以能力培養(yǎng)為目標(biāo)的計(jì)算機(jī)組成教學(xué)

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摘要：能力培養(yǎng)已成為當(dāng)下高等教育的重點(diǎn)內(nèi)容，如何培養(yǎng)出超越課本知識(shí)，具有現(xiàn)實(shí)工作需要實(shí)踐能力的大學(xué)畢業(yè)生，是每所高等院校本科教育教學(xué)中的關(guān)注點(diǎn)。本文以計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)為例，探討了如何把能力培養(yǎng)融入到課堂教學(xué)中，以課堂教學(xué)內(nèi)容為基礎(chǔ)，培養(yǎng)工作單位需要的綜合能力。

關(guān)鍵詞：能力培養(yǎng)；本科教育；教學(xué)研究

一、能力培養(yǎng)存在的認(rèn)識(shí)誤區(qū)及應(yīng)對(duì)

目前，高等教育已由原來注重理論教學(xué)轉(zhuǎn)向?qū)W(xué)生能力的培養(yǎng)，逐步以社會(huì)、企事業(yè)等單位的用人要求相一致，本文以計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)課“計(jì)算機(jī)組成原理”為例探討了如何培養(yǎng)出能力出眾、具有可以“解決問題”能力的高校畢業(yè)生。高校講授的課程門類繁多，有些課程與實(shí)際生活聯(lián)系緊密，有些課程則偏重理論方面，致使有些授課老師想當(dāng)然地認(rèn)為，自己所教授的課程與能力、素質(zhì)、創(chuàng)新無關(guān)，例如把素質(zhì)培養(yǎng)職責(zé)推給高校管理人員，這無疑是能力培養(yǎng)的誤區(qū)之一。事實(shí)上，學(xué)生能力的培養(yǎng)離不開授課教師的引導(dǎo)和責(zé)任心。此外，能力培養(yǎng)的另外一個(gè)誤區(qū)是，混淆知識(shí)、能力、素質(zhì)、創(chuàng)新的概念，搞不清如何實(shí)現(xiàn)能力培養(yǎng)、素質(zhì)教育和創(chuàng)新教育。為走出這一誤區(qū)，需要重新明確這幾個(gè)概念及其內(nèi)在聯(lián)系。知識(shí)、能力、素質(zhì)、創(chuàng)新是統(tǒng)一的。知識(shí)是基礎(chǔ)，能力是核心，素質(zhì)和創(chuàng)新體現(xiàn)在能力中。學(xué)習(xí)可以獲得知識(shí)，實(shí)踐可以獲得能力。能力培養(yǎng)體現(xiàn)在每一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中。能力是在實(shí)踐活動(dòng)中形成和發(fā)展起來的，且不是一朝一夕的事，“培養(yǎng)能力”在課堂上無法落實(shí)，因而不能作為課堂教學(xué)目標(biāo)。然而，課堂教學(xué)又必須重視能力的“培養(yǎng)”，教學(xué)中，要在明確能力形成和發(fā)展條件的前提下，認(rèn)真落實(shí)三維目標(biāo)，保證學(xué)生主體，重視學(xué)生的主體參與和動(dòng)手操作，根本途徑在于改變教學(xué)方式，體現(xiàn)在課堂教學(xué)的目標(biāo)上，就是為發(fā)展能力獲得相應(yīng)的知識(shí)技能和方法，經(jīng)歷一定的學(xué)習(xí)過程和體驗(yàn)。面對(duì)具體問題，在特定的環(huán)境下提出針對(duì)此問題的解決方法，并堅(jiān)信辦法總比困難多，這樣我們就可以說你具備了解決問題的能力。

二、計(jì)算機(jī)組成原理課程中體現(xiàn)的能力培養(yǎng)

計(jì)算機(jī)是具有信息表示、運(yùn)算、存儲(chǔ)及其他信息處理能力的復(fù)雜系統(tǒng)。在計(jì)算機(jī)專業(yè)課的教學(xué)中，除了講授基本的計(jì)算機(jī)理論知識(shí)外，還應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生“解決問題”的能力，包括軟硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等現(xiàn)實(shí)生活中需要的能力。這種能力在某種程度上體現(xiàn)為解決問題的思路，計(jì)算機(jī)組成原理課程中處處體現(xiàn)著這種以“解決問題”為導(dǎo)向的思路，同時(shí)也是能力培養(yǎng)的思路。

（一）有限資源利用效率最大化

做任何事情都會(huì)有成本或者代價(jià)，即使不是用錢來衡量，也會(huì)是其他方面的代價(jià)。受雇于企事業(yè)單位的高校畢業(yè)生，接到單位需要完成的工作任務(wù)，應(yīng)優(yōu)先考慮成本代價(jià)。如何用最小的成本高質(zhì)量完成任務(wù)，往往是衡量一名員工能力強(qiáng)弱的指標(biāo)。計(jì)算機(jī)中的信息可以用多種形式表示，如整數(shù)、小數(shù)、文字、圖片、音頻、視頻等，而目前主流的計(jì)算機(jī)只能存儲(chǔ)0和1組成的位串。因此，在計(jì)算機(jī)中表示信息，需要特定的規(guī)則。以浮點(diǎn)數(shù)為例，浮點(diǎn)數(shù)的數(shù)量有無窮多個(gè)，而計(jì)算機(jī)中只能使用有限的比特位表示一定范圍內(nèi)的浮點(diǎn)數(shù)。盡管如此，在我們使用計(jì)算機(jī)過程中，這種表示法的限制并沒有給實(shí)數(shù)的表示帶來大的麻煩。這是因?yàn)樵谟?jì)算機(jī)數(shù)據(jù)表示法中，蘊(yùn)含著有限資源利用效率最大化道理。為了表示盡可能多的實(shí)數(shù)，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者們采用了科學(xué)計(jì)數(shù)法的方式，表示計(jì)算機(jī)中的浮點(diǎn)數(shù)，把浮點(diǎn)數(shù)分為整數(shù)部分和小數(shù)部分，這樣可使實(shí)數(shù)的表示范圍成幾何級(jí)增長(zhǎng)，使用有限的比特位（如32位、64位等）可表示的數(shù)值范圍足夠我們?nèi)粘５氖褂谩８M(jìn)一步，由于在二進(jìn)制的科學(xué)計(jì)數(shù)法中，小數(shù)點(diǎn)前總是1，即都是1.xxx的形式。因此，在IEEE754浮點(diǎn)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，這個(gè)1也可以省略，節(jié)省出1比特的空間分配給小數(shù)點(diǎn)后的部分。這樣就人為地“創(chuàng)造”了1位精度。通過這個(gè)例子可以看出，在資源受限的情況下，要高質(zhì)量地完成一個(gè)任務(wù)，需要提高資源的利用率，最大限度地開發(fā)資源的可利用空間。沒有人擁有無限的資源，做任何事情的資源都是有限的，恰恰是有限的資源才能造就出色的設(shè)計(jì)者或工程師，也最能體現(xiàn)一名員工的“解決問題”的能力。

（二）困難問題分解最大化

現(xiàn)實(shí)生活中采用分解法解決問題的例子比比皆是。要解決一個(gè)難題，通常情況下都不能一下解決掉，否則就不能稱作難題了。為了解決難題，一般需要把問題細(xì)化，分幾步逐個(gè)解決。這樣，一個(gè)困難問題的解決，就像剝洋蔥一樣層層展開，其中局部上可能還需要深耕細(xì)作。在“計(jì)算機(jī)組成原理”課程中，CPU流水線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)應(yīng)該算作一個(gè)難題。按照困難問題分解法的思路，可以這樣描述這部分內(nèi)容：順序執(zhí)行指令的處理器效率差（問題），需要引入流水線技術(shù)使多條指令并行執(zhí)行（方法），而前后相鄰指令的相關(guān)性會(huì)導(dǎo)致流水線運(yùn)行結(jié)果的錯(cuò)誤（問題），需要插入空操作指令來間隔兩條相鄰的指令（方法），而大量無效空操作會(huì)降低處理器效率，甚至退化為順序執(zhí)行（問題），采用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)或旁路機(jī)制，將線路上還未寫入寄存器的數(shù)據(jù)直接用作下一條指令的輸入（方法）。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和旁路無法解決所有的相關(guān)性（問題），特殊情況要使用暫停等機(jī)制（方法）?？偨Y(jié)上述內(nèi)容，先把難題分解成易于解決的“問題”，隨著一個(gè)問題的解決，又可能引出另一個(gè)新的問題，在逐層解決問題的過程中，問題規(guī)模逐漸變小，可解決的情況不斷增加，直至解決所有問題，最終整個(gè)難題得到解決。這一過程并不容易，既需要有清晰的大局觀，又要專注于細(xì)節(jié)，但是經(jīng)歷這一過程把難題分解直至解決后，所得到的不僅僅是難題的解決方案，還有自身能力的提升。在現(xiàn)代社會(huì)中，這種需要分解法解決的難題不僅在學(xué)習(xí)中會(huì)遇到，在工程上會(huì)遇到，在科學(xué)研究上也會(huì)經(jīng)常碰到。在愈發(fā)復(fù)雜的社會(huì)分工協(xié)作鏈條中，人們付出與回報(bào)的間隔越來越長(zhǎng)，目標(biāo)和行動(dòng)看起來越來越缺乏直接聯(lián)系。一個(gè)看似無法解決的大難題，在最大化地分解成多個(gè)小問題后，如果通過有效的方法解決掉各個(gè)小問題，那么大的難題也自然會(huì)得到解決。這種最大化難題分解法需要教師在課程教授中時(shí)時(shí)滲透，也同樣需要學(xué)生在學(xué)習(xí)中細(xì)細(xì)體會(huì)。

（三）多個(gè)維度平衡最優(yōu)化

現(xiàn)實(shí)中資源總是有限的而目標(biāo)又是多元化的，這就涉及到在多個(gè)維度中尋找平衡的策略，找到解決問題的折中方案。具體到計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)中，目標(biāo)是速度、容量和價(jià)格。計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)是金字塔式的層次結(jié)構(gòu)：位于最上層寄存器訪問速度最快，但是存儲(chǔ)容量最小且價(jià)格最貴；次高層的高速緩存訪問速度比較快，容量稍大，價(jià)格比較貴；第三層的主存儲(chǔ)器訪問速度一般，容量一般，價(jià)格也一般；下層的外存（磁盤、光盤、磁帶）訪問容量最大，價(jià)格也便宜，但是速度慢。似乎沒有兩全其美的辦法，設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器時(shí)不能簡(jiǎn)單地選擇其中任何一種存儲(chǔ)介質(zhì)，來達(dá)成在多個(gè)維度（速度、容量、價(jià)格）之間的平衡。實(shí)際上，計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器系統(tǒng)是一個(gè)具有不同容量、成本和訪問時(shí)間的存儲(chǔ)設(shè)備的層次結(jié)構(gòu)。CPU內(nèi)的寄存器保存著最常用的數(shù)據(jù)?？拷麮PU的快速高速緩存作為緩沖區(qū)域，負(fù)責(zé)暫存原本存儲(chǔ)在相對(duì)慢速的主存儲(chǔ)器中的部分?jǐn)?shù)據(jù)和指令。與此原理一致，主存則是暫時(shí)存放那些程序執(zhí)行中需要的，原本存儲(chǔ)在慢速、大容量外存（磁盤、磁帶、光盤）上的部分?jǐn)?shù)據(jù)，而且聚焦到高速緩存也同樣采用了分層設(shè)計(jì)，也體現(xiàn)出了平衡的藝術(shù)。我們?nèi)松械脑S多事情也這個(gè)道理，當(dāng)面對(duì)多元化的條件和目標(biāo)時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際問題，找到多個(gè)維度下最佳的平衡點(diǎn)，使目標(biāo)收益最大化。多個(gè)維度目標(biāo)下的平衡最優(yōu)化，無疑也是一種高能力的體現(xiàn)。

三、結(jié)語

在高等教育課堂教學(xué)過程中，以能力培養(yǎng)為目標(biāo)，抓住課程內(nèi)容蘊(yùn)含的道理至關(guān)重要。課程的學(xué)習(xí)不單單體現(xiàn)在對(duì)課程內(nèi)容掌握的程度上，還要注重對(duì)課程內(nèi)容所體現(xiàn)的原則和方法的理解和運(yùn)用上。

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作者：張銘泉 程曉榮 單位：華北電力大學(xué)（保定）計(jì)算機(jī)系