以能力培养为目标的计算机组成原理教学研究

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　　摘要：能力培养已成为当下高等教育的重点内容，如何培养出超越课本知识，具有现实工作需要实践能力的大学毕业生，是每所高等院校本科教育教学中的关注点。本文以计算机组成原理课程教学为例，探讨了如何把能力培养融入到课堂教学中，以课堂教学内容为基础，培养工作单位需要的综合能力。
　　关键词：能力培养;本科教育;教学研究
　　中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）11-0221-02
　　 一、能力培养存在的认识误区及应对
　　目前，高等教育已由原来注重理论教学转向对学生能力的培养，逐步以社会、企事业等单位的用人要求相一致，本文以计算机专业基础课“计算机组成原理”为例探讨了如何培养出能力出众、具有可以“解决问题”能力的高校毕业生。
　　高校讲授的课程门类繁多，有些课程与实际生活联系紧密，有些课程则偏重理论方面，致使有些授课老师想当然地认为，自己所教授的课程与能力、素质、创新无关，例如把素质培养职责推给高校管理人员，这无疑是能力培养的误区之一。事实上，学生能力的培养离不开授课教师的引导和责任心。
　　此外，能力培养的另外一个误区是，混淆知识、能力、素质、创新的概念，搞不清如何实现能力培养、素质教育和创新教育。为走出这一误区，需要重新明确这几个概念及其内在联系。知识、能力、素质、创新是统一的。知识是基础，能力是核心，素质和创新体现在能力中。学习可以获得知识，实践可以获得能力。能力培养体现在每一个教学环节中。能力是在实践活动中形成和发展起来的，且不是一朝一夕的事，“培养能力”在课堂上无法落实，因而不能作为课堂教学目标。然而，课堂教学又必须重视能力的“培养”，教学中，要在明确能力形成和发展条件的前提下，认真落实三维目标，保证学生主体，重视学生的主体参与和动手操作，根本途径在于改变教学方式，体现在课堂教学的目标上，就是为发展能力获得相应的知识技能和方法，经历一定的学习过程和体验。面对具体问题，在特定的环境下提出针对此问题的解决方法，并坚信办法总比困难多，这样我们就可以说你具备了解决问题的能力。
　　二、计算机组成原理课程中体现的能力培养
　　计算机是具有信息表示、运算、存储及其他信息处理能力的复杂系统。在计算机专业课的教学中，除了讲授基本的计算机理论知识外，还应培养学生“解决问题”的能力，包括软硬件的设计与实现等现实生活中需要的能力。这种能力在某种程度上体现为解决问题的思路，计算机组成原理课程中处处体现着这种以“解决问题”为导向的思路，同时也是能力培养的思路。
　　（一）有限资源利用效率最大化
　　做任何事情都会有成本或者代价，即使不是用钱来衡量，也会是其他方面的代价。受雇于企事业单位的高校毕业生，接到单位需要完成的工作任务，应优先考虑成本代价。如何用最小的成本高质量完成任务，往往是衡量一名员工能力强弱的指标。计算机中的信息可以用多种形式表示，如整数、小数、文字、图片、音频、视频等，而目前主流的计算机只能存储0和1组成的位串。因此，在计算机中表示信息，需要特定的规则。以浮点数为例，浮点数的数量有无穷多个，而计算机中只能使用有限的比特位表示一定范围内的浮点数。尽管如此，在我们使用计算机过程中，这种表示法的限制并没有给实数的表示带来大的麻烦。这是因为在计算机数据表示法中，蕴含着有限资源利用效率最大化道理。为了表示尽可能多的实数，计算机设计者们采用了科学计数法的方式，表示计算机中的浮点数，把浮点数分为整数部分和小数部分，这样可使实数的表示范围成几何级增长，使用有限的比特位（如32位、64位等）可表示的数值范围足够我们日常的使用。更进一步，由于在二进制的科学计数法中，小数点前总是1，即都是1.xxx的形式。因此，在IEEE 754浮点数标准中规定，这个1也可以省略，节省出1比特的空间分配给小数点后的部分。这样就人为地“创造”了1位精度。
　　通过这个例子可以看出，在资源受限的情况下，要高质量地完成一个任务，需要提高资源的利用率，最大限度地开发资源的可利用空间。没有人拥有无限的资源，做任何事情的资源都是有限的，恰恰是有限的资源才能造就出色的设计者或工程师，也最能体现一名员工的“解决问题”的能力。
　　（二）困难问题分解最大化
　　现实生活中采用分解法解决问题的例子比比皆是。要解决一个难题，通常情况下都不能一下解决掉，否则就不能称作难题了。为了解决难题，一般需要把问题细化，分几步逐个解决。這样，一个困难问题的解决，就像剥洋葱一样层层展开，其中局部上可能还需要深耕细作。
　　在“计算机组成原理”课程中，CPU流水线的设计与实现应该算作一个难题。按照困难问题分解法的思路，可以这样描述这部分内容：顺序执行指令的处理器效率差（问题），需要引入流水线技术使多条指令并行执行（方法），而前后相邻指令的相关性会导致流水线运行结果的错误（问题），需要插入空操作指令来间隔两条相邻的指令（方法），而大量无效空操作会降低处理器效率，甚至退化为顺序执行（问题），采用数据转发或旁路机制，将线路上还未写入寄存器的数据直接用作下一条指令的输入（方法）。数据转发和旁路无法解决所有的相关性（问题），特殊情况要使用暂停等机制（方法）。总结上述内容，先把难题分解成易于解决的“问题”，随着一个问题的解决，又可能引出另一个新的问题，在逐层解决问题的过程中，问题规模逐渐变小，可解决的情况不断增加，直至解决所有问题，最终整个难题得到解决。这一过程并不容易，既需要有清晰的大局观，又要专注于细节，但是经历这一过程把难题分解直至解决后，所得到的不仅仅是难题的解决方案，还有自身能力的提升。
　　在现代社会中，这种需要分解法解决的难题不仅在学习中会遇到，在工程上会遇到，在科学研究上也会经常碰到。在愈发复杂的社会分工协作链条中，人们付出与回报的间隔越来越长，目标和行动看起来越来越缺乏直接联系。一个看似无法解决的大难题，在最大化地分解成多个小问题后，如果通过有效的方法解决掉各个小问题，那么大的难题也自然会得到解决。这种最大化难题分解法需要教师在课程教授中时时渗透，也同样需要学生在学习中细细体会。 　　（三）多個维度平衡最优化
　　现实中资源总是有限的而目标又是多元化的，这就涉及到在多个维度中寻找平衡的策略，找到解决问题的折中方案。具体到计算机存储系统中，目标是速度、容量和价格。计算机存储系统是金字塔式的层次结构：位于最上层寄存器访问速度最快，但是存储容量最小且价格最贵;次高层的高速缓存访问速度比较快，容量稍大，价格比较贵;第三层的主存储器访问速度一般，容量一般，价格也一般;下层的外存（磁盘、光盘、磁带）访问容量最大，价格也便宜，但是速度慢。似乎没有两全其美的办法，设计存储器时不能简单地选择其中任何一种存储介质，来达成在多个维度（速度、容量、价格）之间的平衡。
　　实际上，计算机存储器系统是一个具有不同容量、成本和访问时间的存储设备的层次结构。CPU内的寄存器保存着最常用的数据。靠近CPU的快速高速缓存作为缓冲区域，负责暂存原本存储在相对慢速的主存储器中的部分数据和指令。与此原理一致，主存则是暂时存放那些程序执行中需要的，原本存储在慢速、大容量外存（磁盘、磁带、光盘）上的部分数据，而且聚焦到高速缓存也同样采用了分层设计，也体现出了平衡的艺术。
　　我们人生中的许多事情也这个道理，当面对多元化的条件和目标时，需要根据实际问题，找到多个维度下最佳的平衡点，使目标收益最大化。多个维度目标下的平衡最优化，无疑也是一种高能力的体现。
　　三、结语
　　在高等教育课堂教学过程中，以能力培养为目标，抓住课程内容蕴含的道理至关重要。课程的学习不单单体现在对课程内容掌握的程度上，还要注重对课程内容所体现的原则和方法的理解和运用上。
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　　Research on Computer Organization Principle Teaching Based on Ability Training
　　ZHANG Ming-quan，CHENG Xiao-rong
　　（Department of Computer，North China Electric Power University，Baoding，Hebei 071003，China）
　　Abstract：In recent years，ability training has become the key content of the higher education.How to cultivate college graduates who are beyond the knowledge of textbooks and have practical ability in practical work is the focus of education and teaching in every institution of higher teaching.Based on the teaching of computer composition principle，this paper discusses how to integrate the ability training into the classroom teaching，based on the content of classroom teaching and training the practical ability of the company.
　　Key words：ability training;undergraduate education;teaching research
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