“计算机组成原理”课程阶梯化教学研究

摘要：本文讨论了“计算机组成原理”阶梯化教学的五层阶梯：理论教学、实验教学、课程设计教学、开放实验室项目和毕业设计项目。这五层阶梯层层递进，步步深入，从不同的方位、角度达到从根本上锻炼学生实践动手能力，最终实现理论与实践水平全面提高的目的。

关键词：阶梯化教学；教学实践；“计算机组成原理”课程

中图分类号：G642.4 文献标识码：B

文章编号：1672-5913 (2007) 20-0050-03

1引言

足够长的杠杆可以撬动地球，足够多的阶梯可以攀登顶峰。

如果说计算机科学是一个金字塔，“计算机组成原理”课程无疑是这个耸入云天的金字塔的底座之一。无论是计算机硬件技术还是软件技术，无一不与“计算机组成原理”课程直接或间接相关。在计算机教育大环境悄然改变的今天，像“计算机组成原理”这样传统的基础课程教育模式的改进也需要与时俱进。

阶梯化教学模式是指对一门课的教学在不同的阶段针对不同的学生以多种多样的且逐阶向上的形式开展起来，以达到最大限度地理论联系实际，科研结合教学，培养学生综合素质之目的的一种教学方法。

2 “计算机组成原理”阶梯化教学的特点

对于“计算机组成原理”课程而言，阶梯化教学的实现包含多方面含义：

(1) 多样化。打破以往“计算机组成原理”课程理论讲授配合少量实验的单一形式，增加了课程设计、开放实验室项目和毕业设计等多个实践教学环节，实现了教学环节的多样化。

(2) 最大化。最大可能地发挥学生的主观能动性，最大程度地理论联系实践，最大限度地与最新技术接轨，以达到培养学生兴趣，开发其潜能的目的。

(3) 阶梯化最重要的一个含义是“逐阶向上”的含义，也就是多种教学方法应用的几个层次是逐渐升高的，就像上楼梯一样。如图1所示，理论教学无疑是第一个台阶，实验教学就是第二个台阶，其余逐渐升高的台阶顺次是课程设计，开放实验室项目，毕业设计环节。一个学生在这几个环节中拾阶而上，终于登顶的时候，他将看到一个无比广阔的发展空间。

(4) 合理的阶梯宽度分布。阶梯的宽度表现为持续时间的长短，参与学生的人数，教师辅导的程度等。由于每一级台阶的性质、目的、内容不同，每一级台阶的宽度也不相同，选择一个合适的宽度比例对于最终阶梯化教学的成功也是非常重要的。

(5) 必需的硬件设施。“欲善其工，先利其器”，一种教学改革方法如果没有相适应的硬件设施，那么就只能是纸上谈兵了。“计算机组成原理”多媒体教学软件和一种或几种实验系统对实现这种阶梯化教学是非常必要的。

3阶梯化教学的具体实现

下面就详细介绍一下各步阶梯的具体实现。

(1) 第一层阶梯：减而弥精的理论教学

由于“计算机组成原理”课程的重要基础课位置，以往该课程的理论学时是非常大的，伴随计算机教育环境的变化，理论课时的压缩是必然的。理论课时一般由64~72压缩至48~56。但压缩不意味着粗糙，也不意味着缩减。在缩小的课时里完成大纲要求，且求精求全，这就需要充分利用计算机。多媒体教学软件可以在很短时间内生动形象地解释复杂知识点，帮助学生快速掌握重点，难点。而网络教学平台的应用则可以通过帮助学生做好预习、复习、测试、解惑等来实现课堂教学的辅助。计算机手段的应用可以使理论教学缩而不少，减而弥精。

(2) 第二层阶梯：推而广之的实验教学

缩减理论课时的同时，实验教学要推而广之。这里的推广包括两个方面，一个是在有可能的情况下适当地提高实验学时；另一方面要加大有限实验课时的无限空间，内容加多、知识加深、范围加大。实验课时可在10~16学时之间。在教学中有一个普遍的问题就是如何因材施教的问题。实验课程是面向所有学生的。在学生中，接受能力、动手能力、自身努力的程度就有很大差异，在确保规定课时中完成教学任务的同时，还要求最大限度地发挥学生的主观能动性是我们面临的一个问题。为此可采取如下措施：

其一，修订适合本校特色的实验指导书。

其二，严抓学生的预习工作。

实验教学是阶梯教学的第二级台阶，却是实验教学的第一级台阶，在这个层次上可以使每一位学生对理论教学有一个感性的认识，初步建立整机结构思想。很多理论课上抽象的知识在实验课上得到了具体的体现。实验课常常是使学生感到豁然开朗的一个环节。

(3) 第三层阶梯：渐入佳境的课程设计

“计算机组成原理”课程的实验教学的特点是每个实验只涉及计算机组成结构中一个或几个设备的工作原理。增加一种面向所有学生的课程设计，以完成一个较为综合的题目是使组成原理实践教学渐入佳境的关键一步。课程设计时间及题目在各个学校有着很大区别，一般说1~2周较为合适。本学校应根据实验学时长短及后续实验环节设置情况相应调整。进入课程设计环节的学生已经有了一定实践经验，加之课程设计时间相对较长，所以教学方法就要变化了。课程设计指导书的内容要比实验指导书粗略，只应该包括设计任务和一些设计所需的数据，指导教师也仅对学生进行方向性指导，全部设计原理图、连线、设计步骤、设计测试都由学生自行完成。指导教师仅对其进行关键技术的指导。充分放手让学生自行设计。

通过课程设计这一环节，应该说每一个按照要求走完这三步台阶的同学都掌握了计算机整体结构的概念，且具备了相当强的动手能力。他们关于组成原理的知识结构，知识体系已达到了本科计算机专业的要求。如果还想更进一步的话，就可以登上下面的阶梯。

(4) 第四层阶梯：更上层楼的开放实验

“计算机组成原理”开放实验室项目可以只对部分感兴趣的同学开展。这里开放的含义就是实验室每天至少8小时开放，教师有针对性地指定一个或几个题目，并选择固定的时间进行指导，而学生可以在实验室开放的任意时间到实验室完成项目，以培养对硬件具有特殊兴趣的同学向更深更广的知识领域发展。

其一，人员以每位教师指导15人，3人为1组最适宜。

其二，设计题目可以运用EDA技术对ISP芯片进行开发。

其三，整个项目的实现分为4个阶段：熟悉题目、设计逻辑和写代码、代码调试与测试、总结并写出设计报告。

这一级台阶的设立可以有效地改变学生心中“计算机组成原理”离实际太远的一种印象，同时学生可以建立起硬件软化的概念。这是使参与到项目中的学生完成量变到质变飞跃的一个环节。

(5) 第五层阶梯：已入佳境的毕业设计

计算机本科生的毕业设计题目在各个院校都极少有与“计算机组成原理”或者系统结构直接相关的题目。除了教师重视不够以外，缺乏相应的设备也是一个客观的原因。伴随着实验系统的改进，EDA技术的发展，综合运用计算机组成原理、计算机系统结构、数字逻辑与数字系统、硬件描述语言的毕业设计题目已经成为可能。作为教师，提供一个平台、一个指引、一个机会就很有可能成就一个计算机应用领域的栋梁之才。

毕业设计题目的完成是培养真正的硬件人才的有效途径。能够走完这一步台阶的学生具有更强大的就业竞争力。五层台阶总结如下图：

4实践效果

“计算机组成原理”课程的阶梯化教学改革在辽宁工业大学计算机科学与工程学院进行了3年的试点研究，取得了较好的效果。理论课时完成了基础理论的讲授，实验课上学生理论应用于实践，验证了书本上的理论知识，也真正理解了理论。在课程设计中，学生在课外查找各种资料，使自己在实验室的设计和实践尽善尽美。每年有15名同学参与到开放实验活动中，培养了自主分析问题、解决问题的能力。有少数同学在毕业设计中选择了与组成原理有关的题目，其中有一名同学的毕业设计论文获得了校优秀毕业设计论文一等奖荣誉。

两位笔者直接主持和参与了这三年的试点研究工作，在此之前笔者有十年的“计算机组成原理”教学经验，可是采取阶梯化教学之后，笔者才真正感受到为人师的成就感。尤其是在开放实验和毕业设计工作中，学生由最初的茫然无知，经过不断的实践与理论相印证，一直到最终的深刻认识，他们几乎是非常兴奋地感受着求知的乐趣。学生中有多人考取了研究生，进一步深造。可以说他们的成功也部分归功于“计算机组成原理”阶梯化教学手段的开展。

“计算机组成原理”的课堂教学、实验教学、课程设计、开放实验室项目和毕业设计这五个环节面向不同的学生，从不同的层面实现了“计算机组成原理”课程教学的阶梯化理念，从根本上解决了专业基础课理论脱离实践和学生不重视、学习无兴趣的弊端。

为人师者不仅要用知识丰富学生的大脑，增长其才干，更应该用为学生搭建通往成功之路的阶梯，在能力范围内尽可能地将学生送入更高的平台。“计算机组成原理”的阶梯化教学就是一个很好的尝试，并在实践中取得了一定的成就，其阶梯化的思想可以应用到其他学科、甚至其他专业。

参考文献

[1] 白中英，杨春武. “计算机组成原理”题解、题库、实验[M]. 北京：科学出版社，2004，(6).

[2] 白中英，杨春武，冯一兵. 计算机硬件基础课实验教程[M]. 北京：清华大学出版社，2005，(7).

[3] 刘芳，戴葵，刘芸，王志英. “计算机组成原理”中设计性环节的教学探讨[J]. 计算机教育，2007，(4).

[4] 金海溶，周苏，孟学多. 用实验方法改革汇编语言程序设计的教学[J]. 计算机教育，2007，(1).

作者简介

白媛，辽宁工业大学计算机科学与工程学院计算机科学与技术教研室，从事以“计算机组成原理”为主的计算机应用技术教学与科研工作13年。

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