以能力培養(yǎng)為目標的計算機組成教學

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摘要：能力培養(yǎng)已成為當下高等教育的重點內(nèi)容，如何培養(yǎng)出超越課本知識，具有現(xiàn)實工作需要實踐能力的大學畢業(yè)生，是每所高等院校本科教育教學中的關(guān)注點。本文以計算機組成原理課程教學為例，探討了如何把能力培養(yǎng)融入到課堂教學中，以課堂教學內(nèi)容為基礎(chǔ)，培養(yǎng)工作單位需要的綜合能力。

關(guān)鍵詞：能力培養(yǎng)；本科教育；教學研究

一、能力培養(yǎng)存在的認識誤區(qū)及應(yīng)對

目前，高等教育已由原來注重理論教學轉(zhuǎn)向?qū)W生能力的培養(yǎng)，逐步以社會、企事業(yè)等單位的用人要求相一致，本文以計算機專業(yè)基礎(chǔ)課“計算機組成原理”為例探討了如何培養(yǎng)出能力出眾、具有可以“解決問題”能力的高校畢業(yè)生。高校講授的課程門類繁多，有些課程與實際生活聯(lián)系緊密，有些課程則偏重理論方面，致使有些授課老師想當然地認為，自己所教授的課程與能力、素質(zhì)、創(chuàng)新無關(guān)，例如把素質(zhì)培養(yǎng)職責推給高校管理人員，這無疑是能力培養(yǎng)的誤區(qū)之一。事實上，學生能力的培養(yǎng)離不開授課教師的引導(dǎo)和責任心。此外，能力培養(yǎng)的另外一個誤區(qū)是，混淆知識、能力、素質(zhì)、創(chuàng)新的概念，搞不清如何實現(xiàn)能力培養(yǎng)、素質(zhì)教育和創(chuàng)新教育。為走出這一誤區(qū)，需要重新明確這幾個概念及其內(nèi)在聯(lián)系。知識、能力、素質(zhì)、創(chuàng)新是統(tǒng)一的。知識是基礎(chǔ)，能力是核心，素質(zhì)和創(chuàng)新體現(xiàn)在能力中。學習可以獲得知識，實踐可以獲得能力。能力培養(yǎng)體現(xiàn)在每一個教學環(huán)節(jié)中。能力是在實踐活動中形成和發(fā)展起來的，且不是一朝一夕的事，“培養(yǎng)能力”在課堂上無法落實，因而不能作為課堂教學目標。然而，課堂教學又必須重視能力的“培養(yǎng)”，教學中，要在明確能力形成和發(fā)展條件的前提下，認真落實三維目標，保證學生主體，重視學生的主體參與和動手操作，根本途徑在于改變教學方式，體現(xiàn)在課堂教學的目標上，就是為發(fā)展能力獲得相應(yīng)的知識技能和方法，經(jīng)歷一定的學習過程和體驗。面對具體問題，在特定的環(huán)境下提出針對此問題的解決方法，并堅信辦法總比困難多，這樣我們就可以說你具備了解決問題的能力。

二、計算機組成原理課程中體現(xiàn)的能力培養(yǎng)

計算機是具有信息表示、運算、存儲及其他信息處理能力的復(fù)雜系統(tǒng)。在計算機專業(yè)課的教學中，除了講授基本的計算機理論知識外，還應(yīng)培養(yǎng)學生“解決問題”的能力，包括軟硬件的設(shè)計與實現(xiàn)等現(xiàn)實生活中需要的能力。這種能力在某種程度上體現(xiàn)為解決問題的思路，計算機組成原理課程中處處體現(xiàn)著這種以“解決問題”為導(dǎo)向的思路，同時也是能力培養(yǎng)的思路。

（一）有限資源利用效率最大化

做任何事情都會有成本或者代價，即使不是用錢來衡量，也會是其他方面的代價。受雇于企事業(yè)單位的高校畢業(yè)生，接到單位需要完成的工作任務(wù)，應(yīng)優(yōu)先考慮成本代價。如何用最小的成本高質(zhì)量完成任務(wù)，往往是衡量一名員工能力強弱的指標。計算機中的信息可以用多種形式表示，如整數(shù)、小數(shù)、文字、圖片、音頻、視頻等，而目前主流的計算機只能存儲0和1組成的位串。因此，在計算機中表示信息，需要特定的規(guī)則。以浮點數(shù)為例，浮點數(shù)的數(shù)量有無窮多個，而計算機中只能使用有限的比特位表示一定范圍內(nèi)的浮點數(shù)。盡管如此，在我們使用計算機過程中，這種表示法的限制并沒有給實數(shù)的表示帶來大的麻煩。這是因為在計算機數(shù)據(jù)表示法中，蘊含著有限資源利用效率最大化道理。為了表示盡可能多的實數(shù)，計算機設(shè)計者們采用了科學計數(shù)法的方式，表示計算機中的浮點數(shù)，把浮點數(shù)分為整數(shù)部分和小數(shù)部分，這樣可使實數(shù)的表示范圍成幾何級增長，使用有限的比特位（如32位、64位等）可表示的數(shù)值范圍足夠我們?nèi)粘５氖褂?。更進一步，由于在二進制的科學計數(shù)法中，小數(shù)點前總是1，即都是1.xxx的形式。因此，在IEEE754浮點數(shù)標準中規(guī)定，這個1也可以省略，節(jié)省出1比特的空間分配給小數(shù)點后的部分。這樣就人為地“創(chuàng)造”了1位精度。通過這個例子可以看出，在資源受限的情況下，要高質(zhì)量地完成一個任務(wù)，需要提高資源的利用率，最大限度地開發(fā)資源的可利用空間。沒有人擁有無限的資源，做任何事情的資源都是有限的，恰恰是有限的資源才能造就出色的設(shè)計者或工程師，也最能體現(xiàn)一名員工的“解決問題”的能力。

（二）困難問題分解最大化

現(xiàn)實生活中采用分解法解決問題的例子比比皆是。要解決一個難題，通常情況下都不能一下解決掉，否則就不能稱作難題了。為了解決難題，一般需要把問題細化，分幾步逐個解決。這樣，一個困難問題的解決，就像剝洋蔥一樣層層展開，其中局部上可能還需要深耕細作。在“計算機組成原理”課程中，CPU流水線的設(shè)計與實現(xiàn)應(yīng)該算作一個難題。按照困難問題分解法的思路，可以這樣描述這部分內(nèi)容：順序執(zhí)行指令的處理器效率差（問題），需要引入流水線技術(shù)使多條指令并行執(zhí)行（方法），而前后相鄰指令的相關(guān)性會導(dǎo)致流水線運行結(jié)果的錯誤（問題），需要插入空操作指令來間隔兩條相鄰的指令（方法），而大量無效空操作會降低處理器效率，甚至退化為順序執(zhí)行（問題），采用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)或旁路機制，將線路上還未寫入寄存器的數(shù)據(jù)直接用作下一條指令的輸入（方法）。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和旁路無法解決所有的相關(guān)性（問題），特殊情況要使用暫停等機制（方法）?？偨Y(jié)上述內(nèi)容，先把難題分解成易于解決的“問題”，隨著一個問題的解決，又可能引出另一個新的問題，在逐層解決問題的過程中，問題規(guī)模逐漸變小，可解決的情況不斷增加，直至解決所有問題，最終整個難題得到解決。這一過程并不容易，既需要有清晰的大局觀，又要專注于細節(jié)，但是經(jīng)歷這一過程把難題分解直至解決后，所得到的不僅僅是難題的解決方案，還有自身能力的提升。在現(xiàn)代社會中，這種需要分解法解決的難題不僅在學習中會遇到，在工程上會遇到，在科學研究上也會經(jīng)常碰到。在愈發(fā)復(fù)雜的社會分工協(xié)作鏈條中，人們付出與回報的間隔越來越長，目標和行動看起來越來越缺乏直接聯(lián)系。一個看似無法解決的大難題，在最大化地分解成多個小問題后，如果通過有效的方法解決掉各個小問題，那么大的難題也自然會得到解決。這種最大化難題分解法需要教師在課程教授中時時滲透，也同樣需要學生在學習中細細體會。

（三）多個維度平衡最優(yōu)化

現(xiàn)實中資源總是有限的而目標又是多元化的，這就涉及到在多個維度中尋找平衡的策略，找到解決問題的折中方案。具體到計算機存儲系統(tǒng)中，目標是速度、容量和價格。計算機存儲系統(tǒng)是金字塔式的層次結(jié)構(gòu)：位于最上層寄存器訪問速度最快，但是存儲容量最小且價格最貴；次高層的高速緩存訪問速度比較快，容量稍大，價格比較貴；第三層的主存儲器訪問速度一般，容量一般，價格也一般；下層的外存（磁盤、光盤、磁帶）訪問容量最大，價格也便宜，但是速度慢。似乎沒有兩全其美的辦法，設(shè)計存儲器時不能簡單地選擇其中任何一種存儲介質(zhì)，來達成在多個維度（速度、容量、價格）之間的平衡。實際上，計算機存儲器系統(tǒng)是一個具有不同容量、成本和訪問時間的存儲設(shè)備的層次結(jié)構(gòu)。CPU內(nèi)的寄存器保存著最常用的數(shù)據(jù)。靠近CPU的快速高速緩存作為緩沖區(qū)域，負責暫存原本存儲在相對慢速的主存儲器中的部分數(shù)據(jù)和指令。與此原理一致，主存則是暫時存放那些程序執(zhí)行中需要的，原本存儲在慢速、大容量外存（磁盤、磁帶、光盤）上的部分數(shù)據(jù)，而且聚焦到高速緩存也同樣采用了分層設(shè)計，也體現(xiàn)出了平衡的藝術(shù)。我們?nèi)松械脑S多事情也這個道理，當面對多元化的條件和目標時，需要根據(jù)實際問題，找到多個維度下最佳的平衡點，使目標收益最大化。多個維度目標下的平衡最優(yōu)化，無疑也是一種高能力的體現(xiàn)。

三、結(jié)語

在高等教育課堂教學過程中，以能力培養(yǎng)為目標，抓住課程內(nèi)容蘊含的道理至關(guān)重要。課程的學習不單單體現(xiàn)在對課程內(nèi)容掌握的程度上，還要注重對課程內(nèi)容所體現(xiàn)的原則和方法的理解和運用上。

參考文獻：

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作者：張銘泉 程曉榮 單位：華北電力大學（保定）計算機系