以能力培养为目标的计算机组成教学

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

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IEEE754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。这样，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）多个维度平衡最优化

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。

参考文献：

[1]教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会.高等学校计算机科学与技术专业核心课程教学实施方案[M].北京:高等教育出版社,2009.

[2]唐朔飞,刘旭东,王诚,等.“计算机组成原理”课程教学实施方案[J].中国大学教学,2010,(11):42-45.

[3]顾容,杨青青,张蜜,等.面向能力培养的课群结构优化设计[J].高等工程教育研究,2018,(1):54-57.

[4]蒋永国,洪锋,董军宇.面向系统能力培养的计算机组成原理核心课程建设[J].计算机教育,2015,249(21):3-6.

作者：张铭泉 程晓荣 单位：华北电力大学（保定）计算机系