計算機組成與結構課程教學的探討與實踐

黃麗達　趙歡　楊科華　劉彥

摘要：計算機組成與結構是智能科學與技術專業的核心課程，是智能系統設計、計算機智能控制系統、智能機器人系統設計等后續專業課程的基礎。文章針對計算機組成與結構教學中的實際問題，分析課程特點及智能科學與技術專業本科生的學習特點，探討“大班授課+小班討論”模式如何應用于課程的教學實際，從教學內容、大班講授的課堂設計、小班討論的引導和積極計分策略、注重學習過程的成績評定方式等多個方面，闡釋教學實踐及其成果。

關鍵詞：計算機系統；注意力曲線；積極計分策略；學習過程

0引言

智能科學技術涵蓋智能科學、智能技術、智能工程3個層次的內容，各層次分別圍繞人機結合智能系統的相關理論、方法以及智能技術工具創建應用系統。因而，對于智能科學與技術專業的學生，能夠從系統級的觀點考慮科學問題并進行相關工程設計，具有重要意義。根據ACM/IEEE最新公布的相關課程指導文獻，計算機組成與結構是系統類課程群的重要組成之一，涉及系統基礎（systems fundamental，SF）、體系結構與組成（architecture and organization，AR）、操作系統（operating systems，OS）等多個知識域（BoK），對于以智能科學與技術為代表的計算機工程專業學生系統觀的培養以及系統能力的增強，起到關鍵作用。

隨著我國高等教育已經從精英化向大眾化甚至普及化的轉變，對本科生的培養要求進一步提高。讓最廣泛的學生獲得最基本的核心內容學習，是教學的主要目標，相應的教學理念也從傳統的“以教師講授為中心”轉換為“以學生為中心”。為此，我們針對計算機組成與結構課程教學所面臨的若干挑戰進行了一些有益的探索和實踐。

1教學內容的調整

本課程采用國際一流大學卡耐基·梅隆大學（Carnegie Mellon University，CMU）的《深入理解計算機系統》作為課程教材，該書是當前國際上計算機組成與結構課程的主流教材，書的整體內容在廣度上大于之前國內使用的傳統的計算機組成原理教材?？紤]到16周的教學周期，以及旨在讓智能科學與技術專業的學生著重理解硬件、操作系統和編譯系統對應用程序的性能和正確性的影響，而不論及低層次的處理器體系結構，我們將教學內容限定在數據在機器內的表示、程序的機器級表示、程序性能優化、存儲器層次結構、鏈接、異?？刂屏饕约疤摂M存儲器等。然而待講授的內容仍然是極為豐富的，尤其是面對僅學習過C或C++高級程序語言的大二本科生，如何在2～3周的時間習慣Linux的命令行操作以及匯編程序的理解是本課程教學之初需要解決的重要問題。

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教學及評判方式的轉變

目前國內本科教學改革在課堂教學方面先后出現了翻轉課堂、對分課堂等新的課堂組織形式，鑒于本課程授課對象是包括智能科學與技術專業在內的6個專業、逾300名全職在校本科生，同時根據本課程的院核心課程的定位、學生的前修知識基礎和學習特點，以及學生數目和層次的弱差異性，課程組決定對本課程采取大班授課（64學時）+小班討論課（16學時）的形式組織教學，其中大班課的單位是所有學生，小班課則以自然班為單位（30人左右），學生作為討論主體。大班授課面臨的主要問題包括聽課學生人數眾多、講授內容多且難度大、課程進度快；小班討論課亟待解決的問題則是如何激勵學生討論的積極性、討論課內容與大課內容如何銜接等。課程實驗即使用教材配備的CMU課程實驗。在本門課程中，大班授課、小班討論、課程實驗是相輔相成的。

如何評判學生的學習效果一直是本科教學中的研討重點。傳統的筆試至今依然是國內高校使用最普遍的學習評估方式。在多年的教學實際中，我們發現學生在相應課程的期末筆試中獲得“卷面高分”和“確實達到了課程教學目標既定要求”這兩者并不能畫上等號。為了鼓勵學生在本門課程投入足夠的精力，激發其主動學習和自己動手的積極性，本課程在學生成績評判上，更關注學習過程，強調動手實踐，有意弱化期末卷面成績。這與著重培養以智能科學與技術專業為代表的工程類學生動手實踐能力的總體目標相一致。本課程總體成績的構成為平時作業：小班報告：小班提問：實驗實踐：卷面筆試=1：2：1：3：3，即課程成績散布于學生在學習本課程的全部過程，這樣的分數分配對日常教學與課程實驗起到了重要的推動作用。

2.1大班集中式講授

大班課堂以教師講授為主要形式，其目的在于解構課程知識體系、闡釋關鍵知識點、串聯知識點的關系、展示經典實例及啟發學生思路。

學生在學習一門課之前，尤其是一門核心必修課程，通常對課程整體缺乏理解，甚至有時候整門課程學完了，不少學生對這一門課程到底講了什么、為什么所在專業需要修習這門課程仍然不了解，靠死記硬背應付完考試，很快就不記得課程學習的內容了。這樣的課程教學顯然并未達到預計的效果。大課的教學最重要的目標之一就是從系統化的角度為學生講述這門課程的架構。對計算機組成與結構而言，學生應該知道本門課程的內容位于軟件和硬件的交界處，與前修的數字邏輯電路設計比較，后者處于計算機系統層次結構中的下層，與后續操作系統等軟件技術課程緊密關聯。例如數據在機器中的保存，在數字邏輯課程中已有涉及，但在本門課程中，學習數據以及程序在機器中的表示是為了更好地編寫高質量的程序代碼，通過閱讀和理解反匯編生成的代碼，學生可以一窺系統內部運行機制及其對程序執行影響。

大班一次授課時長為90分鐘。文獻[8]指出，當代大學生一堂課的注意力曲線如圖1所示。即在一次課的頭5～10分鐘，學生的注意力逐漸提升，隨后出現下降并持續到這一次課程的結束。文獻[9-10]指出，從單次課程的時間進度看，在課堂講授進行到10～15分（甚至可能3～5分鐘），學生就會出現認知超載問題。這意味著，在學生注意力可能恰好或快要達到峰值的時候，即出現認知超載，這會加劇學生注意力下降的速度和程度，使得課堂教學的效果難以保證。這種認知負荷的出現，其內在原因是由學習材料引起的，比如像《深入理解計算機系統》這樣單個單元概念密集、跨度明顯的教材，以及計算機組成與結構課程本身的特點也決定了這不會是一門簡單的入門課程；認知負荷的外在原因則直接受控于教學設計者，即授課教師，外在認知和相關認知負荷可以很好地由授課教師來控制，對內在認知負荷的產生會有減緩作用。

主講教師需要根據課堂進度、授課內容進行精心設計。首先，大課集中講授主要用于闡釋關鍵知識點，例如第8章“異?？刂屏鳌钡牡?節，2頁的書面內容，連續出現了異常、中斷、故障、陷阱、終止、內核模式、虛擬存儲、頁面映射等十幾個新術語，其中虛存的概念還要在下一章才會講到，若按部就班進行講授，需要20～30分鐘的授課時間，學生會覺得難以承受，即出現所謂的認知負荷超載。因此我們在授課的時候對這一部分進行提煉，從學生之前在高級語言中學習過的“異?！毙g語開始，在比較中解釋本章更廣義的“異?！备拍?；從學生熟悉的“過程調用”開始，在比較中闡釋“異常返回”的動作；從學生相對熟悉的“斷點”概念開始，比較并闡述“trap”“faults”和“aborts”，而“頁故障”的典型示例僅提及而不展開，明確告訴學生在后一章節的學習中再討論。當課程進入“虛存”一章的“頁處理”部分，再回溯到“頁故障”的異常及其處理，使學生能夠從虛存和異常兩個角度對“缺頁處理”有完整認識。即在大課集中講授中為學生顯式展現知識點之間的關聯關系，以提供知識點地圖的方式，幫助學生理順章節之間的聯系。對學生加深理解學習內容大有裨益。

當然僅凝練知識點、網絡化連接知識點仍然無法解決學生注意力曲線的持續下墜趨勢。在本課程教學實踐中依據90—20—8原則，調整授課節奏是一個實際有效的方案，即一次90分鐘的課堂時間，按照不超過20分鐘講授時長，將知識點分成相對集中的若干模塊，模塊與模塊之間以提問式反思、最新技術發展、業內小故事等給學生以認知負荷緩沖；而每8分鐘就要給學生一個正向刺激，這個刺激需要由實際授課老師提前做多種設計，再根據學生的現場狀態進行“投放”，諸如提問式互動，甚至小笑話等都能達到預期作用，那么相應的大班課堂的教學效果就能獲得保證，一堂課中，較為理想的學生注意力變化曲線如圖2所示。

在大班課堂中提出來的反思式問題并不需要教師立即解答，這類問題通常也不是一兩句話就能夠解釋，而且還涉及一定的背景知識，這類問題就適合放到小班課中供學生進行討論式學習。

2.2小班討論式教學

小班討論式學習在國外高校中早已有之，無論是教師組織的圓桌式討論課，還是學生自發形成的學習組，對于國外從幼兒園開始就鼓勵提問的教學模式下成長的學生，討論式學習是很自然的事情。相較之下，國內從義務教育階段直至高中階段的教育仍然是以教師講授、學生記錄為主要教學模式，當然這與國內龐大的學生數目、歷史悠久的教學傳統、選拔式的學習結果考查等現實情況相契合，這就導致我國大部分學生在進入大學后，沒有討論式學習的習慣，尤其是主動提問表現的欲望相對不高。這種情況下，小班討論課可能就會流于形式，甚至仍然回到教師上面講、學生下面聽的老套路。

通過觀察與問卷可以發現，我們的學生并不是不會提問、不會討論。較為常見的情況是一個班學習能力較強的幾人之間或者同一寢室內的課下討論，這種討論在學生之間自發進行，通常以搞清楚一道題目如何完成為主要內容。因此學生缺乏的不是討論式學習的能力，缺乏的是討論學習的經驗，這需要教師進行引導。以學生報告與討論為主要形式的小班討論課，教師的角色不是弱化為聽眾，而是轉變為引導者和激勵者。

本課程的小班討論首先要進行分組，每組3～5人，各組從若干選題中擇其一進行課前組內討論，形成報告，在小班課上匯報，并在課上進行組間討論。這種基本的小班討論課的組織存在一些問題，例如報告可能總是由組內一兩個人來完成，其他人參與度低；一組報告完畢，沒有提問，即組間討論不足；每個組只關心自己的討論題目；報告內容較為表面化，多從百度百科復制粘貼，完成質量一般等。

針對上述問題，我們采用了一些計分策略及課堂引導，使得小班討論課的課堂活躍度和學習效果能夠得到提升。

首先在問題的設計上，嚴格和大班講授或課程實驗掛鉤。討論課與課程實驗是相輔相成的，尤其是與教材配套的CMU原版實驗，設計巧妙，需要學生在不斷試錯的“游戲闖關”式的實驗實踐過程中獲得結果，是每名學生都必須完成的內容，然而完成的方法卻各有特色，因此相關實驗的討論題目設計，既是實驗過程的再現也是實驗成果的交流，會在學生中引發強烈共鳴，不論是組內報告的質量，還是報告時組間聆聽的沉浸度都會有明顯提升。題目設計與大班講授式的反思式提問關聯，也有類似的效果。

為了進一步推進組內在課前報告準備階段的討論，需要由教師在小班課堂進行引導。例如，由教師在課上隨機指定報告人，采用一人報告全組共同計分的方式，能有效確保全組在既定選題上的學習成果處于同一個較高的水平，從而避免一個組內只有少數學生真正學習并準備報告的情況。隨機指定的報告人進行報告的情況，是當次全組學生的得分依據，因而課前組內每一名學生都會積極準備。無論是擔任組內“領袖式”角色的理解能力或動手能力較強的同學出于確保個人成績的原因，會更為主動地和組內其他同學交流；還是相對理解能力較為一般的同學，均能從課前討論中真正獲得進步，很多時候還能迸發出對實驗和課程內容的新理解。這也進一步促進了學生報告質量的提升。

小班討論課的特點一方面在于學生自主報告展示課前討論成果，另一方面就在于課堂報告后組間的提問互動。我國學生的主動提問意識需要加以引導，可以先從教師對報告進行引導式提問開始，無論報告正在進行中還是結束后均可以進行相關提問，一般而言一旦有一個提問開頭，接下來的提問就自然發生了；同時，可以將提問按次計人報告成績和個人成績以鼓勵學生進行提問，推進討論課互動，還可以將報告成績交由組間進行互評，這在鼓勵討論課課堂討論的同時，也促使了報告組課前的充分準備和報告質量的進一步提升。

采用了前述題目設計策略和積極計分方式之后，學生討論課上的活躍程度有了明顯改善，許多學生會主動查閱相關文獻，使得報告的廣度和深度均得到拓展，甚至PPT的精美程度都有了飛躍式的變化。以單次報告平均得分、單次討論課內平均提問人次以及一學期內各班提問人數為主要衡量指標，與未采用前述小班設計時比較曲線如圖3所示，可見，通過與大班課及實驗內容強相關的討論題設計并采用積極的計分策略確實使小班討論課的質量更高。

3結語

“大班授課+小班討論”模式的課程組織應用到該門課程實際教學操作中，我們對大班授課內容、大班授課節奏、小班討論題目、計分評價標準等多方面進行了有益的探索和實踐，獲得了良好的效果。好的課程源于精心的設計，以學生為中心的教學能夠讓最廣泛的學生習得課程的核心內容。隨著每屆學生的特性變化，如何讓本門課程的教與學有效、有趣、有意義是我們持續探討和實踐本課程教學改革下一步工作。

（編輯：彭遠紅）