摘要：在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的課程教學(xué)中，引入由卡內(nèi)基?梅隆大學(xué)提出的“Learning-by-doing”這一適用于工程教學(xué)的行之有效的先進(jìn)教學(xué)理念是新教學(xué)模式的一種積極探索。文章圍繞基于“Learning-by-doing”教學(xué)法的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程改革實(shí)施的前期準(zhǔn)備、遇到的問題，具體解決方案等環(huán)節(jié)進(jìn)行了討論和分析。
　　關(guān)鍵詞：Learning-by-doing 教學(xué)模式 教學(xué)實(shí)踐
　　文章編號：1672-5913(2011)18-0023-04 中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
　　“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程是計(jì)算機(jī)及應(yīng)用專業(yè)考試計(jì)劃中的專業(yè)課程，是一門從組織和結(jié)構(gòu)的角度上學(xué)習(xí)、領(lǐng)會計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的課程。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)軟、硬件綜合體。隨著計(jì)算機(jī)軟件的日趨復(fù)雜，以及硬件在功能、性能、集成度、可靠性、價(jià)格上的不斷改進(jìn)，針對不同的應(yīng)用，需要研究如何更好地對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件進(jìn)行功能分配，如何更好、更合理地實(shí)現(xiàn)分配給硬件的那部分功能，使系統(tǒng)有高的性價(jià)比，這是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程學(xué)習(xí)和研究的主要方面，也是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、高層次應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)和系統(tǒng)軟件開發(fā)所必須了解和掌握的基本知識。通過本課程學(xué)習(xí)，學(xué)生能進(jìn)一步樹立和加深對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體概念，熟悉有關(guān)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念、原理，了解常用的基本結(jié)構(gòu)，領(lǐng)會結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思想和方法，提高分析解決問題的能力。同時(shí)，也能了解近十幾年來在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的進(jìn)展和今后發(fā)展的趨勢。本課程是高等工科院校中計(jì)算機(jī)專業(yè)的主干課，通過介紹目前通用的和先進(jìn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來具體闡述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理的各個(gè)側(cè)面，使學(xué)生全面掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本的概念、原理、結(jié)構(gòu)和分析方法。學(xué)生在已經(jīng)t6x+plU9MOpk786Jy5vxQw==學(xué)習(xí)了“計(jì)算機(jī)組成原理”、“計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)”、“匯編語言程序設(shè)計(jì)”、“高級語言程序設(shè)計(jì)”等計(jì)算機(jī)軟件和硬件方面的多門課程之后，通過學(xué)習(xí)“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”這門課程能夠建立完整的計(jì)算機(jī)
　　系統(tǒng)概念，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)有關(guān)專業(yè)課程和日后從事計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作打下基礎(chǔ)，因此在計(jì)算機(jī)專業(yè)的教學(xué)計(jì)劃中占有重要地位和作用。
　　1 現(xiàn)狀分析
　　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)已在國內(nèi)許多高校展開，但是目前的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學(xué)普遍仍停留在以講概念和講原理為主的水平上，不能與新產(chǎn)品和新技術(shù)聯(lián)系在一起，無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和創(chuàng)新意識的實(shí)踐性，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)完后“會背書，不會做”，從而嚴(yán)重影響教學(xué)質(zhì)量，達(dá)不到預(yù)期設(shè)定的教學(xué)目標(biāo)。
　　在微軟亞洲研究院的大力倡導(dǎo)下，本課程擬引入由卡內(nèi)基?梅隆大學(xué)提出的“Learning-by-doing”這一適用于工程教學(xué)的行之有效的先進(jìn)教學(xué)理念，對“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)進(jìn)行改革。
　　“Learning-by-doing”是由美國卡內(nèi)基?梅隆大學(xué)率先提出的一種旨在強(qiáng)化工程學(xué)科學(xué)生全面的實(shí)踐能力和工程素養(yǎng)的教學(xué)模式[1]。其思想精髓是對學(xué)生與教師進(jìn)行角色轉(zhuǎn)變，并充分激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，使學(xué)生真正成為課程的主角，使教師轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生的顧問。
　　這個(gè)改革希望通過“Learning-by-doing”教學(xué)模式來改變當(dāng)前的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的教學(xué)現(xiàn)狀，使同學(xué)們既能夠在學(xué)中做，也能在做中學(xué)，從而達(dá)到好的學(xué)習(xí)效果，增強(qiáng)同學(xué)們的理解和動手能力。筆者下面將具體闡述如何開展課程的教學(xué)改革。
　　2 前期工作
　　“Learning-by-doing”教學(xué)模式的引入需要我們做大量的前期工作，其中包括：
　　1) 強(qiáng)化思想教育，注重學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)。在教學(xué)中，我們需要改變學(xué)生過于依賴課本和老師的現(xiàn)狀，首先要在思想上去啟迪同學(xué)們，灌輸他們發(fā)揮自己創(chuàng)造力的思想，使他們明白不能只停留在書本上的概念和原理的理解，而要最后能完成一個(gè)完整的、甚至有創(chuàng)造性的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。并且在教學(xué)過程中，我們采用微軟MSF先進(jìn)項(xiàng)目組織和管理思想，使學(xué)生在校期間就能形成良好的軟件工程素養(yǎng)和意識，改變他們普遍重視技術(shù)技巧，忽視工程項(xiàng)目過程管理的現(xiàn)狀。
　　2) 重新規(guī)劃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)，降低學(xué)習(xí)門檻。在傳統(tǒng)的以講概念說原理為主的教學(xué)模式中，采用深入淺出的教學(xué)方式和靈活多變的多媒體教學(xué)方法。同時(shí)，對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行改革，增大課程覆蓋的深度和廣度，鼓勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、按需學(xué)習(xí)。
　　在組織教學(xué)內(nèi)容時(shí)盡量繞開硬件細(xì)節(jié)，以較易掌握的硬件部件為突破口，選用學(xué)生很容易接受的計(jì)算機(jī)組成原理(前期課程)教學(xué)設(shè)備入手，以達(dá)到事半功倍的學(xué)習(xí)效果。而且為了切實(shí)落實(shí)“Learning-by- doing”教學(xué)思想，我們?yōu)槊恳环N計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)都設(shè)計(jì)一個(gè)具體的課程項(xiàng)目，以使學(xué)生真正理解和掌握其知識要點(diǎn)與難點(diǎn)，從而使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程真正成為一門學(xué)生看得見摸得著的、實(shí)實(shí)在在的生動課程。
　　3) 保證教學(xué)內(nèi)容具有明顯的前沿性和時(shí)代性。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)日新月異，為了實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容與技術(shù)同步，課程及時(shí)關(guān)注計(jì)算機(jī)科學(xué)方面的核心論文及期刊，及時(shí)把最新的技術(shù)反映到教學(xué)內(nèi)容中，從而長期保持課程的生命力。
　　3 教改實(shí)施
　　本項(xiàng)教改項(xiàng)目實(shí)施的主要目標(biāo)是：在“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的講授過程中，充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體作用，使學(xué)生在全面掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理基礎(chǔ)上，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。
　　此種能力培養(yǎng)的具體實(shí)施則需要從基礎(chǔ)知識、技術(shù)講座、基本技能和項(xiàng)目實(shí)踐四個(gè)方面落實(shí)。
　　對于學(xué)生而言，首先應(yīng)掌握好課本中的基礎(chǔ)知識，形成扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。然后經(jīng)常參加老師組織的各種形式的技術(shù)講座，掌握當(dāng)前計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的動態(tài)，并從整體上把握計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的前沿。最后，積極參加本課程的實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目工作，掌握主流開發(fā)工具和開發(fā)技巧，在做的過程中不斷發(fā)現(xiàn)問題，然后通過與同學(xué)、老師的不斷溝通中去解決問題，從而做到理論指導(dǎo)實(shí)踐，實(shí)踐中更進(jìn)一步理解理論。
　　對于老師而言，首先應(yīng)做好教學(xué)工作，完善原有的多媒體課件。引入聲音、圖像、AVI等多種形式，增強(qiáng)多媒體教學(xué)中的適應(yīng)性、綜合性和趣味性，使教學(xué)媒體多樣化。然后，抓住當(dāng)前技術(shù)前沿，抓住學(xué)生關(guān)心的問題，組織各種形式的技術(shù)講座。第三，作為一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，兼顧理論、重在實(shí)踐。教師在不斷更新最新的國內(nèi)外理論知識的同時(shí)，重視加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容全面上網(wǎng)、實(shí)驗(yàn)過程全程指導(dǎo)。對于學(xué)生循循善誘，講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容深入淺出，并付出十分的耐心。在解決問題的過程中重點(diǎn)教導(dǎo)學(xué)生解決問題的方法和途徑，而不僅僅只是告訴他們當(dāng)前問題的答案。
　　但是，在工作的實(shí)施中會有遇到以下具體困難：
　　1) 內(nèi)容把握及工作量較大。
　　課件內(nèi)容包括教學(xué)大綱所有教學(xué)知識點(diǎn)，以滿足學(xué)科教學(xué)需要，并完整涵蓋教學(xué)目標(biāo)所涉及的內(nèi)容，章節(jié)內(nèi)容的剪裁、取舍以及重點(diǎn)、難點(diǎn)的掌握，是整個(gè)項(xiàng)目的基礎(chǔ)，難度較大。
　　課件需要運(yùn)用豐富的媒體素材，如圖片、聲音、動畫、視頻影像等，工作量較大，且課程內(nèi)容涉及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)組成原理等課程內(nèi)容，有較強(qiáng)的綜合性。
　　2) 模塊講授和整體把握之間的矛盾。
　　教師的課件要簡潔且具有親和力，頁面視覺效果好，并符合美學(xué)及教育學(xué)要求。
　　對各知識點(diǎn)內(nèi)容宜采用模塊化講授，便于摘取模塊知識點(diǎn)，同時(shí)便于教師按各自的教學(xué)特點(diǎn)對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行組裝、搭配及改進(jìn)。
　　
　　但是怎么把握模塊與整體的關(guān)系，怎么由點(diǎn)到面，是其中一個(gè)難點(diǎn)。
　　3) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中硬件復(fù)雜度和理論深入淺出之間的矛盾。
　　書本中淺顯易懂的理論在實(shí)踐中卻需要很多其他相關(guān)硬件知識的輔助，增加了其硬件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。
　　4 具體實(shí)施
　　針對如上具體問題，我們采取了以下實(shí)施：
　　1) 此次教改項(xiàng)目研究以長沙學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系為依托，以具有多年計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究和課程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)教師及軟件制作開發(fā)人員為骨干，以計(jì)算機(jī)系為應(yīng)用平臺，由長沙學(xué)院教學(xué)指導(dǎo)委員會督促實(shí)施。
　　由項(xiàng)目負(fù)責(zé)人提出整體設(shè)計(jì)方案和規(guī)范化的格式要求；項(xiàng)目組成員對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行充分的討論、修改和完善；項(xiàng)目組成員按照分工安排和制作規(guī)范進(jìn)行文字腳本的創(chuàng)作；由項(xiàng)目負(fù)責(zé)人組織全體成員對文字腳本最終定稿并進(jìn)行專業(yè)制作。
　　2) 理論教學(xué)采用模塊式設(shè)計(jì)方法，確保教學(xué)系統(tǒng)的靈活性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性；采用公開標(biāo)準(zhǔn)，保證系統(tǒng)的開放性；廣泛應(yīng)用PowerPoint、Flash、Photoshop等多媒體課件制作、動畫設(shè)計(jì)與圖像處理新技術(shù)，確保教學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)含量，這是我們理論教學(xué)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
　　我們把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)這門課程的較為關(guān)鍵及抽象的理論，如計(jì)算機(jī)流水線技術(shù)、消除流水線瓶頸的方法，循環(huán)展開、分支預(yù)測BTH狀態(tài)轉(zhuǎn)換、多級存儲層次、組相聯(lián)Cache的查找[2]、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、通信延遲和snooping監(jiān)聽協(xié)議等，都設(shè)計(jì)了動畫演示，這不僅提高了學(xué)生的聽課興趣，同時(shí)也加深了他們對抽象理論的真實(shí)理解，取得了很好的效果。但我們并不滿足于現(xiàn)有的工作與成績，在已制作PPT課件和動畫課件的基礎(chǔ)上，廣泛征求師生意見，充分吸收計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的最新成果，進(jìn)一步充實(shí)、完善課件內(nèi)容。
　　3) 進(jìn)一步完善計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。
　　項(xiàng)目組對此門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行認(rèn)真總結(jié)，真正讓學(xué)生通過做實(shí)驗(yàn)來掌握課本中的內(nèi)容，使學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)課能直接接軌社會需求，而不是讓這門實(shí)驗(yàn)課
　　程流于形式。這個(gè)環(huán)節(jié)也是實(shí)現(xiàn)“Learning-by-doing”教學(xué)模式的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
　　早期的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)采用的“PC機(jī)+模擬器”的實(shí)驗(yàn)方式形式過于單一，所有的實(shí)驗(yàn)都是先在模擬器中給出計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)參數(shù)設(shè)定，然后運(yùn)行測試程序，最后根據(jù)程序運(yùn)行結(jié)果給出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。對學(xué)生而言，所做的工作只是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的給定，然后面對一堆運(yùn)行出來的枯燥數(shù)據(jù)給出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。由于這些實(shí)驗(yàn)全是驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，使得學(xué)生沒有真正的實(shí)驗(yàn)體會，感覺也比較抽象，一個(gè)學(xué)期下來，整個(gè)實(shí)驗(yàn)課程沒有收到它應(yīng)有的效果，同時(shí)也沒能激發(fā)出學(xué)生的創(chuàng)新性。
　　為了讓學(xué)生更加有硬件實(shí)驗(yàn)體會，并發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新性思維，我們在原有的“PC機(jī)+模擬器”模式下增加一個(gè)實(shí)驗(yàn)機(jī)箱，變成 “實(shí)驗(yàn)機(jī)箱+PC機(jī)+模擬器”模式，在原有實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，增加了四個(gè)實(shí)驗(yàn)：(1)CISC(復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī))實(shí)驗(yàn)；(2)RISC(精簡指令集計(jì)算機(jī))實(shí)驗(yàn)；(3)重疊實(shí)驗(yàn)；(4)流水實(shí)驗(yàn)[3]。這些實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)所具有的軟硬件結(jié)構(gòu)(實(shí)驗(yàn)機(jī)箱和模擬器)對實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具有完全的開放性，其數(shù)據(jù)線、地址線、控制線都由學(xué)生來操作連接，系統(tǒng)中的運(yùn)算器結(jié)構(gòu)、控制器結(jié)構(gòu)及微程序指令的格式及定義均可根據(jù)教學(xué)需要來做靈活改變或重新設(shè)計(jì)。這對于自行設(shè)計(jì)各種結(jié)構(gòu)及不同復(fù)雜程度的模型計(jì)算機(jī)提供了強(qiáng)大的軟硬件操作平臺，從而避免了單純驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑瑯O大提高了學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)能力。同時(shí)，該系統(tǒng)還具有與PC微機(jī)聯(lián)機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)試的功能，提供了圖形方式的調(diào)試界面(CMPP模擬器)，在調(diào)試過程中可動態(tài)實(shí)時(shí)顯示模型計(jì)算機(jī)各部件之間的數(shù)據(jù)傳送以及各部件和總線上的所有信息。這種圖形調(diào)試界面也可用于多媒體輔助教學(xué)，從而獲得極佳的教學(xué)效果。經(jīng)過兩個(gè)學(xué)期的實(shí)踐，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程有了突破性的進(jìn)展，取得了很好的效果。
　　4) 校教務(wù)處已具備較好的教學(xué)錄像等設(shè)備，為網(wǎng)上教學(xué)資源的及時(shí)更新、維護(hù)和升級提供了良好的保證。
　　課程組老師每人均具有專門的上網(wǎng)設(shè)備和條件，也進(jìn)一步建立和完善學(xué)生上網(wǎng)實(shí)驗(yàn)和學(xué)習(xí)的內(nèi)外部環(huán)境，為網(wǎng)上教學(xué)互動提供了良好的環(huán)境支持。課程組老師及時(shí)更新教學(xué)網(wǎng)站的內(nèi)容，并且教學(xué)資源全面
　　開放，教學(xué)內(nèi)容，包括課件、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，課后習(xí)題全面上網(wǎng)，并且開通“問題交流BBS”，使得學(xué)生與老師可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交流。
　　5 結(jié)語
　　2007年起，長沙學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系采用由卡內(nèi)基?梅隆大學(xué)提出的“Learning-by-doing”這
　　一適用于工程教學(xué)的行之有效的先進(jìn)教學(xué)理念對“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程進(jìn)行改革以來，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人全權(quán)負(fù)責(zé)課程的建設(shè)，從教學(xué)大綱、實(shí)驗(yàn)大綱、考試大綱、教學(xué)內(nèi)容的制定[4]，到多媒體教學(xué)課件的開發(fā)、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的改革，經(jīng)過幾年的教學(xué)實(shí)踐，該門課程的教學(xué)已經(jīng)比較成功，受到廣大學(xué)生以及教學(xué)督導(dǎo)組專家的一致好評。
　　參考文獻(xiàn)：
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