新工科背景下的“计算机组成原理”多元化教学模式研究

贾惠珍， 王同罕， 王 强， 赵美丽， 赵 丹

(东华理工大学，江西 南昌 330013)

为提高教学效果，各任课教师根据教学实际所出现的问题提出了很多教学改革的方法[1-10]。现结合东华理工大学软件学院的实际情况，在认真分析目前教学中所面临问题的基础上，从教学内容、教学方法、教学手段和实践教学等方面提出一种多元教学模式。

1 教学中所面临的问题

东华理工大学软件学院是为适应我国经济结构战略性调整以及软件产业发展对人才的迫切需要于2002年创办的。坚持以面向需求、创新创业、质量第一为根本宗旨，实行“专业教育学分制、素质教学学苑式、产学研一体化”的办学模式，具有自己的办学特色，其课程设置和教学要求亦有别于其他工科类院校。从“计算机组成原理”课程来看，该课程存在着其他高校教学中普遍存在的“学生难学，老师难教”的现象，究其原因主要有以下几点。

1.1 理论性强，基本概念抽象，涉及知识面广，信息量大

本课程主要以冯·诺依曼计算机为基础，围绕运算器—存储器—控制器—输入设备—输出设备五大硬件设备展开讲解其构成及工作原理，知识点涉及面广，内容相对抽象。比如讲述CPU(中央处理器)这一章，先介绍CPU的功能及内部构成，然后讲述如何取指令并执行指令，这些均需要学生具有一定硬件基础，熟悉CPU内部的各寄存器与运算器控制器的连接关系以及CPU与存储器的连接，才能听懂指令的执行过程。

1.2 先导课程的基础薄弱

数字逻辑设计是计算机组成原理最为重要的先导课程，但由于软件学院定位是主要培养软件方面人才偏重于软件学习，因此对模拟电路、数字逻辑等硬件课程没有设置。而所选择白中英主编的《计算机组成原理》里面涉及较多的先导硬件知识，导致学生看不懂、理解不透进而畏学。

1.3 传统实验教学问题层出不穷

软件学院实验教学是采用唐都仪器实验箱，实验主要通过连接线操作，由于实验箱电路由通用集成电路组成，因此硬件动作是不可见的，导致理论教学中使用的电路与实验教学中的电路不能直接对应。又由于实验仪器元件老化、损坏以及连接线接触不良等问题，导致实验成功率不高。同时由于实验箱的功能难以扩展，实验内容相对比较固定且大部分是验证性实验，无法进行有创新性或综合性较强的设计性实验，所有这些问题导致学生很难通过实验环节来加深对理论知识的理解[1，2]。

1.4 学生学习积极性不高

由于就业需求大部分是软件方面，导致学生“重软轻硬”，又由于计算机系统日益专业化、复杂化，故一般的技术人员很少涉及底层硬件的研究和设计，导致学生认为学计算机组成原理作用不大。同时随着游戏机、电脑、手机等电子产品的广泛普及，导致学生沉迷于游戏、网络交流，进而上课注意力不集中，私下玩手机、打游戏甚至逃课现象严重。

1.5 学生消化课堂内容的时间不够充裕

由于软件学院实行大四全年进行校外实习，所有的课程均在三年内学完，学生每学期所学课目较多，导致所学的知识没有充裕的时间来消化，进而使得教学效果不佳。

2 教学改革

结合教学过程中所面临的问题和课程特色及目标，提出一种多元化教学模式，拟在教学内容、教学方法、教学手段以及实践教学等方面进行改革。

2.1 教学内容知识融合

(1)精选教材。白中英主编的《计算机组成原理》和唐朔飞主编的《计算机组成原理》教材均是“十二五”规划教材，是全国计算机专业硕士研究生入学考试规定教材。选择教学内容跟得上当今形势，反映最新发展动态和最新技术知识的优秀教材作为课程教材。

(2)注重内容更新。根据计算机发展的最新趋势，适当补充当前最新技术的发展情况和新型元器件的介绍，以提高学生的兴趣，让学生既学习理论知识，又开阔视野。

(3)注重课程交叉。数字逻辑是计算机原理的先导课程，是硬件设备赖以工作的基础，因此在开授“计算机组成原理”之前先补授数字逻辑基础知识，以加强学生对硬件理解。操作系统是在计算机硬件的基础上管理软件和硬件的系统软件，使用户方便高效可靠的操纵计算机，计算机的硬件系统在设计层面上为操作系统提供了支持，因此在讲授时可以穿插一些操作系统知识。教学中注重多课程知识融合，通过各学科在教学内容、知识背景、实践应用等方面相互交叉渗透，使学生感知新知识，进而培养他们的创新精神和实践能力。

2.2 教学方法的多样化

兴趣是推动学生学习的内在驱动力。激发学生学习该课程的兴趣，能够使他们在一定程度上自觉认真地学习[5]，然后根据具体内容灵活地采用不同的教学方法来提高教学质量[6，8，9]。

(1) 启发式教学法。 启发式教学，就是根据教学目的、内容、学生的知识水平和知识规律，运用各种教学手段，采用启发诱导办法传授知识、培养能力，使学生积极主动学习，以促进身心发展。由于该门课程的知识相对比较抽象枯燥，故学生在学习的时候会感觉难懂。因此，在讲授的时采用此法主要通过比喻、实例以及基本常识，启发学生去体会计算机的工作过程及相关原理，教师进行总结升华，进而达到较好的教学效果。

(2)实例化教学。实例化教学，通过具体的实例讲解和制作进而达到知识教学的目的，此种教学方法能简化教学实施过程，提高教育直观性。例如，在讲授机器码及IEEE 754标准存储格式时，先讲授编码原理，然后通过板书详细演示一个十进制数据在计算机中如何进行存储，从而加深对基本概念和原理的理解。

(3)归纳总结法。归纳总结法是将零散的知识点进行分类归纳形成一个有条理、逻辑清晰的课程体系，便于学生掌握和记忆。让学生清楚章内各知识点的逻辑关系，章与章之间的联系，进而强化学生的知识体系。

(4)习题检测法。习题检测法主要利用典型的习题练习的形式来了解学生对基本理论知识的掌握情况进而检测教学效果。针对本门课程，将比较抽象的基本原理设计成习题，以课堂练习或课后作业的形式进行布置，然后通过批改作业来掌握学生对习题的完成情况，进而及时发现教学中所存在的问题，最后通过习题讲解来指出问题所在，对易错的知识点进行重点讲解来纠正学生对知识的错误理解，进而达到良好教学效果。

2.3 融合教学手段

(1)传统的教学手段。传统教学手段是“黑板+粉笔”，其优点是教师边讲边写，容易和学生形成互动，而学生在做笔记的过程中也能加深对所学内容的理解。然而由于“计算机组成原理”主要讲述的是计算机的各个组成及各组成的工作原理，内容相对抽象，单纯采用板书讲解仅仅利用文字、语言描述将使知识显得枯燥无味。

(2)多媒体教学。利用PowerPoint、Flash和屏幕录像专家等多媒体开发软件自行设计教学课件和教学录像，采用投影仪或其他设备通过幻动片的方式来投影到大屏幕上，然后根据教学内容进行针对性的讲解。此种方法能将枯燥复杂的难点、重点知识利用语音、图像、视频、动画等方式把高度抽象的工作原理直观生动地显示，以弥补传统教学手段的不足，充分调动学生的积极性，进而增强学生的学习效果。

(3)利用互联网进行线上教学。随着互联网的普及，大量的互联网资源涌现，如在线课程“慕课”开放。这些课程大多数是碎片化的知识点，是一组可扩充的、形式多样的内容集合，内容是由相关领域专家、教育家、学科教师提供[4]，不受时间空间限制。因此，可以鼓励学生利用这些资源进行课下学习，起到加深理解及查漏补缺的作用。另外，利用互联网上的资源采用翻转课堂教学模式，让学生在课下先自学，课堂上答疑引导探究，以调动学生学习的主动性。与此同时，建立“计算机组成原理”QQ群，实现线上的随时答疑，增加学生与老师之间的互动交流。

每种教学手段都有其优点，在教学的过程中，采用多种教学手段相融合的方式，达到学生乐学爱学的效果。

2.4 利用传统实验和虚拟实验相结合进行实践教学

(1)传统实验，就是在固定的实验室利用模型仪器通过连线进行实验，进而加深理解原理性的知识。此种方法形象直观，能培养学生的严谨性。但由于硬件动作的不可见性以及存在实验仪器元件老化、损坏以及连接线接触不良等问题，导致实验透明度不高，成功率不高，并受时间空间的限制。另外，这些实验大部分是功能验证性，不能激发学生的创造性。

(2)虚拟实验，就是通过虚拟现实技术来再现计算机的运算原理、存储原理、指令的执行过程。此种方法不受时空限制，不需在实验室完成，不需实验仪器，但要投入较大的资金来设计一个虚拟实验室系统。

采用传统实验和虚拟实验相结合的方式来进行实践教学，在实验内容安排上应从简单到复杂，由局部到整体，由个人实验到小组实验、实验初期进行验证实验，随后安排一些设计性的实验，使学生将理论和实践紧密联系，达到对计算机各功能组件原理有更直观、更深入的理解和掌握。进而提高学生设计方面的素质和能力，从而取得较好的教学效果[1，2]。

3 结语

本文在分析软件学院“计算机组成原理”教学所面临的主要问题基础上，主要从教学内容、教学方法、教学手段、实践教学等方面提出一种多元化教学模式[11]。经过近两年的教学实践，学生成绩得到大幅度的提高，动手实践能力得到显著增强，整体教学质量得到明显的提升。由于虚拟实验室需要大量的资金和人力才能完成，目前还处在设计阶段。在今后的工作中，教学团队将其逐渐完善，以提高教学质量和教学水平为立足点，以培养全面发展的高级应用型人才为目标，进一步推动教育教学改革。