談抽象知識(shí)點(diǎn)示例化教學(xué)過(guò)程

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摘要：教學(xué)知識(shí)點(diǎn)的抽象性使其對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)是不易理解、不宜學(xué)習(xí)的。本文以《計(jì)算機(jī)組成原理》為例探討把抽象知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行示例化展示的方法，實(shí)現(xiàn)直觀、形象和生動(dòng)地講述抽象知識(shí)點(diǎn)，達(dá)到提高學(xué)生理解能力和學(xué)習(xí)興趣的目的。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)組成原理；抽象；示例化

1引言

抽象性是計(jì)算機(jī)理論課程的基本特點(diǎn)。理解抽象的概念或原理，常常需要借助更為直觀的手段和材料。利用具體的實(shí)例來(lái)呈現(xiàn)抽象的教學(xué)內(nèi)容，就是一種重要的直觀教學(xué)手段。所謂示例化教學(xué)法，就是通過(guò)一些經(jīng)典的示例展示來(lái)輔助教學(xué)，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過(guò)學(xué)習(xí)、掌握、模仿、提高等環(huán)節(jié)，逐步引導(dǎo)學(xué)生在理論學(xué)習(xí)中步步扎實(shí)，層層遞進(jìn)，提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生多方面的能力[1]。示例教學(xué)法能夠充分利用有效的課堂時(shí)間，實(shí)例化展示，拓展學(xué)生的知識(shí)面，挖掘?qū)W生的學(xué)習(xí)潛能，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力和創(chuàng)新意識(shí)，活躍學(xué)生的學(xué)習(xí)氛圍，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與動(dòng)手能力，從而提高應(yīng)用型人才培養(yǎng)的質(zhì)量，達(dá)到理論教學(xué)與實(shí)際相結(jié)合、易學(xué)易懂的目標(biāo)要求?！队?jì)算機(jī)組成原理》課程是計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)本科階段極其重要的核心課程，內(nèi)容多、學(xué)習(xí)難度大，多年來(lái)一直被認(rèn)為是既難教又難學(xué)的課程[2]。它的主要教學(xué)任務(wù)是使學(xué)生能系統(tǒng)而完整地理解計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理，通過(guò)實(shí)驗(yàn)課程的操作訓(xùn)練培養(yǎng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)分析、應(yīng)用、設(shè)計(jì)的能力，在整個(gè)專(zhuān)業(yè)課的教學(xué)過(guò)程中，它起到了承上啟下的作用[3]。該課程由于具有內(nèi)容較多且抽象、知識(shí)面廣、難度大的特點(diǎn)，學(xué)生通常對(duì)所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)及概念理解不透徹，無(wú)法將所學(xué)理論原理與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系在一起。因此如何將抽象教學(xué)內(nèi)容采用示例進(jìn)行展示，讓學(xué)生有更直觀的感觀是教學(xué)實(shí)踐中應(yīng)該考慮的問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)《計(jì)算機(jī)組成原理》若干抽象知識(shí)點(diǎn)的解析，指出在本課程教學(xué)中遇到的一些典型問(wèn)題，并探討該課程的教學(xué)設(shè)計(jì)方法。

2存在的主要問(wèn)題

《計(jì)算機(jī)組成原理》課程教學(xué)一直以理論教學(xué)為主，少量實(shí)驗(yàn)教學(xué)為輔。比如對(duì)河南工程學(xué)院計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)來(lái)說(shuō)，《計(jì)算機(jī)組成原理》總課時(shí)64，其中理論課時(shí)56，實(shí)驗(yàn)課時(shí)8。學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程難度較大，教學(xué)效果不理想。許多教材理論性較強(qiáng)，內(nèi)容陳舊且知識(shí)覆蓋面窄，缺乏與前沿技術(shù)的結(jié)合，教材中的知識(shí)點(diǎn)多且雜，學(xué)生對(duì)課程不感興趣[4]。另外大多教材配套的課件都是書(shū)本章節(jié)內(nèi)容的簡(jiǎn)單羅列，內(nèi)容缺乏多樣性，且比較空洞，對(duì)抽象和重要的知識(shí)點(diǎn)理解幫助不大，實(shí)質(zhì)性使用價(jià)值也不大，很難調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣?！队?jì)算機(jī)組成原理》課程屬于硬件課程范疇，表面上看，硬件是能夠看得見(jiàn)摸得著的物理實(shí)體，但由于該課程的特殊性，要求深入到物理實(shí)體的內(nèi)部或者組件的內(nèi)部去了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，理解其工作原理[5]。因此該課程所涉及的大部分內(nèi)容，比如控制器的功能、運(yùn)算器的原理、信息的存儲(chǔ)、指令的執(zhí)行等知識(shí)對(duì)大多數(shù)學(xué)生來(lái)說(shuō)都是抽象的，不易理解的。鑒于以上在《計(jì)算機(jī)組成原理》教學(xué)中的主要問(wèn)題以及教師在教學(xué)中的重要作用，思考在教學(xué)實(shí)踐中如何將抽象的教學(xué)內(nèi)容采用示例進(jìn)行展示，從而讓學(xué)生有更直觀的感觀。本文以《計(jì)算機(jī)組成原理》中“SRAM存儲(chǔ)芯片存儲(chǔ)矩陣”以及“Cache與主存地址映射”兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)為例，通過(guò)把抽象的知識(shí)點(diǎn)示例化來(lái)探討《計(jì)算機(jī)組成原理》的教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)。

3示例化教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)

由于河南工程學(xué)院以唐朔飛編著的《計(jì)算機(jī)組成原理》作為本科授課教材，因此本文也以該教材中的內(nèi)容為基礎(chǔ)，針對(duì)該教材中相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的講述，探討計(jì)算機(jī)組成原理的教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)。

3.1SRAM存儲(chǔ)芯片存儲(chǔ)矩陣

在對(duì)該抽象知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講述時(shí)，按照以下步驟進(jìn)行示例展示。（1）對(duì)SRAM的基本電路單元進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖1（上）所示。行地址選擇和列地址選擇同時(shí)有效表示SRAM存儲(chǔ)元處于“可操作”狀態(tài)；讀寫(xiě)控制線(xiàn)控制對(duì)存儲(chǔ)元的讀寫(xiě)操作；數(shù)據(jù)線(xiàn)用于數(shù)據(jù)輸入或者讀出。圖1（上）可以直觀地說(shuō)明SRAM基本電路單元所具有的功能，并為SRAM存儲(chǔ)芯片存儲(chǔ)矩陣的構(gòu)成提供基礎(chǔ)。由于數(shù)據(jù)線(xiàn)及讀寫(xiě)控制線(xiàn)對(duì)“SRAM存儲(chǔ)芯片存儲(chǔ)矩陣”構(gòu)成沒(méi)有影響，因此在介紹該知識(shí)點(diǎn)時(shí)可以對(duì)圖1（上）進(jìn)一步簡(jiǎn)化為圖1（下）。本文在以下描述中，為了降低示例的復(fù)雜度，都采用圖1（下）的形式，文字部分不再標(biāo)注。（2）SRAM存儲(chǔ)芯片容量表示為存儲(chǔ)單元數(shù)目*存儲(chǔ)單元字長(zhǎng)形式，設(shè)為M*N。則所需SRAM存儲(chǔ)元的數(shù)量為MN個(gè)。采用重合法盡量減少選擇線(xiàn)數(shù)目，把MN個(gè)存儲(chǔ)元，分布在長(zhǎng)寬為（MN）1/2構(gòu)成的矩陣上，如圖2所示。（3）每行中各個(gè)SRAM存儲(chǔ)元的行地址選擇相連，簡(jiǎn)稱(chēng)行線(xiàn)；每列中各個(gè)SRAM存儲(chǔ)元的列地址選擇相連，簡(jiǎn)稱(chēng)列線(xiàn)，如圖2所示。（4）對(duì)列線(xiàn)進(jìn)行重分配，按存儲(chǔ)單元字長(zhǎng)N進(jìn)行合成，形成共用列線(xiàn)，如圖2所示。（5）在行列兩個(gè)方向進(jìn)行譯碼，形成SRAM存儲(chǔ)芯片存儲(chǔ)矩陣，如圖2所示。

3.2Cache與主存地址映射

以“Cache與主存地址映射”中直接映射方式為例子，在對(duì)該抽象知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講述時(shí)，按照以下步驟進(jìn)行示例展示。示例中Cache中存儲(chǔ)單元數(shù)目為8，主存中存儲(chǔ)單元數(shù)位為32，塊大小為2個(gè)存儲(chǔ)單元。（1）分別以存儲(chǔ)單元和塊為單位，對(duì)Cache和主存進(jìn)行編址，得到存儲(chǔ)單元地址和塊地址，發(fā)現(xiàn)塊地址為塊中所包含存儲(chǔ)單元地址的高位。如圖3中標(biāo)號(hào)①所示。（2）依據(jù)直接映射原理，Cache塊與主存塊對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3標(biāo)號(hào)②所示。發(fā)現(xiàn)Cache塊號(hào)為對(duì)應(yīng)主存塊號(hào)的低位，如圖3標(biāo)號(hào)③所示。（3）在圖3標(biāo)號(hào)②區(qū)域，每個(gè)Cache塊對(duì)應(yīng)了4個(gè)主存塊。需要確認(rèn)Cache塊與裝入Cache中的主存塊之間的關(guān)系，因此為每個(gè)Cache塊增加“標(biāo)記”部分。通過(guò)觀察圖3標(biāo)號(hào)②發(fā)現(xiàn)，對(duì)任意Cache塊號(hào)來(lái)說(shuō)，其映射的主存塊號(hào)的高位部分是唯一的，如圖3標(biāo)號(hào)④所示。因此該部分可以作為“標(biāo)記”使用，如圖3標(biāo)號(hào)⑤所示。（4）總結(jié)（1）、（2）、（3）可以直觀地發(fā)現(xiàn)在直接映射方式下對(duì)主存地址格式分為標(biāo)記、Cache塊號(hào)及塊內(nèi)地址三部分。

3.3總結(jié)

《計(jì)算機(jī)組成原理》課程通過(guò)從內(nèi)部及底層剖析電子計(jì)算機(jī)的基本組成及其工作原理，使學(xué)生能夠掌握計(jì)算機(jī)主要硬件系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思想，并培養(yǎng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)觀點(diǎn)，從而教授學(xué)生的計(jì)算思維設(shè)計(jì)方法和解決實(shí)際數(shù)字系統(tǒng)問(wèn)題的能力。在課程的教學(xué)活動(dòng)中，講授計(jì)算機(jī)基本組成和工作原理的同時(shí)，恰到好處地運(yùn)用示例化教學(xué)，注重將所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，能夠使學(xué)生對(duì)抽象的理論產(chǎn)生較強(qiáng)的興趣，起到幫助理解、啟發(fā)思維、防止遺忘、化簡(jiǎn)難點(diǎn)、促進(jìn)創(chuàng)新、提高自主學(xué)習(xí)和活躍教學(xué)氣氛等作用。通過(guò)近幾學(xué)期課程教學(xué)方式的改革與實(shí)踐，提高了課程的教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的硬件設(shè)計(jì)能力和系統(tǒng)思維能力起到了積極的作用，教學(xué)效果良好。

4結(jié)束語(yǔ)

《計(jì)算機(jī)組成原理》是一門(mén)理論抽象但實(shí)踐又很強(qiáng)的課程。要提高該課程的教學(xué)質(zhì)量需要在理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容和方式上進(jìn)行不斷地研究和總結(jié)。對(duì)抽象的理論進(jìn)行示例化展示，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)上看到不僅僅是抽象的理論，而是形象、生動(dòng)、直觀的展示，對(duì)于提高學(xué)生的理解能力，提高學(xué)習(xí)效率都有很好的幫助。隨著當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展，《計(jì)算機(jī)組成原理》課程的教學(xué)方法仍然還有很多工作需要去探究和實(shí)踐。如何更好地在實(shí)際教學(xué)中對(duì)教學(xué)過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)還需要不斷地深入與探討。只有不斷改革、不斷總結(jié)才能有效地提升教學(xué)質(zhì)量，滿(mǎn)足學(xué)生日益增長(zhǎng)的專(zhuān)業(yè)求知需求。

參考文獻(xiàn)

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作者：李華 李松陽(yáng) 張順利 單位：河南工程學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院