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摘要:提出將計(jì)算機(jī)組成原理課程理論知識(shí)學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)相融合的課程實(shí)踐教學(xué)方案,通過(guò)師資一體化由任課教師全程承擔(dān)理論課、實(shí)驗(yàn)課、課程設(shè)計(jì)教學(xué)任務(wù),將計(jì)算機(jī)組成部件工作原理及技術(shù)實(shí)現(xiàn)融合于實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容中,使課程理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度融合,逐步培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用課程理論知識(shí)設(shè)計(jì)與其相關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?有效提高學(xué)生理解、掌握計(jì)算機(jī)硬件組成理論知識(shí)并運(yùn)用相關(guān)知識(shí)解決綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題的能力,提升學(xué)生運(yùn)用知識(shí)和解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的培養(yǎng),有助于課程教學(xué)目標(biāo)達(dá)成。

關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī)組成原理課程;理論與實(shí)驗(yàn)融合教學(xué);動(dòng)手能力培養(yǎng)

“計(jì)算機(jī)組成原理”是一門著重介紹計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)及其組成部件相互協(xié)調(diào)工作原理知識(shí)的計(jì)算機(jī)類專業(yè)核心課程,其教學(xué)內(nèi)容抽象,理論性和實(shí)踐性強(qiáng),在計(jì)算機(jī)類專業(yè)課程知識(shí)體系中具有承上啟下的重要作用,在教學(xué)實(shí)踐中受到廣泛關(guān)注[1-2]。目前,隨著工程教育認(rèn)證和新工科建設(shè)在計(jì)算機(jī)類專業(yè)建設(shè)中的持續(xù)推進(jìn),必將推動(dòng)“計(jì)算機(jī)組成原理”課程相關(guān)教學(xué)內(nèi)容深入改革和實(shí)踐。培養(yǎng)學(xué)生具有解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力是目前工程教育認(rèn)證和新工科人才培養(yǎng)的重點(diǎn)要求之一,也是“計(jì)算機(jī)組成原理”課程教學(xué)實(shí)踐中重點(diǎn)探討和解決的關(guān)鍵問(wèn)題,其關(guān)鍵在于課程教學(xué)實(shí)踐中如何讓學(xué)生理解和掌握理論基礎(chǔ)知識(shí),并在此基礎(chǔ)上,如何合理運(yùn)用理論知識(shí)解決工程實(shí)踐問(wèn)題,達(dá)到學(xué)以致用的目的。目前,國(guó)內(nèi)大多高校探索“計(jì)算機(jī)組成原理”課程培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題能力的基本思路就是將其培養(yǎng)能力分解于教學(xué)目標(biāo)子目標(biāo)和相關(guān)畢業(yè)達(dá)成目標(biāo)中,通過(guò)相關(guān)教學(xué)實(shí)踐達(dá)到培養(yǎng)目的。然而,目前研究常常忽略在教學(xué)實(shí)踐中一些重要教學(xué)環(huán)節(jié),就是如何制定有效、合理的課程教學(xué)內(nèi)容、并將其如何在教學(xué)實(shí)踐中有效達(dá)成,這對(duì)于實(shí)現(xiàn)相關(guān)教學(xué)目標(biāo)和畢業(yè)要求尤為重要。目前,“計(jì)算機(jī)組成原理”課程教學(xué)實(shí)踐設(shè)置為理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩個(gè)環(huán)節(jié),旨在綜合提升學(xué)生理解和掌握課程理論知識(shí)和實(shí)踐動(dòng)手能力。事實(shí)上,在目前教學(xué)實(shí)踐中,理論授課教學(xué)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐不匹配,常常表現(xiàn)為重理論、輕實(shí)驗(yàn),大多課程教師更傾斜于從理論上培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題能力,注重理論教學(xué),忽視實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決復(fù)雜問(wèn)題能力,未能體現(xiàn)課程理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容高度融合,實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容單一,僅讓學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)置的計(jì)算機(jī)組成部件模型,按照實(shí)驗(yàn)講義按部就班地完成一些簡(jiǎn)單模型驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),缺乏綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),使學(xué)生難以深入理解計(jì)算機(jī)各組成部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其相互邏輯關(guān)系在計(jì)算機(jī)整機(jī)模型的工作過(guò)程和原理[3-4],難以綜合體現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的實(shí)際能力,也難以體現(xiàn)和滿足計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的課程畢業(yè)要求達(dá)成度[5-6]。就教學(xué)實(shí)踐而言,“計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)”教學(xué)是課程理論教學(xué)的高度體現(xiàn),對(duì)于學(xué)生理解和掌握課程理論知識(shí)及應(yīng)用極其重要。如何將“計(jì)算機(jī)組成原理理論”教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容高度融合,是當(dāng)前“計(jì)算機(jī)組成原理”課程教學(xué)改革的一個(gè)重要關(guān)鍵環(huán)節(jié),也是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的關(guān)鍵所在。為此,基于福建師范大學(xué)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心等教學(xué)資源,我們探索了通過(guò)計(jì)算機(jī)組成原理課程理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容相融合來(lái)培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的教學(xué)改革,其基本思路:基于計(jì)算機(jī)組成原理知識(shí)結(jié)構(gòu)整體規(guī)劃,以課程基本理論為點(diǎn),課程內(nèi)容為線,理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相融合為面來(lái)構(gòu)建“計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)”教學(xué)模式,著重突出計(jì)算機(jī)組成原理內(nèi)在結(jié)構(gòu)知識(shí)教學(xué)內(nèi)容銜接性、理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容銜接性,便于學(xué)生從理論到實(shí)踐對(duì)計(jì)算機(jī)組成系統(tǒng)內(nèi)在工作原理知識(shí)有一個(gè)完整的認(rèn)知,達(dá)到學(xué)以致用的教學(xué)目的[7-9]。

1課程理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容相融合

從理論上講,計(jì)算機(jī)組成原理屬于計(jì)算機(jī)硬件相關(guān)知識(shí)體系,其課程教學(xué)內(nèi)容著重于計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)各功能組成部件的工作原理、組成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、相互連接方式,以及相應(yīng)的邏輯實(shí)現(xiàn)方法。與此同時(shí),實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)內(nèi)容對(duì)應(yīng)于理論教學(xué)內(nèi)容,兩者融合設(shè)計(jì),通過(guò)實(shí)現(xiàn)相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),使學(xué)生對(duì)理論課的知識(shí)有更深刻的理解,理解程序在計(jì)算機(jī)中的執(zhí)行過(guò)程,理解計(jì)算機(jī)單處理機(jī)系統(tǒng)的組成原理和工作原理,理解計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)各組成部分的邏輯實(shí)現(xiàn)方法及互連成整機(jī)的技術(shù),牢固建立計(jì)算機(jī)的整機(jī)概念。培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考能力以及綜合應(yīng)用能力。為了突出理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容銜接性和融合性,我們將課程理論知識(shí)點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容相對(duì)應(yīng),便于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中理解和掌握理論知識(shí)在工程背景中的應(yīng)用性,其對(duì)應(yīng)情況如表1所示。通過(guò)課程理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容深度融合,有助于學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)組成的基本原理和基本方法。特別是,通過(guò)將計(jì)算機(jī)組成部件工作原理及技術(shù)實(shí)現(xiàn)融合于實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容中,逐步培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)組成原理知識(shí)實(shí)現(xiàn)綜合設(shè)計(jì)能力,為提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力提供知識(shí)支撐[10-12]。

2理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐相融合

在課程教學(xué)實(shí)踐中,我們采用理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相融合的優(yōu)化教學(xué)組織方式,旨在利用有限的教學(xué)課時(shí)完成表1所制定的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,以期獲得較好的教學(xué)效果。在教學(xué)方案制定中,我們將理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)融合于教學(xué)目標(biāo)中,也就是,理論教學(xué)中融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,實(shí)驗(yàn)教學(xué)體現(xiàn)理論教學(xué)內(nèi)容,在理論課堂上,教師可將計(jì)算機(jī)組成理論知識(shí)點(diǎn)融合于實(shí)驗(yàn)教學(xué)相關(guān)模塊和模型的設(shè)計(jì),不僅有助于理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有機(jī)融合,也有助于學(xué)生更好地完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)并能及時(shí)理解其內(nèi)部工作原理,可有效改善傳統(tǒng)的“計(jì)算機(jī)組成原理”課程教學(xué)形式和效果。通常在相關(guān)理論課后,教師根據(jù)理論授課內(nèi)容給學(xué)生布置與運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器等模塊相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)大作業(yè),學(xué)生可根據(jù)所掌握和理解的計(jì)算機(jī)組成邏輯關(guān)系等理論知識(shí)完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),并通過(guò)相關(guān)理論和數(shù)據(jù)分析,有效理解計(jì)算機(jī)組成理論知識(shí)及其工作原理,有效改善傳統(tǒng)教學(xué)理論課后布置課后習(xí)題難以理解課程知識(shí)點(diǎn)等不足,更重要的是,可將相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)大作業(yè)作為實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告,有效提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。此外,理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐相融合,有助于在有限的授課時(shí)間內(nèi),完整綜合體現(xiàn)計(jì)算機(jī)組成原理與實(shí)驗(yàn)過(guò)程的相關(guān)性,使學(xué)生從理論到實(shí)驗(yàn)對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理有一個(gè)完整的認(rèn)知過(guò)程,特別是對(duì)于學(xué)生實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)模型綜合拓展設(shè)計(jì)至關(guān)重要。我們知道,讓學(xué)生自主實(shí)現(xiàn)以CPU為主體的計(jì)算機(jī)組成系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì),是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)重要內(nèi)容,有助于學(xué)生準(zhǔn)確理解計(jì)算機(jī)硬件組成系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算功能的知識(shí)內(nèi)涵。另外,在教學(xué)實(shí)踐中,教師在計(jì)算機(jī)整機(jī)模型理論知識(shí)基礎(chǔ)上,將一些工程背景相關(guān)的故障診斷與排除納入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中,注重培養(yǎng)學(xué)生分析解決問(wèn)題的能力、工程實(shí)踐能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐融合指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)整體模型的指令系統(tǒng),構(gòu)建控制器與存儲(chǔ)器、運(yùn)算器邏輯關(guān)系,使學(xué)生理解程序、微程序、指令、微指令在計(jì)算機(jī)各組成部件自動(dòng)運(yùn)行工作的原理和作用。讓學(xué)生真正體會(huì)到由計(jì)算機(jī)組成系統(tǒng)從局部到整體、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的層次感,可優(yōu)化整合教學(xué)實(shí)踐中計(jì)算機(jī)組成原理各組成部件間知識(shí)銜接,達(dá)到理論與理論課程教學(xué)內(nèi)容的銜接、理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容上的銜接,綜合體現(xiàn)計(jì)算機(jī)組成原理理論知識(shí)與其實(shí)現(xiàn)過(guò)程相關(guān)性,使學(xué)生建立完整計(jì)算機(jī)知識(shí)體系的認(rèn)知結(jié)構(gòu),達(dá)到學(xué)以致用的效果[8-9,12]。

3理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)融合達(dá)成評(píng)價(jià)

在教學(xué)實(shí)踐中,我們制定了與計(jì)算機(jī)組成原理課程理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)融合相關(guān)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告,來(lái)綜合客觀評(píng)價(jià)課程理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)融合的教學(xué)效果,如表2所示,在所制定的實(shí)驗(yàn)報(bào)告中,充分考慮理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容融合的緊密度和關(guān)聯(lián)性,將實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與課程教學(xué)中的知識(shí)點(diǎn)相結(jié)合,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要提供開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)的理論教學(xué)知識(shí)點(diǎn)支撐依據(jù),有助于培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中積極自主思考、自主學(xué)習(xí)、完善理論和實(shí)踐相結(jié)合的能力。在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力的同時(shí),也提高學(xué)生理解和掌握利用計(jì)算機(jī)硬件組成系統(tǒng)的基本工作原理和技術(shù)方法分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力,為學(xué)生今后解決復(fù)雜工程問(wèn)題提供計(jì)算機(jī)相關(guān)知識(shí)儲(chǔ)備和能力培養(yǎng)求[8-9]。

4結(jié)語(yǔ)

目前,鑒于福建師范大學(xué)每學(xué)期16個(gè)教學(xué)周,每周實(shí)驗(yàn)課2課時(shí)的實(shí)際情況,我們制定7個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(4個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、2個(gè)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、1個(gè)拓展性實(shí)驗(yàn)),教學(xué)實(shí)踐中師資一體化,任課教師全程承擔(dān)課程理論課、實(shí)驗(yàn)課和課程設(shè)計(jì)教學(xué)任務(wù),利于理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度融合,使教師授課時(shí)更加清晰如何合理銜接相關(guān)課程的理論與理論、理論與實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容知識(shí)點(diǎn),優(yōu)化課程教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容,完善課程大綱和課程內(nèi)容,改進(jìn)教學(xué)方法,優(yōu)化考核方式和課程評(píng)價(jià),使學(xué)生從理論到實(shí)踐對(duì)“計(jì)算機(jī)組成原理”課程有一個(gè)完整的認(rèn)知過(guò)程,有效提高學(xué)生分析問(wèn)題和實(shí)際動(dòng)手能力,為培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)組成原理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力、獨(dú)立分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力和創(chuàng)新能力奠定基礎(chǔ)。更重要的是,針對(duì)課程所對(duì)應(yīng)的畢業(yè)要求達(dá)成可持續(xù)改進(jìn),學(xué)生在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中能夠運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)分析問(wèn)題和數(shù)據(jù)處理、理解和掌握計(jì)算機(jī)組成器件內(nèi)在的邏輯架構(gòu)關(guān)系,通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)找到解決問(wèn)題的技術(shù)方案,有助于學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)組成系統(tǒng)相關(guān)基本理論知識(shí)和技術(shù)手段解決復(fù)雜工程問(wèn)題,有力推動(dòng)“計(jì)算機(jī)組成原理”課程的教學(xué)改革。

作者:吳建寧 單位:福建師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院