李志剛

摘? 要： 在計算機組成原理課程中引入案例教學(xué)法進行教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實踐?？紤]課程特點和普遍存在的問題，引入案例教學(xué)法，構(gòu)建案例教學(xué)執(zhí)行流程的四個環(huán)節(jié)，并具體描述各環(huán)節(jié)實施方法。案例教學(xué)法增加了課堂互動，激發(fā)學(xué)生的積極性和主動性，教學(xué)效果改善明顯。

關(guān)鍵詞： 案例教學(xué); 計算機組成原理; 教學(xué)設(shè)計; 教學(xué)實踐

中圖分類號：G642.0? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? 文章編號：1006-8228（2020）10-107-03

Abstract： The case teaching method is introduced into the course of “Principles of Computer Organization” for teaching design and teaching practice. According to the characteristics and the problems of the course， the case teaching method is introduced for teaching design. Four sectors of the execution process of case teaching are constructed， and the implementation methods of each sector are described in detail. The case teaching method increases classroom interaction， stimulates students' enthusiasm and initiative， and improves teaching effect significantly.

Key words： case teaching method; principles of computer organization; teaching design; teaching practice

0 引言

計算機組成原理是計算機專業(yè)的核心課程，技術(shù)性強，應(yīng)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(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，掌握計算機硬件系統(tǒng)各部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握計算機硬件系統(tǒng)的基本分析和設(shè)計方法，為后續(xù)學(xué)習(xí)硬件課程或軟硬件結(jié)合的課程打下良好基礎(chǔ)。然而，由于硬件概念和原理的非直觀性，給學(xué)生學(xué)習(xí)和教師教學(xué)都帶來較大挑戰(zhàn)。課程知識點大多抽象、散亂，又與其他課程相關(guān)知識緊密相關(guān)，如果學(xué)生像學(xué)習(xí)其他軟件課程那樣學(xué)習(xí)，教學(xué)中方法又以填鴨式灌輸為主，就會產(chǎn)生不良的教學(xué)效果[1-5]。

⑴ 入門難度大，概念抽象，梯度較陡

現(xiàn)代大學(xué)生接觸計算機較早，所以起初學(xué)生往往帶著極大的興趣和信心投入到課程的學(xué)習(xí)中。但隨著知識點密集地展開，硬件的抽象性表現(xiàn)出來，學(xué)生往往會感到課堂內(nèi)容枯燥無味，沒有了吸引力，再加上對硬件的操作又很難產(chǎn)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(rèn)識，大部分學(xué)生產(chǎn)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(lián)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(fā)展的痕跡，例如RAM稱為隨機存儲器，如果不清楚存儲器的發(fā)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(tài)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程關(guān)系緊密，而“緩沖器”，“三態(tài)”等概念與數(shù)字電路課程關(guān)系緊密，指令系統(tǒng)中的“尋址方式”與匯編語言程序設(shè)計關(guān)系緊密，中央處理器中“狀態(tài)字”在明白基本編譯原理后才容易理解。

⑶ 實驗環(huán)節(jié)相對較弱，課堂師生互動偏少

課程的實驗課多是幾個章節(jié)的驗證性實驗，實驗內(nèi)容也無法覆蓋所有的知識點，學(xué)生很難將不懂的問題通過實驗及時得到解決，有些學(xué)生甚至覺得實驗課沒有什么用處。

1 案例教學(xué)特點和優(yōu)勢

上述的問題給該課程的學(xué)習(xí)和教學(xué)都帶來很大困難和挑戰(zhàn)。然而課程的應(yīng)用性強的特點卻為采用案例教學(xué)法（case method）實施提供了可行性和便利性。

案例教學(xué)法由哈佛大學(xué)商學(xué)院首創(chuàng)，是一種開放式、互動式的新型教學(xué)方式，以案例作為一種教學(xué)工具，以學(xué)生為中心，通過對實際問題的研究、分析和探討，得出結(jié)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(xué)科的教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用[8-11]。

案例教學(xué)的特點是目的性強。首先，通過案例教學(xué)法的實施（設(shè)計、分析與講解），能使學(xué)生深刻領(lǐng)會學(xué)習(xí)目標(biāo)，掌握相關(guān)知識和技能，案例教學(xué)法更看重培養(yǎng)學(xué)生實際操作和應(yīng)用能力。其次，案例教學(xué)具有生動性，將復(fù)雜的理論和抽象的概念具象化、直觀化，并與實際應(yīng)用結(jié)合，賦予課堂知識以生動性、形象性，激起學(xué)生對理論知識的學(xué)習(xí)興趣。最后，案例教學(xué)具有極強的可操作性和實踐性，教師選擇結(jié)合實際的問題、內(nèi)容豐富的案例進行教學(xué)，不僅能深化學(xué)生對理論的認(rèn)知和理解，還能使學(xué)生在課堂上接觸并學(xué)習(xí)到社會實際問題，實現(xiàn)從理論到實踐的轉(zhuǎn)化 。而反觀傳統(tǒng)的教學(xué)，它只告訴學(xué)生相關(guān)的理論知識，課堂乏味無趣，而且其內(nèi)容在實踐中可能不實用，影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

2 案例教學(xué)的設(shè)計和實施

2.1 知識點及其案例設(shè)計

筆者在我國大型計算機企業(yè)工作二十多年，通過與學(xué)生交流和咨詢，對知識點進行分析、歸納并與工程實踐結(jié)合，設(shè)計了十幾個類型案例，這些案例設(shè)計考慮了趣味性、生動性和可操作性，貼近學(xué)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(xué)的執(zhí)行過程

教師在案例執(zhí)行過程中扮演者設(shè)計者和激勵者的角色，好的案例設(shè)計本身就可以調(diào)動學(xué)生的積極性。案列教學(xué)執(zhí)行過程包括了設(shè)計案例、講解案例、引申拓展案例以及反饋和改進等四個環(huán)節(jié)，如圖1所示，這些環(huán)節(jié)它們構(gòu)成閉環(huán)反饋，通過迭代方式逐步改進案例，以取得最佳教學(xué)效果。

⑴ 精心設(shè)計案例

教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容選擇合適的案例，好的案例事半功倍。所以案例要與教學(xué)目標(biāo)相吻合，學(xué)生易于接受和認(rèn)同。對于計算機組成原理課程，大部分學(xué)生對電腦都感興趣，但他們對計算機的認(rèn)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(xué)生感到親切并引發(fā)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(fā)生，利用這個案例設(shè)計，讓學(xué)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(guān)，在案例2中，我們展示本課程枯燥的知識點如何給前導(dǎo)課程C語言程序設(shè)計帶來支撐的。

IT行業(yè)發(fā)展迅猛， 相關(guān)新聞更是占據(jù)頭條位置，非常吸引年輕學(xué)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(xué)生的興趣，讓學(xué)生感受用課程基礎(chǔ)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(dǎo)，學(xué)生作為主體。教師鼓勵學(xué)生開闊思路，積極發(fā)言，并主動回答其他學(xué)生的問題，使學(xué)生獲得成就感，增強自信心。同時對學(xué)生提出的問題，進行指導(dǎo)、調(diào)控、激勵、點撥，從而提高教學(xué)質(zhì)量和效率。

案例拓展是案例講解的深化，提出需要學(xué)生繼續(xù)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(jié)，是案例講解的升華。

舉例來說，在案例1中學(xué)生了解到U盤就是采用Flash Rom材料的存儲器，在之前一道課后習(xí)題中，考查電可改寫存儲器的概念，大部分學(xué)生都沒有選Flash Rom。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(zhǔn)確”的縮寫與存儲器發(fā)展歷史有關(guān)，學(xué)生知道了自己經(jīng)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(fā)展歷程相關(guān)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(xué)生明白了“隨機”二字的真正含義。再進一步拓展，根據(jù)學(xué)生查閱的資料中有關(guān)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(xiàn)為價格差異。他們又認(rèn)識到，存儲器讀寫時間指標(biāo)非常重要，如果不關(guān)心這個指標(biāo)，買U盤的時候就容易“上當(dāng)”，而這個指標(biāo)正是后續(xù)課程要講述的內(nèi)容，當(dāng)學(xué)生了解到知識點連貫性和系統(tǒng)性，他們的學(xué)習(xí)目標(biāo)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(guī)則，相比邏輯與，或和非運算，異或運算規(guī)則顯得更加抽象，學(xué)生很難理解為什么要有這樣的運算規(guī)則。如果學(xué)生明白了它的“廣大神通”，就容易接受和掌握，為此設(shè)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(wǎng)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(shù)（稱為“密鑰”）與用戶文件做異或運算，然后用運算結(jié)果文件替換掉原始文件，用戶打開時就會呈現(xiàn)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(fù)出了原始文件。在這個案例分析之后，學(xué)生對異或運算的“神奇功能”有了深刻的認(rèn)識，學(xué)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?qū)W生介紹，這種基于“異或”的加密方式在密碼學(xué)上稱為“流密碼加密”，并廣泛應(yīng)用中網(wǎng)絡(luò)傳輸中，但實際應(yīng)用中多“密鑰”也被做過多重加密，防止被盜竊。從而讓學(xué)生對計算機網(wǎng)絡(luò)課程有所“期待”。還可以進行實用性方面拓展，讓學(xué)生利用學(xué)習(xí)過的C語言做簡單的文件加密工具，既有趣，又激發(fā)他們編程創(chuàng)意的熱情。

⑶ 反饋改進案例

精選的案例設(shè)計，精辟的案例講解，精彩的案例拓展，能夠激發(fā)學(xué)生的好奇心、探索性、想象力及創(chuàng)造個性，他們更愿意參加到案例中，一方面對案例執(zhí)行過程和結(jié)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(xué)生的提問，汲取好的建議，并且將學(xué)生新提出的與課程有關(guān)的問題或困惑匯編到案例集中，形成良性循環(huán)，真正做到“以教師為中心”向“以學(xué)生為中心”轉(zhuǎn)變。

3 結(jié)束語

在計算機原理課程中引入案例教學(xué)法進行教學(xué)設(shè)計，并經(jīng)過兩屆學(xué)生的教學(xué)實踐活動，達到了教學(xué)目標(biāo)，取得了良好的教學(xué)效果。精選的好案例可以給學(xué)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(xué)科關(guān)聯(lián)案例，使學(xué)生理解學(xué)好該課程的重要性;而接近工程實踐的案例，讓學(xué)生開闊了眼界，增加了學(xué)習(xí)興趣。而案例教學(xué)實施過程中增加了師生互動，活躍了課堂氣氛。各個學(xué)科都有自己的經(jīng)典案例，案例教學(xué)具有普遍適用性，其優(yōu)勢是有利于“以教師為中心”向“以學(xué)生為中心”轉(zhuǎn)變，具有廣闊的應(yīng)用前景。進一步，可以嘗試將案例教學(xué)法同其他教學(xué)方法結(jié)合使用，例如，在案例中采用翻轉(zhuǎn)課堂法，鼓勵學(xué)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(xué)承擔(dān)課程思政任務(wù)等。

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