸引學(xué)生的興趣，讓學(xué)生感受用課程基礎(chǔ)知識(shí)是如何

8、來(lái)完美解釋病毒核心加密功能的。討論講解案例和引申拓展案例在案例講解中，教師作為主導(dǎo)，學(xué)生作為主體。教師鼓勵(lì)學(xué)生開(kāi)闊思路，積極發(fā)言，并主動(dòng)回答其他學(xué)生的問(wèn)題，使學(xué)生獲得成就感，增強(qiáng)自信心。同時(shí)對(duì)學(xué)生提出的問(wèn)題，進(jìn)行指導(dǎo)、調(diào)控、激勵(lì)、點(diǎn)撥，從而提高教學(xué)質(zhì)量和效率。案例拓展是案例講解的深化，提出需要學(xué)生繼續(xù)深入思考的問(wèn)題，或者就此問(wèn)題，觸類旁通，將知識(shí)點(diǎn)串起來(lái)進(jìn)行小結(jié)，是案例講解的升華。舉例來(lái)說(shuō)，在案例1中學(xué)生了解到U盤就是采用FlashRom材料的存儲(chǔ)器，在之前一道課后習(xí)題中，考查電可改寫存儲(chǔ)器的概念，大部分學(xué)生都沒(méi)有選FlashRom。究其原因，是為字母縮寫Rom所困惑，Rom是只讀存儲(chǔ)器的英文

9、縮寫，所以他們望文生義，這個(gè)“不準(zhǔn)確”的縮寫與存儲(chǔ)器發(fā)展歷史有關(guān)，學(xué)生知道了自己經(jīng)常保存文件的U盤就屬于這種存儲(chǔ)器，這樣他們才完整地了解了電可改寫存儲(chǔ)器的概念，并且記憶深刻。案例1并沒(méi)有止步于此，在接下來(lái)的案例拓展中，還會(huì)提到存儲(chǔ)器名稱與其發(fā)展歷程相關(guān)的RAM存儲(chǔ)器，即隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，通過(guò)引入早期的磁帶存儲(chǔ)器，學(xué)生明白了“隨機(jī)”二字的真正含義。再進(jìn)一步拓展，根據(jù)學(xué)生查閱的資料中有關(guān)評(píng)測(cè)的文章，由于U盤采用的工藝材料不同，讀寫時(shí)間相差很大，最后體現(xiàn)為價(jià)格差異。他們又認(rèn)識(shí)到，存儲(chǔ)器讀寫時(shí)間指標(biāo)非常重要，如果不關(guān)心這個(gè)指標(biāo)，買U盤的時(shí)候就容易“上當(dāng)”，而這個(gè)指標(biāo)正是后續(xù)課程要講述的內(nèi)容，當(dāng)學(xué)生了解到

10、知識(shí)點(diǎn)連貫性和系統(tǒng)性，他們的學(xué)習(xí)目標(biāo)也就“水到渠成”了。邏輯運(yùn)算是重要的知識(shí)點(diǎn)，涉及多種邏輯運(yùn)算規(guī)則，相比邏輯與，或和非運(yùn)算，異或運(yùn)算規(guī)則顯得更加抽象，學(xué)生很難理解為什么要有這樣的運(yùn)算規(guī)則。如果學(xué)生明白了它的“廣大神通”，就容易接受和掌握，為此設(shè)計(jì)了案例3。在案例3中，選取了近期新聞熱點(diǎn)勒索病毒作為案例，并以其加密原理作為起點(diǎn)。由于該病毒已被殺毒軟件廠商分析和制服，所以在網(wǎng)上可以容易找到公開(kāi)的病毒加密方法，其原理是將一個(gè)指定的二進(jìn)制數(shù)（稱為“密鑰”）與用戶文件做異或運(yùn)算，然后用運(yùn)算結(jié)果文件替換掉原始文件，用戶打開(kāi)時(shí)就會(huì)呈現(xiàn)亂碼。在用戶付費(fèi)后，病毒制作者，只需將這個(gè)“密鑰”與加密后的文件再次做異

11、或運(yùn)算，就恢復(fù)出了原始文件。在這個(gè)案例分析之后，學(xué)生對(duì)異或運(yùn)算的“神奇功能”有了深刻的認(rèn)識(shí)，學(xué)生感嘆原來(lái)“異或”這個(gè)小小的邏輯運(yùn)算“功力”如此大。進(jìn)一步的拓展，可以向?qū)W生介紹，這種基于“異或”的加密方式在密碼學(xué)上稱為“流密碼加密”，并廣泛應(yīng)用中網(wǎng)絡(luò)傳輸中，但實(shí)際應(yīng)用中多“密鑰”也被做過(guò)多重加密，防止被盜竊。從而讓學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程有所“期待”。還可以進(jìn)行實(shí)用性方面拓展，讓學(xué)生利用學(xué)習(xí)過(guò)的C語(yǔ)言做簡(jiǎn)單的文件加密工具，既有趣，又激發(fā)他們編程創(chuàng)意的熱情。反饋改進(jìn)案例精選的案例設(shè)計(jì)，精辟的案例講解，精彩的案例拓展，能夠激發(fā)學(xué)生的好奇心、探索性、想象力及創(chuàng)造個(gè)性，他們更愿意參加到案例中，一方面對(duì)案例執(zhí)

12、行過(guò)程和結(jié)論提出自己意見(jiàn)和看法，另一方反饋?zhàn)约涸谑褂秒娔X和智能手機(jī)中遇到的種種硬件問(wèn)題。這時(shí)，教師要熱情面對(duì)學(xué)生的提問(wèn)，汲取好的建議，并且將學(xué)生新提出的與課程有關(guān)的問(wèn)題或困惑匯編到案例集中，形成良性循環(huán)，真正做到“以教師為中心”向“以學(xué)生為中心”轉(zhuǎn)變。 3結(jié)束語(yǔ) 在計(jì)算機(jī)原理課程中引入案例教學(xué)法進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，并經(jīng)過(guò)兩屆學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，達(dá)到了教學(xué)目標(biāo)，取得了良好的教學(xué)效果。精選的好案例可以給學(xué)生留下深刻印象，貼近生活的案例，讓抽象的硬件概念變得更加具象化；學(xué)科關(guān)聯(lián)案例，使學(xué)生理解學(xué)好該課程的重要性；而接近工程實(shí)踐的案例，讓學(xué)生開(kāi)闊了眼界，增加了學(xué)習(xí)興趣。而案例教學(xué)實(shí)施過(guò)程中增加了師生互動(dòng)，活躍了課堂氣氛。各個(gè)學(xué)科都有自己的經(jīng)典案例，案例教學(xué)具有普遍適用性，其優(yōu)勢(shì)是有