基于Blending—Learning的“计算机组成原理”

柏静 陈莉 孙建彬 苏强强

摘要：针对计算机组成原理课程教学特点，分析传统教学存在的问题，提出采用。Blending-Learning理念的分层次教学模式和教学方法，阐述如何通过B/S架构的辅助教学系统，将传统的以教师为中心的教学和学生的自主学习融为一体：激发学生兴趣，获得最佳的学习效果。

关键词：计算机组成原理；Blending-Learning；分层次教学；虚拟实验

背景

计算机组成原理是高等学校计算机专业及相关专业的核心课程之一，也是非计算机专业的学生掌握计算机技术的一门专业选修课程。该课程的主要目的是让学生全面地了解计算机硬件系统，熟悉计算机的工作原理，掌握系统中各大部件的组成原理、逻辑实现、设计方法及互联构成整机的技术，培养学生对硬件系统的分析、设计、开发、使用和维护方面的能力。

近年来，伴随着信息技术的发展，个人计算机、PAD、手机成为每位学生的必备生活用品，各类教育者为增强学生的课余学习热情，将“课堂教学—课后作业”的传统课堂教学模式逐渐发展成为“在线自主学习—课堂教学—在线作业一延伸学习”的现代混合式教学模式。其中，如何针对课程特点，展示课程特色，充分发挥学生的学习自主性和能动性，是混合式教学模式的关键所在。因此，笔者针对该课程的基本概念较多、理论性强、比较抽象以及在部分高校缺乏实验课程等特点，提出采用Blending-Learning理念的分层次教学模式和灵活多样的教学方法，主张通过交流、协作进行学习和探索，以课上基础理论教学为主，通过B/S架构的辅助教学系统，课下根据不同的层次自主学习为辅，一方面可以提高学生的学习主动性，锻炼学习能力：另一方面可以增强教学的实效性。

2Blending-Learning下的分层次教学

Blending-Learning是课上与课下、线上与线下的有机结合，因此教师在构建计算机组成原理混合式教学平台时，首先应该考虑施教的主体一学生的具体情况。根据学生的学习兴趣和掌握基础的不同，可以划分为4个层次——基础较差的学生、中等学生、优秀学生和考研的学生，对这4个层次分别展开教学。教师在课上讲授该课程时，根据不同的层次开展教学，而课后学生根据老师课堂上的不同要求进行在线自主学习。

对于基础较差的学生，由于各种原因，这类学生往往对于课上讲授的内容不能理解的很透彻，需要通过课上及时补充所缺少的知识结构或者课后交流来弥补。比如，在讲授运算器的工作原理时，教师可以快速复习一下数字逻辑电路中关于加法器的结构和原理；讲授主存芯片和CPU的连接时，也会对译码器的工作过程作简单的回顾。课后再要求这部分学生对相关课程的基础内容进行复习，尽量融汇计算机学科的其他课程知识。在作业的布置上，主要是强调基础知识的训练，以必做题为主；因为必做题都是授课中最重要、最基本的内容，是必须完成的作业部分。另外，再布置一些变换思维的选做题，要求这部分学生尽其所能去理解；而提高题是专门针对优秀学生的能力培养素材，一般超出了课程教学要求的内容；所以就不做具体的要求。

优秀的学生对授课内容能主动学习，并且由于基础好、理解能力也较强。在这个层次的教学安排，教师通过给这些学生额外再提出一些要求和建议，布置一些提高的作业题，比如让学生分析高级语言的数据类型在机器中的实际表示和存储，进一步引导学生思考如何合理使用高级语言数据类型。再如，分析计算机中高速缓冲存储器的影响时，进一步引导学生思考如何让程序有更好的空间局部性和时间局部性，使学生意识到改进程序效率的方法不仅仅是算法的效率，程序代码一样是重要的。教师还可以要求学生从网上搜索或者阅读参考书来了解一些最新的技术等，比如CPU多核等。

中等的学生介于以上两者之间。教师除了在课上强调对重点知识进行预习、复习之外，还可以在作业的布置上通过必做题来巩固这类学生所学的知识，通过理解选做题和了解提高题来提升知识。

该课程一般是开设在大三的下学期，学生们经过两年多的大学生活和学习，已经对自己的学习目的，就业设想和规划有了比较清楚的认识；有一部分学生有计划进入到研究生阶段的学习，而该课程是计算机考研统考的课程之一；所以这个层次的教学安排，除了在课上按照教学大纲的要求完成教学以外，教师还可以根据考研大纲制作重点知识分析的课件；按照计算机组成结构课程的考试大纲，收集大量的参考书中的习题、历年各个重点高校的考研真题，以及最近几年计算机考研统考电的真题。教师把这些资料提供给考研的学生，并在学期末找课外的时间进行统一的指导和典型考题的讲解；并通过课后交流的方式进行基础较差学生的指导。

3多样化的教学方法

在该课程的课上教学中，教师可以充分发挥多媒体这一广泛使用的教学手段，以便通过实物照片、结构原理图和文字信息等，生动、形象地将计算机各部件组成的基本概念和工作原理阐述清楚。在此基础生教师还可以通过设计与开发计算机系统工作的仿真与动画软件，将学生不易理解的复杂、抽象的问题简单化、形象化。例如，笔者所在的教师团队用Flash软件设计了Cache工作过程的小动画，通过该动画，学生可以形象、直观地看到Cache内部的地址映射机构、替换机构和总线等器件是如何交互工作，实现不需要任何程序员的管理，靠硬件来完成CPU和Cache之间的访问过程。在采用多媒体教学的同时，教师还可以注重采用实例教学、类比教学、启发式教学和对比教学等多种教学方法的灵活应用。

3.1实例教学

例如，在讲述IEEE754标准的浮点数时，通过举例将一个任意数转换为标准浮点数或者反转换，就能使学生明白用高级语言定义的浮点数是如何在计算机中表示的，同时还可以在举例过程中对整数部分和小数部分的进制转换，以及浮点数的表示范围和表示精度进行讲解和归纳，使学生对其他关联的知识点加深印象。所以，上课时通过一些实例，学生能很快地了解和掌握所学的知识点，尤其是对一些计算性很强的知识，还可以掌握其中的一些计算技巧。

3.2类比教学

如果上课时采用类比教学，则能让一些抽象的不容易理解的概念变得生动形象，使学生更容易牢固掌握。例如，在第一章讲解主存储器概述时，涉及一些存储地址、存储单元和存储元件这样的概念，学生可能是第一次接触到，觉得比较抽象也容易混淆。讲解时可将主存储器比作一栋大楼，存储单元对应于楼里的房间，而房间号就比作是存储地址，房间里的床位对应于存储元。这样，一连串的知识概念都可以很形象具体地用类比的方式讲解清楚。

3.3启发式教学

在课上采用启发式教学方法在各个章节提出适当的问题，可以引导学生主动地去学习，例如在讲授指令流水线这一节课前，可以安排学生去思考前面所学的计算机部件中有哪些提高速度的方法，CPU是否可以借用这些方法来提高速度。通过这种方式一方面可以激发学生的学习兴趣，另一方面通过自己思索得到的知识掌握起来也更加印象深刻。

3.4对比教学

在教学中通过进行横向和纵向的知识点对比，可以引导学生将知识点融会贯通。所谓横向，是指通过联系和比较章节与章节之间的内容来实现对知识点的理解。比如在系统总线这一章中介绍了总线的判优方式，而在输入输出系统这一章中要介绍DMA接口与系统的连接方式，而DMA接口是总线的主模块，所以它的连接实际上就是总线判优方式的应用实例。这样学生在对以前知识点回忆的基础上再来掌握新的知识就不难了。所谓纵向，是指通过各章自身内容的对比来理解知识点。比如在计算机的运算方法这一章中，浮点数是一个学习难点。而定点数学生比较容易掌握。但实际上两者是紧密联系的，浮点数就是定点数的一个综合应用，浮点数的阶码就是定点整数，浮点数的尾数就是定点小数，所以以定点数的内容为基础，学生就比较容易地理解浮点数的表示和运算等知识点了。总之，计算机组成原理课程的知识点虽然多，但它们不是孤立存在的，而是之间有着千丝万缕的联系，所以在讲授课程时提醒学生注意，引导学生自己学会联系和比较，这样在学习的过程中就不再觉得枯燥乏味，难以理解了。

4Blending-Learning教学系统

4.1系统框架结构设计

在前面分层次教学模式和教学方法的基础上，笔者所在的教师团队设计开发了一个Blending-Learning.教学系统，见图1。本系统按照教学需求分析，划分为教学模块、虚拟实验模块、信息查询模块和用户信息模块：其中，教学模块是对课程教学的一个补充，包括教学视频和教学课件两个部分。教学视频可以对各个章节的知识点进行补充听课或者预习、复习，教学课件可以用于浏览或者重点查看所学的内容；虚拟实验模块用来模拟实物芯片和各个部件功能的实验过程；用户信息模块可以对用户情况进行管理；信息查询模块可以查询实验项目的相关信息，监督学生的实验情况。

4.2系统实现

本系统基于B/S架构，采用一当前流行的MVC设计模式，和当前技术比较成熟的SSH开源框架来实现。其中，虚拟教学模块由教学视频和教学课件等构成在教学视频上。学生可以按照章节来观看授课视频学习，完成一定的作业，或者下载课件等其他电子资料，并且将疑难问题留言交流。虚拟实验模块由芯片实验、模块实验和综合实验构成，完成从硬件底层对芯片的操作后，可以看到计算机内部的运行方式，然后用芯片组成基本模块单元，从而逐步上升至整个计算机系统，如图2所示。在教学过程中，教师通过建议学生进行虚拟实验来提高开发实践能力，增强学生对硬件系统的感性认识，理解计算机硬件系统中各大部件的组成原理、逻辑实现、设计方法及互连构成整机的技术。

5结语

在计算机组成与结构的教学活动中，通过Blending-Learning理念下的分层次教学、多样化的教学方法和辅助教学系统，既发挥了教师引导、启发、监控教学过程的主导作用，又充分体现了学生作为学习过程主体的主动性、积极性与创造性。在下一步计划中，将根据学生的使用体验和课程学习的评价标准两方面，来进一步完善辅助教学系统，并在小班试点的基础上进行全面推广。