计算机组成原理案例教学设计研究

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摘要：在计算机组成原理课程中引入案例教学法进行教学设计和教学实践。考虑课程特点和普遍存在的问题，引入案例教学法，构建案例教学执行流程的四个环节，并具体描述各环节实施方法。案例教学法增加了课堂互动，激发学生的积极性和主动性，教学效果改善明显。

关键词：案例教学；计算机组成原理；教学设计；教学实践

计算机组成原理是计算机专业的核心课程，技术性强，应用范围广，在整个计算机课程体系中起着承上启下的作用。学生通过本课程的学习，掌握计算机硬件系统各部件的内部结构和工作原理，掌握计算机硬件系统的基本分析和设计方法，为后续学习硬件课程或软硬件结合的课程打下良好基础。然而,由于硬件概念和原理的非直观性，给学生学习和教师教学都带来较大挑战。课程知识点大多抽象、散乱，又与其他课程相关知识紧密相关，如果学生像学习其他软件课程那样学习，教学中方法又以填鸭式灌输为主，就会产生不良的教学效果[1-5]。⑴入门难度大，概念抽象，梯度较陡现代大学生接触计算机较早，所以起初学生往往带着极大的兴趣和信心投入到课程的学习中。但随着知识点密集地展开，硬件的抽象性表现出来，学生往往会感到课堂内容枯燥无味，没有了吸引力，再加上对硬件的操作又很难产生与软件运行一样的直观效果，无法在课后及时通过实践的方法对理论知识进行消化和再认识，大部分学生产生了“喜欢软件，害怕硬件”的心理。⑵知识点散乱，与其他课程联系紧密课程涉及的概念多、单英文缩写词多，而且很多概念命名带有历史发展的痕迹，例如RAM称为随机存储器，如果不清楚存储器的发展过程，对“随机”概念就无法彻底理解。同一个概念因为涉及的计算机硬件部件不同，其解释也略微不同，例如在串行通信中有“异步”的概念，在动态存储器的刷新中有“异步”的概念，在总线的控制中也有“异步”的概念[6-7]等。课程中的“寄存器堆栈”和“存储器堆栈”与数据结构课程关系紧密，而“缓冲器”，“三态”等概念与数字电路课程关系紧密，指令系统中的“寻址方式”与汇编语言程序设计关系紧密，中央处理器中“状态字”在明白基本编译原理后才容易理解。⑶实验环节相对较弱，课堂师生互动偏少课程的实验课多是几个章节的验证性实验，实验内容也无法覆盖所有的知识点，学生很难将不懂的问题通过实验及时得到解决，有些学生甚至觉得实验课没有什么用处。

1案例教学特点和优势

上述的问题给该课程的学习和教学都带来很大困难和挑战。然而课程的应用性强的特点却为采用案例教学法（casemethod）实施提供了可行性和便利性。案例教学法由哈佛大学商学院首创，是一种开放式、互动式的新型教学方式，以案例作为一种教学工具，以学生为中心，通过对实际问题的研究、分析和探讨，得出结论的过程，越来越受到中外教育工作者的欢迎，近年来在各个学科的教学中得到广泛应用[8-11]。案例教学的特点是目的性强。首先，通过案例教学法的实施（设计、分析与讲解），能使学生深刻领会学习目标，掌握相关知识和技能，案例教学法更看重培养学生实际操作和应用能力。其次，案例教学具有生动性，将复杂的理论和抽象的概念具象化、直观化，并与实际应用结合，赋予课堂知识以生动性、形象性，激起学生对理论知识的学习兴趣。最后，案例教学具有极强的可操作性和实践性，教师选择结合实际的问题、内容丰富的案例进行教学，不仅能深化学生对理论的认知和理解，还能使学生在课堂上接触并学习到社会实际问题，实现从理论到实践的转化。而反观传统的教学，它只告诉学生相关的理论知识，课堂乏味无趣，而且其内容在实践中可能不实用，影响学生的学习效果。

2案例教学的设计和实施

2.1知识点及其案例设计。笔者在我国大型计算机企业工作二十多年，通过与学生交流和咨询，对知识点进行分析、归纳并与工程实践结合，设计了十几个类型案例，这些案例设计考虑了趣味性、生动性和可操作性，贴近学生，并紧扣知识点，在表1中给出了三个案例作为示例。2.2案例教学的执行过程。教师在案例执行过程中扮演者设计者和激励者的角色，好的案例设计本身就可以调动学生的积极性。案列教学执行过程包括了设计案例、讲解案例、引申拓展案例以及反馈和改进等四个环节，如图1所示，这些环节它们构成闭环反馈，通过迭代方式逐步改进案例，以取得最佳教学效果。⑴精心设计案例教师根据教学内容选择合适的案例，好的案例事半功倍。所以案例要与教学目标相吻合，学生易于接受和认同。对于计算机组成原理课程，大部分学生对电脑都感兴趣，但他们对计算机的认识常常仅停留在表面上，那么我们就以身边熟悉的事情入手，这样更容易让学生感到亲切并引发兴趣。以第1个案例为例，电脑U盘几乎人人都有，而为其他人购买U盘这件事情又常常发生，利用这个案例设计，让学生感受到课本上的知识就在身边。计算机组成原理与多门课程紧密相关，在案例2中，我们展示本课程枯燥的知识点如何给前导课程C语言程序设计带来支撑的。IT行业发展迅猛，相关新闻更是占据头条位置，非常吸引年轻学生眼球。在案例3中，我们以最近的热点新闻——一种流行的计算机病毒（勒索病毒）为例，“投其所好”，吸引学生的兴趣，让学生感受用课程基础知识是如何来完美解释病毒核心加密功能的。⑵讨论讲解案例和引申拓展案例在案例讲解中，教师作为主导，学生作为主体。教师鼓励学生开阔思路，积极发言，并主动回答其他学生的问题，使学生获得成就感，增强自信心。同时对学生提出的问题，进行指导、调控、激励、点拨，从而提高教学质量和效率。案例拓展是案例讲解的深化，提出需要学生继续深入思考的问题，或者就此问题，触类旁通，将知识点串起来进行小结，是案例讲解的升华。举例来说，在案例1中学生了解到U盘就是采用FlashRom材料的存储器，在之前一道课后习题中，考查电可改写存储器的概念，大部分学生都没有选FlashRom。究其原因，是为字母缩写Rom所困惑，Rom是只读存储器的英文缩写，所以他们望文生义，这个“不准确”的缩写与存储器发展历史有关，学生知道了自己经常保存文件的U盘就属于这种存储器，这样他们才完整地了解了电可改写存储器的概念，并且记忆深刻。案例1并没有止步于此，在接下来的案例拓展中，还会提到存储器名称与其发展历程相关的RAM存储器，即随机存取存储器，通过引入早期的磁带存储器，学生明白了“随机”二字的真正含义。再进一步拓展，根据学生查阅的资料中有关评测的文章，由于U盘采用的工艺材料不同，读写时间相差很大，最后体现为价格差异。他们又认识到，存储器读写时间指标非常重要，如果不关心这个指标，买U盘的时候就容易“上当”，而这个指标正是后续课程要讲述的内容，当学生了解到知识点连贯性和系统性，他们的学习目标也就“水到渠成”了。逻辑运算是重要的知识点，涉及多种逻辑运算规则，相比逻辑与，或和非运算，异或运算规则显得更加抽象，学生很难理解为什么要有这样的运算规则。如果学生明白了它的“广大神通”，就容易接受和掌握，为此设计了案例3。在案例3中，选取了近期新闻热点——勒索病毒作为案例，并以其加密原理作为起点。由于该病毒已被杀毒软件厂商分析和制服，所以在网上可以容易找到公开的病毒加密方法，其原理是将一个指定的二进制数（称为“密钥”）与用户文件做异或运算，然后用运算结果文件替换掉原始文件，用户打开时就会呈现乱码。在用户付费后，病毒制作者，只需将这个“密钥”与加密后的文件再次做异或运算，就恢复出了原始文件。在这个案例分析之后，学生对异或运算的“神奇功能”有了深刻的认识，学生感叹原来“异或”这个小小的逻辑运算“功力”如此大。进一步的拓展，可以向学生介绍，这种基于“异或”的加密方式在密码学上称为“流密码加密”，并广泛应用中网络传输中，但实际应用中多“密钥”也被做过多重加密，防止被盗窃。从而让学生对计算机网络课程有所“期待”。还可以进行实用性方面拓展，让学生利用学习过的C语言做简单的文件加密工具，既有趣，又激发他们编程创意的热情。⑶反馈改进案例精选的案例设计，精辟的案例讲解，精彩的案例拓展，能够激发学生的好奇心、探索性、想象力及创造个性，他们更愿意参加到案例中，一方面对案例执行过程和结论提出自己意见和看法，另一方反馈自己在使用电脑和智能手机中遇到的种种硬件问题。这时，教师要热情面对学生的提问，汲取好的建议，并且将学生新提出的与课程有关的问题或困惑汇编到案例集中，形成良性循环，真正做到“以教师为中心”向“以学生为中心”转变。

3结束语

在计算机原理课程中引入案例教学法进行教学设计，并经过两届学生的教学实践活动，达到了教学目标，取得了良好的教学效果。精选的好案例可以给学生留下深刻印象，贴近生活的案例，让抽象的硬件概念变得更加具象化；学科关联案例，使学生理解学好该课程的重要性；而接近工程实践的案例，让学生开阔了眼界，增加了学习兴趣。而案例教学实施过程中增加了师生互动，活跃了课堂气氛。各个学科都有自己的经典案例，案例教学具有普遍适用性，其优势是有利于“以教师为中心”向“以学生为中心”转变，具有广阔的应用前景。进一步，可以尝试将案例教学法同其他教学方法结合使用，例如，在案例中采用翻转课堂法，鼓励学生主动提出问题并进行讨论；还可以将思政元素引入案例，让案例教学承担课程思政任务等。

作者:李志刚 单位:北京邮电大学世纪学院计算机科学与技术系