摘要：在計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的課程教學中，引入由卡內(nèi)基?梅隆大學提出的“Learning-by-doing”這一適用于工程教學的行之有效的先進教學理念是新教學模式的一種積極探索。文章圍繞基于“Learning-by-doing”教學法的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程改革實施的前期準備、遇到的問題，具體解決方案等環(huán)節(jié)進行了討論和分析。
　　關(guān)鍵詞：Learning-by-doing 教學模式 教學實踐
　　文章編號：1672-5913(2011)18-0023-04 中圖分類號：G642 文獻標識碼：A
　　“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程是計算機及應用專業(yè)考試計劃中的專業(yè)課程，是一門從組織和結(jié)構(gòu)的角度上學習、領(lǐng)會計算機系統(tǒng)的課程。計算機系統(tǒng)是一個軟、硬件綜合體。隨著計算機軟件的日趨復雜，以及硬件在功能、性能、集成度、可靠性、價格上的不斷改進，針對不同的應用，需要研究如何更好地對計算機系統(tǒng)的軟、硬件進行功能分配，如何更好、更合理地實現(xiàn)分配給硬件的那部分功能，使系統(tǒng)有高的性價比，這是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程學習和研究的主要方面，也是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、硬件設(shè)計、高層次應用系統(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。通過本課程學習，學生能進一步樹立和加深對計算機系統(tǒng)的整體概念，熟悉有關(guān)計算機系統(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)計的思想和方法，提高分析解決問題的能力。同時，也能了解近十幾年來在計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的進展和今后發(fā)展的趨勢。本課程是高等工科院校中計算機專業(yè)的主干課，通過介紹目前通用的和先進的計算機系統(tǒng)來具體闡述計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理的各個側(cè)面，使學生全面掌握計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本的概念、原理、結(jié)構(gòu)和分析方法。學生在已經(jīng)t6x+plU9MOpk786Jy5vxQw==學習了“計算機組成原理”、“計算機操作系統(tǒng)”、“匯編語言程序設(shè)計”、“高級語言程序設(shè)計”等計算機軟件和硬件方面的多門課程之后，通過學習“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”這門課程能夠建立完整的計算機
　　系統(tǒng)概念，為進一步學習有關(guān)專業(yè)課程和日后從事計算機系統(tǒng)設(shè)計工作打下基礎(chǔ)，因此在計算機專業(yè)的教學計劃中占有重要地位和作用。
　　1 現(xiàn)狀分析
　　計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程教學已在國內(nèi)許多高校展開，但是目前的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學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)學生的學習主動性和創(chuàng)新意識的實踐性，導致學生學完后“會背書，不會做”，從而嚴重影響教學質(zhì)量，達不到預期設(shè)定的教學目標。
　　在微軟亞洲研究院的大力倡導下，本課程擬引入由卡內(nèi)基?梅隆大學提出的“Learning-by-doing”這一適用于工程教學的行之有效的先進教學理念，對“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程教學進行改革。
　　“Learning-by-doing”是由美國卡內(nèi)基?梅隆大學率先提出的一種旨在強化工程學科學生全面的實踐能力和工程素養(yǎng)的教學模式[1]。其思想精髓是對學生與教師進行角色轉(zhuǎn)變，并充分激發(fā)學生自主學習的積極性，使學生真正成為課程的主角，使教師轉(zhuǎn)變?yōu)閷W生的顧問。
　　這個改革希望通過“Learning-by-doing”教學模式來改變當前的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的教學現(xiàn)狀，使同學們既能夠在學中做，也能在做中學，從而達到好的學習效果，增強同學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改革。
　　2 前期工作
　　“Learning-by-doing”教學模式的引入需要我們做大量的前期工作，其中包括：
　　1) 強化思想教育，注重學生綜合能力的培養(yǎng)。在教學中，我們需要改變學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完整的、甚至有創(chuàng)造性的微型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計。并且在教學過程中，我們采用微軟MSF先進項目組織和管理思想，使學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)容和實驗，降低學習門檻。在傳統(tǒng)的以講概念說原理為主的教學模式中，采用深入淺出的教學方式和靈活多變的多媒體教學方法。同時，對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的實驗項目進行改革，增大課程覆蓋的深度和廣度，鼓勵學生自主學習、按需學習。
　　在組織教學內(nèi)容時盡量繞開硬件細節(jié)，以較易掌握的硬件部件為突破口，選用學生很容易接受的計算機組成原理(前期課程)教學設(shè)備入手，以達到事半功倍的學習效果。而且為了切實落實“Learning-by- doing”教學思想，我們?yōu)槊恳环N計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)都設(shè)計一個具體的課程項目，以使學生真正理解和掌握其知識要點與難點，從而使計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程真正成為一門學生看得見摸得著的、實實在在的生動課程。
　　3) 保證教學內(nèi)容具有明顯的前沿性和時代性。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)日新月異，為了實現(xiàn)教學內(nèi)容與技術(shù)同步，課程及時關(guān)注計算機科學方面的核心論文及期刊，及時把最新的技術(shù)反映到教學內(nèi)容中，從而長期保持課程的生命力。
　　3 教改實施
　　本項教改項目實施的主要目標是：在“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的講授過程中，充分發(fā)揮教師的主導作用和學生的主體作用，使學生在全面掌握計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理基礎(chǔ)上，重點培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)新能力。
　　此種能力培養(yǎng)的具體實施則需要從基礎(chǔ)知識、技術(shù)講座、基本技能和項目實踐四個方面落實。
　　對于學生而言，首先應掌握好課本中的基礎(chǔ)知識，形成扎實的理論基礎(chǔ)。然后經(jīng)常參加老師組織的各種形式的技術(shù)講座，掌握當前計算機科學技術(shù)的動態(tài)，并從整體上把握計算機科學技術(shù)發(fā)展的前沿。最后，積極參加本課程的實驗和項目工作，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、老師的不斷溝通中去解決問題，從而做到理論指導實踐，實踐中更進一步理解理論。
　　對于老師而言，首先應做好教學工作，完善原有的多媒體課件。引入聲音、圖像、AVI等多種形式，增強多媒體教學中的適應性、綜合性和趣味性，使教學媒體多樣化。然后，抓住當前技術(shù)前沿，抓住學生關(guān)心的問題，組織各種形式的技術(shù)講座。第三，作為一門實踐性很強的課程，兼顧理論、重在實踐。教師在不斷更新最新的國內(nèi)外理論知識的同時，重視加強實踐環(huán)節(jié)，實驗內(nèi)容全面上網(wǎng)、實驗過程全程指導。對于學生循循善誘，講解實驗內(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教導學生解決問題的方法和途徑，而不僅僅只是告訴他們當前問題的答案。
　　但是，在工作的實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)容包括教學大綱所有教學知識點，以滿足學科教學需要，并完整涵蓋教學目標所涉及的內(nèi)容，章節(jié)內(nèi)容的剪裁、取舍以及重點、難點的掌握，是整個項目的基礎(chǔ)，難度較大。
　　課件需要運用豐富的媒體素材，如圖片、聲音、動畫、視頻影像等，工作量較大，且課程內(nèi)容涉及計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、計算機組成原理等課程內(nèi)容，有較強的綜合性。
　　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，并符合美學及教育學要求。
　　對各知識點內(nèi)容宜采用模塊化講授，便于摘取模塊知識點，同時便于教師按各自的教學特點對教學內(nèi)容進行組裝、搭配及改進。
　　
　　但是怎么把握模塊與整體的關(guān)系，怎么由點到面，是其中一個難點。
　　3) 實驗教學中硬件復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，增加了其硬件實現(xiàn)的復雜度。
　　4 具體實施
　　針對如上具體問題，我們采取了以下實施：
　　1) 此次教改項目研究以長沙學院計算機科學與技術(shù)系為依托，以具有多年計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究和課程教學經(jīng)驗的專業(yè)教師及軟件制作開發(fā)人員為骨干，以計算機系為應用平臺，由長沙學院教學指導委員會督促實施。
　　由項目負責人提出整體設(shè)計方案和規(guī)范化的格式要求；項目組成員對設(shè)計方案進行充分的討論、修改和完善；項目組成員按照分工安排和制作規(guī)范進行文字腳本的創(chuàng)作；由項目負責人組織全體成員對文字腳本最終定稿并進行專業(yè)制作。
　　2) 理論教學采用模塊式設(shè)計方法，確保教學系統(tǒng)的靈活性、可維護性和可擴展性；采用公開標準，保證系統(tǒng)的開放性；廣泛應用PowerPoint、Flash、Photoshop等多媒體課件制作、動畫設(shè)計與圖像處理新技術(shù)，確保教學系統(tǒng)的技術(shù)含量，這是我們理論教學的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
　　我們把計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)這門課程的較為關(guān)鍵及抽象的理論，如計算機流水線技術(shù)、消除流水線瓶頸的方法，循環(huán)展開、分支預測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)計了動畫演示，這不僅提高了學生的聽課興趣，同時也加深了他們對抽象理論的真實理解，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，充分吸收計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的最新成果，進一步充實、完善課件內(nèi)容。
　　3) 進一步完善計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實驗教學內(nèi)容。
　　項目組對此門課程的實驗教學進行認真總結(jié)，真正讓學生通過做實驗來掌握課本中的內(nèi)容，使學生通過實驗課能直接接軌社會需求，而不是讓這門實驗課
　　程流于形式。這個環(huán)節(jié)也是實現(xiàn)“Learning-by-doing”教學模式的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
　　早期的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)采用的“PC機+模擬器”的實驗方式形式過于單一，所有的實驗都是先在模擬器中給出計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)參數(shù)設(shè)定，然后運行測試程序，最后根據(jù)程序運行結(jié)果給出實驗結(jié)論。對學生而言，所做的工作只是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的給定，然后面對一堆運行出來的枯燥數(shù)據(jù)給出實驗結(jié)論。由于這些實驗全是驗證型實驗，使得學生沒有真正的實驗體會，感覺也比較抽象，一個學期下來，整個實驗課程沒有收到它應有的效果，同時也沒能激發(fā)出學生的創(chuàng)新性。
　　為了讓學生更加有硬件實驗體會，并發(fā)揮學生的創(chuàng)新性思維，我們在原有的“PC機+模擬器”模式下增加一個實驗機箱，變成 “實驗機箱+PC機+模擬器”模式，在原有實驗基礎(chǔ)上，增加了四個實驗：(1)CISC(復雜指令集計算機)實驗；(2)RISC(精簡指令集計算機)實驗；(3)重疊實驗；(4)流水實驗[3]。這些實驗中，系統(tǒng)所具有的軟硬件結(jié)構(gòu)(實驗機箱和模擬器)對實驗設(shè)計具有完全的開放性，其數(shù)據(jù)線、地址線、控制線都由學生來操作連接，系統(tǒng)中的運算器結(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)教學需要來做靈活改變或重新設(shè)計。這對于自行設(shè)計各種結(jié)構(gòu)及不同復雜程度的模型計算機提供了強大的軟硬件操作平臺，從而避免了單純驗證性的實驗模式，極大提高了學生計算機系統(tǒng)的綜合設(shè)計能力。同時，該系統(tǒng)還具有與PC微機聯(lián)機實時調(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)實時顯示模型計算機各部件之間的數(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，從而獲得極佳的教學效果。經(jīng)過兩個學期的實踐，計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗課程有了突破性的進展，取得了很好的效果。
　　4) 校教務(wù)處已具備較好的教學錄像等設(shè)備，為網(wǎng)上教學資源的及時更新、維護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，也進一步建立和完善學生上網(wǎng)實驗和學習的內(nèi)外部環(huán)境，為網(wǎng)上教學互動提供了良好的環(huán)境支持。課程組老師及時更新教學網(wǎng)站的內(nèi)容，并且教學資源全面
　　開放，教學內(nèi)容，包括課件、實驗內(nèi)容，課后習題全面上網(wǎng)，并且開通“問題交流BBS”，使得學生與老師可以通過網(wǎng)絡(luò)進行交流。
　　5 結(jié)語
　　2007年起，長沙學院計算機科學與技術(shù)系采用由卡內(nèi)基?梅隆大學提出的“Learning-by-doing”這
　　一適用于工程教學的行之有效的先進教學理念對“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程進行改革以來，項目負責人全權(quán)負責課程的建設(shè)，從教學大綱、實驗大綱、考試大綱、教學內(nèi)容的制定[4]，到多媒體教學課件的開發(fā)、實驗項目的改革，經(jīng)過幾年的教學實踐，該門課程的教學已經(jīng)比較成功，受到廣大學生以及教學督導組專家的一致好評。
　　參考文獻：
　　[1] 教育部-微軟精品課程Windows CE嵌入式系統(tǒng) [EB/OL]. [2011-02-21]. http://wince.hezongjian.com.
　　[2]