计算机组成原理与溯源教学法探索

李仲生 黄美玲

摘    要： 文章针对计算机组成原理课程知识点多、覆盖面宽、抽象性强等特点，根据实际生源情况，引入溯源法，通过回溯探求化繁为简、串知识成链的路子，并以存储器教学为例，系统地给出溯源法教学的层层推进过程。课堂教学证实：此法有助于消除学生的畏难情绪，强化学习效果。

关键词： 计算机组成原理    溯源法    存储器    教学探索

计算机组成原理是计算机科学与技术及相其关专业的专业骨干课程，它一方面以模拟电路、数字逻辑电路、汇编语言等课程为基础，另一方面是操作系统、计算机系统结构等课程的基础，从指令的硬件实现角度对计算机的部件如总线、存储器、CPU、输入输出设备、计算机的运算、指令的译码控制等展开论述，知识点多，覆盖面宽，抽象性强，是学生易生畏难心理的课程之一。

为消除学生的这种畏难心理，众多研究者对计算机组成原理课程教学作了探索。王前莉[1]从教学内容、教学方式与动手能力培养等方面对计算机组成原理课程教学作了讨论;李绍强[2]针对民办院校计算机组成原理教学存在的问题，设计了一种课程教学过程和实验方法;王昊[3]针对计算机组成原理教学提出“提问式教学模式”、“启发式教学模式”和“连接式教学模式”三种教学模式。这些文献从整体视角对计算机组成原理教学给出了一些可资借鉴的方法，但未系统涉及内容细节，为以简洁流畅的方式组织教学内容细节，下文引入溯源教学法，以存储器为例探索溯源教学法的课堂实施。

1.溯源法教学

溯源最初源于进化论。进化论认为万物不是凭空出现的，而是有源的，比如人由类人猿进化面来、源于受精卵。通常来说，源头总比当前状态简单、易于理解，比如受精卵就比胎儿简单，胎儿比幼儿简单，等等。概言之，溯源，能建立一种由简到繁的递推链，能加深人们对万物的客观存在性的认识，引导人们以辩证唯物观分析问题，建立具体印象。

鉴于溯源法的化繁为简、化抽象为具体的这些强化存在性的能力，在教育领域已有应用。比如语言类教学中，利用此法探寻文字的源头、演变史、文化相关性，对知识点建立完整的知识链，让“知其然”的学习者“知其所以然”。在线教育网站三好网认为“溯源法具有双向追溯的特性，既能够由表及里深入剖析，追根溯源，也能由内而外，对可能出现的问题和错误进行预判，因而有效地解决问题”[4]，基于这一理念，可在学习过程中根据学习者出现的问题的表象，追溯学习者的本源知识结构，找到让学习者快速、有效理解知识点的解决方案。

计算机组成原理之所以给学生带来困惑，是因为它本身的抽象性和复杂性。抽象性让学生难以建立对知识点的客观存在感，使学生的知识点如浮水之萍，无处生根，这种情况的不断积累，会导致学生最终不知老师所云，学习兴趣全消。复杂性源于知识点的多样性，计算机组成原理基于汇编语言、模拟电路和数字逻辑路，各类知识交融，说千头万绪也不为过。为降低计算机组成原理课程的这种抽象性和复杂性，溯源法是一个可选方案：找其知识点根源，降低复杂性;形成知识链，强化知识的客观存在性，削弱抽象性。下文以存储器讲解为例，说明溯源法在教学中的具体实施。

2.溯源教学在存储器教学中的具体实施

知识都有其固有脉络，顺着脉络，可溯其根源、自然成链，有根有据、形成思路的知识，会让学生接受起来更轻松。存储器作为计算机的一个重要部件，其知识结构的严谨性更加明显，下文模仿实际课堂，阐述溯源法在存储器教学中的应用。

首先，简述冯·诺以曼结构，明确存储器在计算机中的地位。接下来，逆向溯源，步步切近知识的本质内容，化抽象为具体，形成知识链。提问：“存储器用来作什么？”学生回答：“存放数据。”强化：“存放指令和数据。计算机存放的是几进制数据？”学生答：“二进制。”引导：“二进制有两个数码，分别是0和1，存储器用什么存放它们？”学生的反应是多样的，有些无语，有些说数字逻辑电路，有些说锁存器，等等，此时加以引导：“如同旅馆有一间间房子一样，存储器中有单元电路，每个单元电路负责一位数据的存放。请同学们想想，在现实生活中，有什么东西可帮你用电荷存放一位数据？”学生开始猜测，注意控制气氛，然后给出答案：“电池。如果把一节电池有电时看成1，没电时看成0，它就实现了一位数据的存放。”有学生恍然大悟，有学生笑，有学生反问：“这和存储器有什么关系？”答：“动态存储器的单元电路中的核心元件就是电容，与电池存放数据的原理一致。通常地，我们把八个这样的单元电路集成在一起，形成一个字节，请同学们想想，为什么是八个呢？”有学生回答：“规定的。”立即追问：“凭什么规定的？”这还要理由？学生迷惑，此时解释：“和ASC码有关，此码中包括34个控制字符在内，共有128个字符。同学们想想，如果有128位同学，从0开始连续编学号，每个同学的学号唯一，需要多少个学号？”“0-127，共128个。”“好！再请同学们想想，如果用二进制来表示这些学号，则需要多少位？”“7位。”“对。要编码出128个不同的字符，需要7位二进制位。为了检测数据传送时的正误，ASC码在7位数码的基础上，还要加一位奇偶检验位，即构成8位二进制数字，形成一个字节。同学们联想一下，如果采用汉字设计计算机，由你来确定多少个单元电路组合到一起，你会采用多少位？”答：“16位。”“1个字节8位，存储器按字节编址，请计算一下，210位等于多少个字节？”“除以8，27个字节。”“要译码出这些字节，至少需要多少根地址线？”“7位。”“如果采用8位地址，能完成多大的存储体译码？”“256个字节的存储休。”“好，请计算地址为42的字节的二进制地址。”学生的计算结果列为表1。

“请同学们根据结果想一想，如果将256个字节分组，16个字节一组，这个地址属于第几组？”“从0起计数的第2组。”“对，也就是说，将8位地址划开，低4位是组内地址，高4位组号。为什么组内地址用4位呢？”“因为一个组内共16个字节。”“对。256个字节共分成了16个组，这16个组的组内地址全相同，对不对？”“对。”“不同在哪？”“组号。”“正确！如果我用高3位地址作组号，能将它们分成几组？每组多大？”“8组，低5位为组内地址，每组32个字节。”“正确！……”

在完成以上溯源后，即可把一些知识点比如内存字扩展、Cache—主存地址映射等归结为地址的划分问题。表2、表3、表4为Cache—主存地址映射中的主存地址划分。

以上划分，直观地凸显出三种映射方式的异同。

3.结语

上文对溯源法进行了探讨，并以计算机组成原理课程的存储器教学为例对溯源法的应用作示例分析。进一步的工作，将考虑将溯源法与启发式教学、连接式教学、类比式教学等教学模式深度结合，探寻更高效的教学方式。

参考文献：

[1]王前莉.创新素质教育下的计算机组成原理教学改革研究[J].考试周刊，2010，9：9-10.

[2]李绍强.民办院校计算机组成原理教学现状分析及解决对策.考试周刊，2011，37：131-132.

[3]王昊.计算机组成原理教学改革与实践.辽宁工业大学学报（社会科学版），2015，17（3）：1-4.

[4]陈凤英.“溯源法”—三好网因材施教的方法论[EB/OL].[2015-7-16].http：//u.zp.china.com.cn/news-17625-1.html.

基金项目：湖南省教育科学“十二五”规划课题（项目号：XJK015BXX007）