计算机组成原理课程案例教学设计与实践

李志刚

摘  要： 在计算机组成原理课程中引入案例教学法进行教学设计和教学实践。考虑课程特点和普遍存在的问题，引入案例教学法，构建案例教学执行流程的四个环节，并具体描述各环节实施方法。案例教学法增加了课堂互动，激发学生的积极性和主动性，教学效果改善明显。

关键词： 案例教学; 计算机组成原理; 教学设计; 教学实践

中图分类号：G642.0          文献标识码：A  文章编号：1006-8228（2020）10-107-03

Abstract： The case teaching method is introduced into the course of “Principles of Computer Organization” for teaching design and teaching practice. According to the characteristics and the problems of the course， the case teaching method is introduced for teaching design. Four sectors of the execution process of case teaching are constructed， and the implementation methods of each sector are described in detail. The case teaching method increases classroom interaction， stimulates students' enthusiasm and initiative， and improves teaching effect significantly.

Key words： case teaching method; principles of computer organization; teaching design; teaching practice

0 引言

计算机组成原理是计算机专业的核心课程，技术性强，应用范围广，在整个计算机课程体系中起着承上启下的作用。学生通过本课程的学习，掌握计算机硬件系统各部件的内部结构和工作原理，掌握计算机硬件系统的基本分析和设计方法，为后续学习硬件课程或软硬件结合的课程打下良好基础。然而，由于硬件概念和原理的非直观性，给学生学习和教师教学都带来较大挑战。课程知识点大多抽象、散乱，又与其他课程相关知识紧密相关，如果学生像学习其他软件课程那样学习，教学中方法又以填鸭式灌输为主，就会产生不良的教学效果[1-5]。

⑴ 入门难度大，概念抽象，梯度较陡

现代大学生接触计算机较早，所以起初学生往往带着极大的兴趣和信心投入到课程的学习中。但随着知识点密集地展开，硬件的抽象性表现出来，学生往往会感到课堂内容枯燥无味，没有了吸引力，再加上对硬件的操作又很难产生与软件运行一样的直观效果，无法在课后及时通过实践的方法对理论知识进行消化和再认识，大部分学生产生了“喜欢软件，害怕硬件”的心理。

⑵ 知识点散乱，与其他课程联系紧密

课程涉及的概念多、单英文缩写词多，而且很多概念命名带有历史发展的痕迹，例如RAM称为随机存储器，如果不清楚存储器的发展过程，对“随机”概念就无法彻底理解。同一个概念因为涉及的计算机硬件部件不同，其解释也略微不同，例如在串行通信中有“异步”的概念，在动态存储器的刷新中有“异步”的概念，在总线的控制中也有“异步”的概念[6-7]等。

课程中的“寄存器堆栈”和“存储器堆栈”与数据结构课程关系紧密，而“缓冲器”，“三态”等概念与数字电路课程关系紧密，指令系统中的“寻址方式”与汇编语言程序设计关系紧密，中央处理器中“状态字”在明白基本编译原理后才容易理解。

⑶ 实验环节相对较弱，课堂师生互动偏少

课程的实验课多是几个章节的验证性实验，实验内容也无法覆盖所有的知识点，学生很难将不懂的问题通过实验及时得到解决，有些学生甚至觉得实验课没有什么用处。

1 案例教學特点和优势

上述的问题给该课程的学习和教学都带来很大困难和挑战。然而课程的应用性强的特点却为采用案例教学法（case method）实施提供了可行性和便利性。

案例教学法由哈佛大学商学院首创，是一种开放式、互动式的新型教学方式，以案例作为一种教学工具，以学生为中心，通过对实际问题的研究、分析和探讨，得出结论的过程，越来越受到中外教育工作者的欢迎，近年来在各个学科的教学中得到广泛应用[8-11]。

案例教学的特点是目的性强。首先，通过案例教学法的实施（设计、分析与讲解），能使学生深刻领会学习目标，掌握相关知识和技能，案例教学法更看重培养学生实际操作和应用能力。其次，案例教学具有生动性，将复杂的理论和抽象的概念具象化、直观化，并与实际应用结合，赋予课堂知识以生动性、形象性，激起学生对理论知识的学习兴趣。最后，案例教学具有极强的可操作性和实践性，教师选择结合实际的问题、内容丰富的案例进行教学，不仅能深化学生对理论的认知和理解，还能使学生在课堂上接触并学习到社会实际问题，实现从理论到实践的转化 。而反观传统的教学，它只告诉学生相关的理论知识，课堂乏味无趣，而且其内容在实践中可能不实用，影响学生的学习效果。

2 案例教学的设计和实施

2.1 知识点及其案例设计

笔者在我国大型计算机企业工作二十多年，通过与学生交流和咨询，对知识点进行分析、归纳并与工程实践结合，设计了十几个类型案例，这些案例设计考虑了趣味性、生动性和可操作性，贴近学生，并紧扣知识点，在表1中给出了三个案例作为示例。

2.2 案例教学的执行过程

教师在案例执行过程中扮演者设计者和激励者的角色，好的案例设计本身就可以调动学生的积极性。案列教学执行过程包括了设计案例、讲解案例、引申拓展案例以及反馈和改进等四个环节，如图1所示，这些环节它们构成闭环反馈，通过迭代方式逐步改进案例，以取得最佳教学效果。

⑴ 精心设计案例

教师根据教学内容选择合适的案例，好的案例事半功倍。所以案例要与教学目标相吻合，学生易于接受和认同。对于计算机组成原理课程，大部分学生对电脑都感兴趣，但他们对计算机的认识常常仅停留在表面上，那么我们就以身边熟悉的事情入手，这样更容易让学生感到亲切并引发兴趣。以第1个案例为例，电脑U盘几乎人人都有，而为其他人购买U盘这件事情又常常发生，利用这个案例设计，让学生感受到课本上的知识就在身边。

计算机组成原理与多门课程紧密相关，在案例2中，我们展示本课程枯燥的知识点如何给前导课程C语言程序设计带来支撑的。

IT行业发展迅猛， 相关新闻更是占据头条位置，非常吸引年轻学生眼球。在案例3中，我们以最近的热点新闻——一种流行的计算机病毒（勒索病毒）为例，“投其所好”，吸引学生的兴趣，让学生感受用课程基础知识是如何来完美解释病毒核心加密功能的。

⑵ 讨论讲解案例和引申拓展案例

在案例讲解中，教师作为主导，学生作为主体。教师鼓励学生开阔思路，积极发言，并主动回答其他学生的问题，使学生获得成就感，增强自信心。同时对学生提出的问题，进行指导、调控、激励、点拨，从而提高教学质量和效率。

案例拓展是案例讲解的深化，提出需要学生继续深入思考的问题，或者就此问题，触类旁通，将知识点串起来进行小结，是案例讲解的升华。

举例来说，在案例1中学生了解到U盘就是采用Flash Rom材料的存储器，在之前一道课后习题中，考查电可改写存储器的概念，大部分学生都没有选Flash Rom。究其原因，是为字母缩写Rom所困惑，Rom是只读存储器的英文缩写，所以他们望文生义，这个“不准确”的缩写与存储器发展历史有关，学生知道了自己经常保存文件的U盘就属于这种存储器，这样他们才完整地了解了电可改写存储器的概念，并且记忆深刻。

案例1并没有止步于此，在接下来的案例拓展中，还会提到存储器名称与其发展历程相关的RAM存储器，即随机存取存储器，通过引入早期的磁带存储器，学生明白了“随机”二字的真正含义。再进一步拓展，根据学生查阅的资料中有关评测的文章，由于U盘采用的工艺材料不同，读写时间相差很大，最后体现为价格差异。他们又认识到，存储器读写时间指标非常重要，如果不关心这个指标，买U盘的时候就容易“上当”，而这个指标正是后续课程要讲述的内容，当学生了解到知识点连贯性和系统性，他们的学习目标也就“水到渠成”了。

逻辑运算是重要的知识点，涉及多种逻辑运算规则，相比逻辑与，或和非运算，异或运算规则显得更加抽象，学生很难理解为什么要有这样的运算规则。如果学生明白了它的“广大神通”，就容易接受和掌握，为此设计了案例3。在案例3中，选取了近期新闻热点——勒索病毒作为案例，并以其加密原理作为起点。由于该病毒已被杀毒软件厂商分析和制服，所以在网上可以容易找到公开的病毒加密方法，其原理是将一个指定的二进制数（称为“密钥”）与用户文件做异或运算，然后用运算结果文件替换掉原始文件，用户打开时就会呈现乱码。在用户付费后，病毒制作者，只需将这个“密钥”与加密后的文件再次做异或运算，就恢复出了原始文件。在这个案例分析之后，学生对异或运算的“神奇功能”有了深刻的认识，学生感叹原来“异或”这个小小的逻辑运算“功力”如此大。进一步的拓展，可以向学生介绍，这种基于“异或”的加密方式在密码学上称为“流密码加密”，并广泛应用中网络传输中，但实际应用中多“密钥”也被做过多重加密，防止被盗窃。从而让学生对计算机网络课程有所“期待”。还可以进行实用性方面拓展，让学生利用学习过的C语言做简单的文件加密工具，既有趣，又激发他们编程创意的热情。

⑶ 反馈改进案例

精选的案例设计，精辟的案例讲解，精彩的案例拓展，能够激发学生的好奇心、探索性、想象力及创造个性，他们更愿意参加到案例中，一方面对案例执行过程和结论提出自己意见和看法，另一方反馈自己在使用电脑和智能手机中遇到的种种硬件问题。这时，教师要热情面对学生的提问，汲取好的建议，并且将学生新提出的与课程有关的问题或困惑汇编到案例集中，形成良性循环，真正做到“以教师为中心”向“以学生为中心”转变。

3 结束语

在计算机原理课程中引入案例教学法进行教学设计，并经过两届学生的教学实践活动，达到了教学目标，取得了良好的教学效果。精选的好案例可以给学生留下深刻印象，贴近生活的案例，让抽象的硬件概念变得更加具象化;学科关联案例，使学生理解学好该课程的重要性;而接近工程实践的案例，让学生开阔了眼界，增加了学习兴趣。而案例教学实施过程中增加了师生互动，活跃了课堂气氛。各个学科都有自己的经典案例，案例教学具有普遍适用性，其优势是有利于“以教师为中心”向“以学生为中心”转变，具有广阔的应用前景。进一步，可以尝试将案例教学法同其他教学方法结合使用，例如，在案例中采用翻转课堂法，鼓励学生主动提出问题并进行讨论;还可以將思政元素引入案例，让案例教学承担课程思政任务等。

参考文献（References）：

[1] 李济生.计算机组成原理课程的教学方法研究[J].北京交通大学本科教学研究论文集（2015）上册.北京交通大学出版社，2016.

[2] 胡晓婷，王树梅，任世锦.提高计算机组成原理课程教学效果的途径与方法[J].计算机教育，2011.22：97-100

[3] 王金样.启发式教学在计算机组成原理教学中的应用[J].科技信息，2011.3：286-287

[4] 曲大鹏，薛建生，范铁生.启发式教学法在“计算机系统结构”教学中的应用[J].辽宁大学学报（自然科学版），2010.37（3）：218-220

[5] 王若成.“任务驱动”教学模式在“计算机组成原理”课程中的应用研究[J].电脑知识与技术，2010.6（14）：3802-3804

[6] 陈泽宇.计算机组成原理与系统结构[M].清华大学出版社，2008.

[7] 白英中，戴志涛，赖晓铮等.计算机组成原理第五版立体化教材[M].科学出版社，2013.

[8] 李卫东.案例教学在多元统计分析课程中的应用[J].北京交通大学本科教学研究论文集（2015）下册.北京交通大学出版社，2016.4：850-852

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[10] 刘琳，丁琨.案例教学在多元统计分析课程中的应用研究[J].农业与技术，2009.6：129-131

[11] INR. Case study research： design and methods [M].Thousand Oaks， Calif： Sagc Publications，2003：3-6