計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)的研究論文
0引言
計(jì)算機(jī)組成原理作為計(jì)算機(jī)專業(yè)的一門(mén)核心課程，在教學(xué)計(jì)劃中占據(jù)非常重要的位置。各高校都在積極地從教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容等方面開(kāi)展教學(xué)研究，例如，吳繼娟等提出了問(wèn)題驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法，馮月華等提出了構(gòu)建知識(shí)框架方法等，都取得了不錯(cuò)的效果。近幾年，濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院根據(jù)社會(huì)需求和自身發(fā)展實(shí)際，在建設(shè)好傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的基礎(chǔ)上，增設(shè)了軟件外包方向和物聯(lián)網(wǎng)方向，與相關(guān)企業(yè)合作辦學(xué)。學(xué)校按照人才培養(yǎng)的要求，制定了不同的培養(yǎng)方案，計(jì)算機(jī)組成原理是培養(yǎng)方案中重要課程之一，因而需要進(jìn)行更深入地教學(xué)研究。
1教學(xué)現(xiàn)狀與存在的問(wèn)題
目前教學(xué)中存在一下幾個(gè)主要問(wèn)題。
1)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理課程的重視程度不夠。大部分學(xué)生了解課程地位和目標(biāo)，但只有58%的學(xué)生喜歡學(xué)習(xí)本課程，將來(lái)愿意從事硬件方向工作的學(xué)生比例更是低到17%。學(xué)習(xí)目的偏向于考研，沒(méi)有理解課程的真正價(jià)值。
2)課程知識(shí)點(diǎn)及概念沒(méi)能熟練掌握。約有30%的學(xué)生沒(méi)能真正掌握課程的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，即計(jì)算機(jī)運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備及輸出設(shè)備5大部件的工作原理，無(wú)法形成整機(jī)概念。
3)現(xiàn)行教學(xué)方法和手段相對(duì)單一，對(duì)枯燥、抽象的內(nèi)容缺乏必要的整理或推理，學(xué)生感覺(jué)有些“丈二和尚摸不著頭腦”。
4)教學(xué)效果不理想。主要表現(xiàn)在總考評(píng)成績(jī)和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)上，特別是校企合作辦學(xué)專業(yè)方向的學(xué)生成績(jī)總體有所下降。
2問(wèn)題成因探析
2.1課程自身理論性較強(qiáng)
課程教學(xué)內(nèi)容主要是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中五大部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組織方式、基本原理及運(yùn)行機(jī)制。由于具體內(nèi)容是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的內(nèi)容，涉及的部件都是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最底層并且全部進(jìn)行了模塊化的集成封裝，無(wú)法看到內(nèi)部實(shí)際的結(jié)構(gòu)，知識(shí)非常抽象，使得學(xué)生總是感覺(jué)朦朦朧朧，似懂非懂。
2.2課程知識(shí)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)不清晰
部分學(xué)生學(xué)習(xí)思路不清晰，沒(méi)有抓住主線，存在“腳踩西瓜皮，滑到哪里是哪里”的情況，甚至參加考研的學(xué)生也是對(duì)照考綱采取“題海戰(zhàn)術(shù)”一味做題，沒(méi)有對(duì)所學(xué)知識(shí)及時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)歸納，知識(shí)點(diǎn)散亂，無(wú)法形成知識(shí)主線或知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。
2.3課程間知識(shí)體系不夠系統(tǒng)
計(jì)算機(jī)專業(yè)課程知識(shí)體系是一個(gè)龐大的網(wǎng)絡(luò)體系。目前，在硬件課程間，乃至軟硬件課程間的教學(xué)結(jié)合還存在一定的趨同性、盲目性和孤立性，課程間知識(shí)結(jié)構(gòu)缺乏完整性和系統(tǒng)性。部分教師也是“鐵路警察，各管一段”，教學(xué)中沒(méi)能有效解決好先導(dǎo)課、后繼課及平行課之間知識(shí)點(diǎn)的銜接問(wèn)題，出現(xiàn)了知識(shí)內(nèi)容不完整、知識(shí)點(diǎn)交叉重復(fù)等問(wèn)題。比如，存儲(chǔ)器擴(kuò)展用到的`“譯碼器”，有的同學(xué)竟然不知道已在“數(shù)字電路”中學(xué)完;本課程與“操作系統(tǒng)”在“存儲(chǔ)器”部分有交叉重復(fù)，與“計(jì)算機(jī)接口技術(shù)”在“中斷系統(tǒng)”部分交叉重復(fù)等情況。這種知識(shí)點(diǎn)遺漏、重復(fù)的情況，使學(xué)生不能系統(tǒng)完整地構(gòu)建課程知識(shí)體系，更不能真正理解計(jì)算機(jī)各部件工作原理和協(xié)同運(yùn)行機(jī)制。
2.4實(shí)踐教學(xué)效果不明顯
雖然在實(shí)踐教學(xué)中周密設(shè)置了實(shí)驗(yàn)課和課程設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，但是，學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)沒(méi)有很好地理清實(shí)驗(yàn)內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)性，也不能很好地與理論知識(shí)做到無(wú)縫連接，很多零亂的知識(shí)點(diǎn)沒(méi)能很好地貫穿起來(lái)，出現(xiàn)了“見(jiàn)木不見(jiàn)林”的情況。另外，實(shí)驗(yàn)本身較差的直觀性和可視性，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的畏懼感，挫傷了積極性，實(shí)踐教學(xué)效果不盡人意。
3課程教學(xué)改革實(shí)施方案
3.1本體思想下課程教學(xué)改革的可行性
近幾年，哲學(xué)中“本體論”這一概念，成為知識(shí)工程的研究熱點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中也得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。“本體”作為一種知識(shí)表示方式，可以捕獲相關(guān)領(lǐng)域的知識(shí)，表示知識(shí)的概念及概念間的關(guān)系，通過(guò)這些關(guān)系來(lái)描述概念語(yǔ)義，能清楚表示知識(shí)、概念的層次結(jié)構(gòu)和內(nèi)在關(guān)系。依照這一思想，如果用“本體”來(lái)表示計(jì)算機(jī)的課程知識(shí)，既可以將課程知識(shí)精確定義的概念及概念間關(guān)系清晰明白展現(xiàn)出來(lái)，也可以對(duì)課程體系結(jié)構(gòu)形成強(qiáng)大的邏輯推理能力，有利于促進(jìn)課程教學(xué)。計(jì)算機(jī)組成原理作為一門(mén)知識(shí)點(diǎn)多、概念抽象、邏輯性強(qiáng)的課程，如采用本體思想進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)施，可以有效提升教學(xué)效果。
3.2構(gòu)建課程教學(xué)本體
3.2.1課程教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)
合理的教學(xué)設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，這種教學(xué)設(shè)計(jì)以學(xué)生為主體，對(duì)一門(mén)課程、一個(gè)知識(shí)單元或一節(jié)課進(jìn)行設(shè)計(jì)。該教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)包含本體論的教學(xué)思想和課程領(lǐng)域知識(shí)本體構(gòu)建，并把教學(xué)對(duì)象、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)策略、教學(xué)評(píng)價(jià)等要素進(jìn)行了有機(jī)整合，使教師和學(xué)生清楚自己在整個(gè)課程教學(xué)中擔(dān)當(dāng)?shù)慕巧�，教學(xué)過(guò)程有了一定的系統(tǒng)性、科學(xué)性以及完整性。
3.2.2課程領(lǐng)域知識(shí)本體構(gòu)建
構(gòu)建和利用課程領(lǐng)域知識(shí)本體是本體思想視角下課程教學(xué)改革非常重要的環(huán)節(jié)。通過(guò)構(gòu)建課程本體，可以實(shí)現(xiàn)將文本、音視頻、PPT、網(wǎng)絡(luò)資源庫(kù)等多種課程資源向知識(shí)本體層映射，充分挖掘課程知識(shí)點(diǎn)之間蘊(yùn)涵的關(guān)聯(lián)關(guān)系，便于學(xué)生學(xué)習(xí)。計(jì)算機(jī)組成原理課程教材知識(shí)也是按傳統(tǒng)知識(shí)組織方式編排，分為章、節(jié)、小節(jié)、知識(shí)點(diǎn)、知識(shí)點(diǎn)項(xiàng)等。筆者參照白中英主編的《計(jì)算機(jī)組成原理》，利用“課程本體的構(gòu)建方法”，構(gòu)建完善課程領(lǐng)域知識(shí)本體。
首先，按計(jì)算機(jī)專業(yè)課程體系，參照教材內(nèi)容的組織形式從“專業(yè)課程”到“知識(shí)點(diǎn)項(xiàng)”劃出層次，對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行收集和分析，合理選取相關(guān)書(shū)籍、精品網(wǎng)站及已有課程領(lǐng)域知識(shí)本體等作為知識(shí)源。然后，以“課程知識(shí)、篇章(模塊)知識(shí)、節(jié)知識(shí)、知識(shí)點(diǎn)”的模式，形成層次對(duì)應(yīng)關(guān)系，再確定各核心知識(shí)點(diǎn)，細(xì)化提取類本體概念詞。以第五章“中央處理器”為例，按照教材內(nèi)容組織和中央處理器的運(yùn)行機(jī)制，提取了相關(guān)知識(shí)點(diǎn)及部分概念詞。
例如，在知識(shí)點(diǎn)“指令周期”的基本概念下有“CPU周期”“時(shí)鐘周期”等知識(shí)點(diǎn)項(xiàng)，并對(duì)應(yīng)了類本體概念詞，進(jìn)而確定概念之間、知識(shí)點(diǎn)與知識(shí)點(diǎn)項(xiàng)、知識(shí)點(diǎn)與概念詞以及知識(shí)點(diǎn)項(xiàng)與概念詞之間的關(guān)系(蘊(yùn)含、依賴、兄弟、平行、同義、參考等關(guān)系)。
最后，根據(jù)定義的層次結(jié)構(gòu)和關(guān)系模型，采用“自上而下”和“自下而上”相結(jié)合方式，把知識(shí)點(diǎn)項(xiàng)、知識(shí)點(diǎn)以及它們之間的關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化組織，逐步建立起課程領(lǐng)域知識(shí)本體。
4在教學(xué)過(guò)程中的實(shí)施應(yīng)用
4.1優(yōu)化組織教學(xué)內(nèi)容
利用構(gòu)建的課程知識(shí)領(lǐng)域本體，采用模塊化的方法組織教學(xué)。計(jì)算機(jī)的每個(gè)主要部件都看作一個(gè)“黑匣子”，自頂向下、由表及里、從整體到局部逐步展開(kāi)，對(duì)每個(gè)部件所涉及的基本概念、工作原理再按“自底向上”的思路來(lái)講解。例如，在學(xué)習(xí)“中央處理器”部件時(shí)，按照課程領(lǐng)域知識(shí)本體確定的知識(shí)點(diǎn)、知識(shí)點(diǎn)項(xiàng)以及對(duì)應(yīng)的類本體概念詞，學(xué)生可以了解到當(dāng)前“中央處理器”的構(gòu)成，包括運(yùn)算器、控制器、Cache 3部分，控制器又分為組合邏輯控制器、微程序控制器兩種類型，CPU運(yùn)行還需要指令系統(tǒng)配合等;掌握了指令周期、CPU周期、時(shí)鐘周期等基本概念，并理清了它們之間的關(guān)系。這就使學(xué)生更系統(tǒng)、更清楚地掌握“中央處理器”部件所涉及的知識(shí)點(diǎn)，理解其運(yùn)行機(jī)制。
4.2有效形成課程知識(shí)體系學(xué)習(xí)
假設(shè)以“中央處理器”為基點(diǎn)，參照知識(shí)點(diǎn)關(guān)系，可以形成中央處理器、控制器、微程序控制器、微程序、微指令，中央處理器、存儲(chǔ)器、Cache存儲(chǔ)器、主存與Cache的地址映射、直接映射等多種學(xué)習(xí)路徑。同時(shí)，還可以根據(jù)不同的教學(xué)要求，對(duì)單元知識(shí)所蘊(yùn)含的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行添加、刪除，甚至修改。比如，在軟件外包方向的教學(xué)中，刪除了存儲(chǔ)器中“虛擬存儲(chǔ)器”和中央處理器中“流水CPU”等部分內(nèi)容。課程教學(xué)不是孤立的，知識(shí)點(diǎn)會(huì)與其他課程有些重疊和交叉，借助這些知識(shí)點(diǎn)，對(duì)本課程知識(shí)體系進(jìn)行了拓展，可以形成較大、較完整課程知識(shí)體系結(jié)構(gòu)。
4.3合理運(yùn)用多種教學(xué)方法
教學(xué)有法，但無(wú)定法。筆者在教學(xué)中采用了啟發(fā)式、討論式、研究式、自學(xué)式等多種教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與教學(xué)活動(dòng)，充分發(fā)揮學(xué)生主體作用。當(dāng)然，針對(duì)像“浮點(diǎn)數(shù)”等理論性較強(qiáng)的知識(shí)，也沒(méi)有摒棄傳統(tǒng)的“填鴨式”的教學(xué)方法，課堂上就采用“滿堂灌”的方式進(jìn)行推導(dǎo)。
5課程教學(xué)改革的效果
5.1學(xué)生成績(jī)有了明顯提升
對(duì)比近幾年學(xué)生成績(jī)發(fā)現(xiàn)，采用“本體思想”進(jìn)行教學(xué)的2012級(jí)學(xué)生成績(jī)有明顯提升，特別是校企合作辦學(xué)的軟件外包和物聯(lián)網(wǎng)方向的學(xué)生理論考試成績(jī)平均提高了12分，成績(jī)基本呈正態(tài)分布，不及格率下降了26%。實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)的效果也明顯提升。
5.2靈活生成了多種學(xué)習(xí)路徑
根據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)，結(jié)合自己對(duì)知識(shí)掌握的情況，學(xué)生可以靈活對(duì)知識(shí)點(diǎn)項(xiàng)、知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行組合，理清知識(shí)點(diǎn)間關(guān)系脈絡(luò)，生成不同層次的學(xué)習(xí)路徑，方便自主學(xué)習(xí)。
5.3優(yōu)化整合了專業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容
對(duì)專業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化整合，有效融合了先導(dǎo)后繼課程、平行課程的知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生能清晰地掌握課程知識(shí)脈絡(luò)，構(gòu)建知識(shí)鏈及知識(shí)體系網(wǎng)絡(luò)。
6結(jié)語(yǔ)
基于本體論的教學(xué)實(shí)踐取得了較好的教學(xué)效果。如何推進(jìn)教學(xué)改革縱深發(fā)展，是我們下一步工作的重點(diǎn)。
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