以能力培養為目標的計算機組成教學

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摘要：能力培養已成為當下高等教育的重點內容，如何培養出超越課本知識，具有現實工作需要實踐能力的大學畢業生，是每所高等院校本科教育教學中的關注點。本文以計算機組成原理課程教學為例，探討了如何把能力培養融入到課堂教學中，以課堂教學內容為基礎，培養工作單位需要的綜合能力。

關鍵詞：能力培養；本科教育；教學研究

一、能力培養存在的認識誤區及應對

目前，高等教育已由原來注重理論教學轉向對學生能力的培養，逐步以社會、企事業等單位的用人要求相一致，本文以計算機專業基礎課“計算機組成原理”為例探討了如何培養出能力出眾、具有可以“解決問題”能力的高校畢業生。高校講授的課程門類繁多，有些課程與實際生活聯系緊密，有些課程則偏重理論方面，致使有些授課老師想當然地認為，自己所教授的課程與能力、素質、創新無關，例如把素質培養職責推給高校管理人員，這無疑是能力培養的誤區之一。事實上，學生能力的培養離不開授課教師的引導和責任心。此外，能力培養的另外一個誤區是，混淆知識、能力、素質、創新的概念，搞不清如何實現能力培養、素質教育和創新教育。為走出這一誤區，需要重新明確這幾個概念及其內在聯系。知識、能力、素質、創新是統一的。知識是基礎，能力是核心，素質和創新體現在能力中。學習可以獲得知識，實踐可以獲得能力。能力培養體現在每一個教學環節中。能力是在實踐活動中形成和發展起來的，且不是一朝一夕的事，“培養能力”在課堂上無法落實，因而不能作為課堂教學目標。然而，課堂教學又必須重視能力的“培養”，教學中，要在明確能力形成和發展條件的前提下，認真落實三維目標，保證學生主體，重視學生的主體參與和動手操作，根本途徑在于改變教學方式，體現在課堂教學的目標上，就是為發展能力獲得相應的知識技能和方法，經歷一定的學習過程和體驗。面對具體問題，在特定的環境下提出針對此問題的解決方法，并堅信辦法總比困難多，這樣我們就可以說你具備了解決問題的能力。

二、計算機組成原理課程中體現的能力培養

計算機是具有信息表示、運算、存儲及其他信息處理能力的復雜系統。在計算機專業課的教學中，除了講授基本的計算機理論知識外，還應培養學生“解決問題”的能力，包括軟硬件的設計與實現等現實生活中需要的能力。這種能力在某種程度上體現為解決問題的思路，計算機組成原理課程中處處體現著這種以“解決問題”為導向的思路，同時也是能力培養的思路。

（一）有限資源利用效率最大化

做任何事情都會有成本或者代價，即使不是用錢來衡量，也會是其他方面的代價。受雇于企事業單位的高校畢業生，接到單位需要完成的工作任務，應優先考慮成本代價。如何用最小的成本高質量完成任務，往往是衡量一名員工能力強弱的指標。計算機中的信息可以用多種形式表示，如整數、小數、文字、圖片、音頻、視頻等，而目前主流的計算機只能存儲0和1組成的位串。因此，在計算機中表示信息，需要特定的規則。以浮點數為例，浮點數的數量有無窮多個，而計算機中只能使用有限的比特位表示一定范圍內的浮點數。盡管如此，在我們使用計算機過程中，這種表示法的限制并沒有給實數的表示帶來大的麻煩。這是因為在計算機數據表示法中，蘊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數，計算機設計者們采用了科學計數法的方式，表示計算機中的浮點數，把浮點數分為整數部分和小數部分，這樣可使實數的表示范圍成幾何級增長，使用有限的比特位（如32位、64位等）可表示的數值范圍足夠我們日常的使用。更進一步，由于在二進制的科學計數法中，小數點前總是1，即都是1.xxx的形式。因此，在IEEE754浮點數標準中規定，這個1也可以省略，節省出1比特的空間分配給小數點后的部分。這樣就人為地“創造”了1位精度。通過這個例子可以看出，在資源受限的情況下，要高質量地完成一個任務，需要提高資源的利用率，最大限度地開發資源的可利用空間。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計者或工程師，也最能體現一名員工的“解決問題”的能力。

（二）困難問題分解最大化

現實生活中采用分解法解決問題的例子比比皆是。要解決一個難題，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，一般需要把問題細化，分幾步逐個解決。這樣，一個困難問題的解決，就像剝洋蔥一樣層層展開，其中局部上可能還需要深耕細作。在“計算機組成原理”課程中，CPU流水線的設計與實現應該算作一個難題。按照困難問題分解法的思路，可以這樣描述這部分內容：順序執行指令的處理器效率差（問題），需要引入流水線技術使多條指令并行執行（方法），而前后相鄰指令的相關性會導致流水線運行結果的錯誤（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降低處理器效率，甚至退化為順序執行（問題），采用數據轉發或旁路機制，將線路上還未寫入寄存器的數據直接用作下一條指令的輸入（方法）。數據轉發和旁路無法解決所有的相關性（問題），特殊情況要使用暫停等機制（方法）。總結上述內容，先把難題分解成易于解決的“問題”，隨著一個問題的解決，又可能引出另一個新的問題，在逐層解決問題的過程中，問題規模逐漸變小，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，又要專注于細節，但是經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。在現代社會中，這種需要分解法解決的難題不僅在學習中會遇到，在工程上會遇到，在科學研究上也會經常碰到。在愈發復雜的社會分工協作鏈條中，人們付出與回報的間隔越來越長，目標和行動看起來越來越缺乏直接聯系。一個看似無法解決的大難題，在最大化地分解成多個小問題后，如果通過有效的方法解決掉各個小問題，那么大的難題也自然會得到解決。這種最大化難題分解法需要教師在課程教授中時時滲透，也同樣需要學生在學習中細細體會。

（三）多個維度平衡最優化

現實中資源總是有限的而目標又是多元化的，這就涉及到在多個維度中尋找平衡的策略，找到解決問題的折中方案。具體到計算機存儲系統中，目標是速度、容量和價格。計算機存儲系統是金字塔式的層次結構：位于最上層寄存器訪問速度最快，但是存儲容量最小且價格最貴；次高層的高速緩存訪問速度比較快，容量稍大，價格比較貴；第三層的主存儲器訪問速度一般，容量一般，價格也一般；下層的外存（磁盤、光盤、磁帶）訪問容量最大，價格也便宜，但是速度慢。似乎沒有兩全其美的辦法，設計存儲器時不能簡單地選擇其中任何一種存儲介質，來達成在多個維度（速度、容量、價格）之間的平衡。實際上，計算機存儲器系統是一個具有不同容量、成本和訪問時間的存儲設備的層次結構。CPU內的寄存器保存著最常用的數據。靠近CPU的快速高速緩存作為緩沖區域，負責暫存原本存儲在相對慢速的主存儲器中的部分數據和指令。與此原理一致，主存則是暫時存放那些程序執行中需要的，原本存儲在慢速、大容量外存（磁盤、磁帶、光盤）上的部分數據，而且聚焦到高速緩存也同樣采用了分層設計，也體現出了平衡的藝術。我們人生中的許多事情也這個道理，當面對多元化的條件和目標時，需要根據實際問題，找到多個維度下最佳的平衡點，使目標收益最大化。多個維度目標下的平衡最優化，無疑也是一種高能力的體現。

三、結語

在高等教育課堂教學過程中，以能力培養為目標，抓住課程內容蘊含的道理至關重要。課程的學習不單單體現在對課程內容掌握的程度上，還要注重對課程內容所體現的原則和方法的理解和運用上。

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作者：張銘泉 程曉榮 單位：華北電力大學（保定）計算機系