計算機組成原理案例教學設計研究

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摘要：在計算機組成原理課程中引入案例教學法進行教學設計和教學實踐?？紤]課程特點和普遍存在的問題，引入案例教學法，構建案例教學執行流程的四個環節，并具體描述各環節實施方法。案例教學法增加了課堂互動，激發學生的積極性和主動性，教學效果改善明顯。

關鍵詞：案例教學；計算機組成原理；教學設計；教學實踐

計算機組成原理是計算機專業的核心課程，技術性強，應用范圍廣，在整個計算機課程體系中起著承上啟下的作用。學生通過本課程的學習，掌握計算機硬件系統各部件的內部結構和工作原理，掌握計算機硬件系統的基本分析和設計方法，為后續學習硬件課程或軟硬件結合的課程打下良好基礎。然而,由于硬件概念和原理的非直觀性，給學生學習和教師教學都帶來較大挑戰。課程知識點大多抽象、散亂，又與其他課程相關知識緊密相關，如果學生像學習其他軟件課程那樣學習，教學中方法又以填鴨式灌輸為主，就會產生不良的教學效果[1-5]。⑴入門難度大，概念抽象，梯度較陡現代大學生接觸計算機較早，所以起初學生往往帶著極大的興趣和信心投入到課程的學習中。但隨著知識點密集地展開，硬件的抽象性表現出來，學生往往會感到課堂內容枯燥無味，沒有了吸引力，再加上對硬件的操作又很難產生與軟件運行一樣的直觀效果，無法在課后及時通過實踐的方法對理論知識進行消化和再認識，大部分學生產生了“喜歡軟件，害怕硬件”的心理。⑵知識點散亂，與其他課程聯系緊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展的痕跡，例如RAM稱為隨機存儲器，如果不清楚存儲器的發展過程，對“隨機”概念就無法徹底理解。同一個概念因為涉及的計算機硬件部件不同，其解釋也略微不同，例如在串行通信中有“異步”的概念，在動態存儲器的刷新中有“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“寄存器堆棧”和“存儲器堆?！迸c數據結構課程關系緊密，而“緩沖器”，“三態”等概念與數字電路課程關系緊密，指令系統中的“尋址方式”與匯編語言程序設計關系緊密，中央處理器中“狀態字”在明白基本編譯原理后才容易理解。⑶實驗環節相對較弱，課堂師生互動偏少課程的實驗課多是幾個章節的驗證性實驗，實驗內容也無法覆蓋所有的知識點，學生很難將不懂的問題通過實驗及時得到解決，有些學生甚至覺得實驗課沒有什么用處。

1案例教學特點和優勢

上述的問題給該課程的學習和教學都帶來很大困難和挑戰。然而課程的應用性強的特點卻為采用案例教學法（casemethod）實施提供了可行性和便利性。案例教學法由哈佛大學商學院首創，是一種開放式、互動式的新型教學方式，以案例作為一種教學工具，以學生為中心，通過對實際問題的研究、分析和探討，得出結論的過程，越來越受到中外教育工作者的歡迎，近年來在各個學科的教學中得到廣泛應用[8-11]。案例教學的特點是目的性強。首先，通過案例教學法的實施（設計、分析與講解），能使學生深刻領會學習目標，掌握相關知識和技能，案例教學法更看重培養學生實際操作和應用能力。其次，案例教學具有生動性，將復雜的理論和抽象的概念具象化、直觀化，并與實際應用結合，賦予課堂知識以生動性、形象性，激起學生對理論知識的學習興趣。最后，案例教學具有極強的可操作性和實踐性，教師選擇結合實際的問題、內容豐富的案例進行教學，不僅能深化學生對理論的認知和理解，還能使學生在課堂上接觸并學習到社會實際問題，實現從理論到實踐的轉化。而反觀傳統的教學，它只告訴學生相關的理論知識，課堂乏味無趣，而且其內容在實踐中可能不實用，影響學生的學習效果。

2案例教學的設計和實施

2.1知識點及其案例設計。筆者在我國大型計算機企業工作二十多年，通過與學生交流和咨詢，對知識點進行分析、歸納并與工程實踐結合，設計了十幾個類型案例，這些案例設計考慮了趣味性、生動性和可操作性，貼近學生，并緊扣知識點，在表1中給出了三個案例作為示例。2.2案例教學的執行過程。教師在案例執行過程中扮演者設計者和激勵者的角色，好的案例設計本身就可以調動學生的積極性。案列教學執行過程包括了設計案例、講解案例、引申拓展案例以及反饋和改進等四個環節，如圖1所示，這些環節它們構成閉環反饋，通過迭代方式逐步改進案例，以取得最佳教學效果。⑴精心設計案例教師根據教學內容選擇合適的案例，好的案例事半功倍。所以案例要與教學目標相吻合，學生易于接受和認同。對于計算機組成原理課程，大部分學生對電腦都感興趣，但他們對計算機的認識常常僅停留在表面上，那么我們就以身邊熟悉的事情入手，這樣更容易讓學生感到親切并引發興趣。以第1個案例為例，電腦U盤幾乎人人都有，而為其他人購買U盤這件事情又常常發生，利用這個案例設計，讓學生感受到課本上的知識就在身邊。計算機組成原理與多門課程緊密相關，在案例2中，我們展示本課程枯燥的知識點如何給前導課程C語言程序設計帶來支撐的。IT行業發展迅猛，相關新聞更是占據頭條位置，非常吸引年輕學生眼球。在案例3中，我們以最近的熱點新聞——一種流行的計算機病毒（勒索病毒）為例，“投其所好”，吸引學生的興趣，讓學生感受用課程基礎知識是如何來完美解釋病毒核心加密功能的。⑵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，學生作為主體。教師鼓勵學生開闊思路，積極發言，并主動回答其他學生的問題，使學生獲得成就感，增強自信心。同時對學生提出的問題，進行指導、調控、激勵、點撥，從而提高教學質量和效率。案例拓展是案例講解的深化，提出需要學生繼續深入思考的問題，或者就此問題，觸類旁通，將知識點串起來進行小結，是案例講解的升華。舉例來說，在案例1中學生了解到U盤就是采用FlashRom材料的存儲器，在之前一道課后習題中，考查電可改寫存儲器的概念，大部分學生都沒有選FlashRom。究其原因，是為字母縮寫Rom所困惑，Rom是只讀存儲器的英文縮寫，所以他們望文生義，這個“不準確”的縮寫與存儲器發展歷史有關，學生知道了自己經常保存文件的U盤就屬于這種存儲器，這樣他們才完整地了解了電可改寫存儲器的概念，并且記憶深刻。案例1并沒有止步于此，在接下來的案例拓展中，還會提到存儲器名稱與其發展歷程相關的RAM存儲器，即隨機存取存儲器，通過引入早期的磁帶存儲器，學生明白了“隨機”二字的真正含義。再進一步拓展，根據學生查閱的資料中有關評測的文章，由于U盤采用的工藝材料不同，讀寫時間相差很大，最后體現為價格差異。他們又認識到，存儲器讀寫時間指標非常重要，如果不關心這個指標，買U盤的時候就容易“上當”，而這個指標正是后續課程要講述的內容，當學生了解到知識點連貫性和系統性，他們的學習目標也就“水到渠成”了。邏輯運算是重要的知識點，涉及多種邏輯運算規則，相比邏輯與，或和非運算，異或運算規則顯得更加抽象，學生很難理解為什么要有這樣的運算規則。如果學生明白了它的“廣大神通”，就容易接受和掌握，為此設計了案例3。在案例3中，選取了近期新聞熱點——勒索病毒作為案例，并以其加密原理作為起點。由于該病毒已被殺毒軟件廠商分析和制服，所以在網上可以容易找到公開的病毒加密方法，其原理是將一個指定的二進制數（稱為“密鑰”）與用戶文件做異或運算，然后用運算結果文件替換掉原始文件，用戶打開時就會呈現亂碼。在用戶付費后，病毒制作者，只需將這個“密鑰”與加密后的文件再次做異或運算，就恢復出了原始文件。在這個案例分析之后，學生對異或運算的“神奇功能”有了深刻的認識，學生感嘆原來“異或”這個小小的邏輯運算“功力”如此大。進一步的拓展，可以向學生介紹，這種基于“異或”的加密方式在密碼學上稱為“流密碼加密”，并廣泛應用中網絡傳輸中，但實際應用中多“密鑰”也被做過多重加密，防止被盜竊。從而讓學生對計算機網絡課程有所“期待”。還可以進行實用性方面拓展，讓學生利用學習過的C語言做簡單的文件加密工具，既有趣，又激發他們編程創意的熱情。⑶反饋改進案例精選的案例設計，精辟的案例講解，精彩的案例拓展，能夠激發學生的好奇心、探索性、想象力及創造個性，他們更愿意參加到案例中，一方面對案例執行過程和結論提出自己意見和看法，另一方反饋自己在使用電腦和智能手機中遇到的種種硬件問題。這時，教師要熱情面對學生的提問，汲取好的建議，并且將學生新提出的與課程有關的問題或困惑匯編到案例集中，形成良性循環，真正做到“以教師為中心”向“以學生為中心”轉變。

3結束語

在計算機原理課程中引入案例教學法進行教學設計，并經過兩屆學生的教學實踐活動，達到了教學目標，取得了良好的教學效果。精選的好案例可以給學生留下深刻印象，貼近生活的案例，讓抽象的硬件概念變得更加具象化；學科關聯案例，使學生理解學好該課程的重要性；而接近工程實踐的案例，讓學生開闊了眼界，增加了學習興趣。而案例教學實施過程中增加了師生互動，活躍了課堂氣氛。各個學科都有自己的經典案例，案例教學具有普遍適用性，其優勢是有利于“以教師為中心”向“以學生為中心”轉變，具有廣闊的應用前景。進一步，可以嘗試將案例教學法同其他教學方法結合使用，例如，在案例中采用翻轉課堂法，鼓勵學生主動提出問題并進行討論；還可以將思政元素引入案例，讓案例教學承擔課程思政任務等。

作者:李志剛 單位:北京郵電大學世紀學院計算機科學與技術系