研究性教學(xué)在計(jì)算機(jī)專業(yè)硬件類課程改革中的實(shí)踐

王風(fēng)華 鄭秋梅

摘要：本文介紹了計(jì)算機(jī)專業(yè)硬件類課程研究性教學(xué)的改革理念及思路，從“以問題為導(dǎo)向”的教學(xué)內(nèi)容的組織，啟發(fā)式、參與式等教學(xué)方法的采用，創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的保證和多元化考核方式的配套等方面著重闡述了硬件類課程的研究性教學(xué)的實(shí)踐過程，最后給出了實(shí)踐效果。

關(guān)鍵詞：研究性教學(xué)；硬件類課程；問題為導(dǎo)向

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）51-0219-02

一、引言

計(jì)算機(jī)專業(yè)硬件類課程通常包括計(jì)算機(jī)組成原理、匯編語言、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、接口技術(shù)及嵌入式微處理器等課程。目的是讓學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)各部分的工作原理，具備一定的計(jì)算機(jī)硬件開發(fā)設(shè)計(jì)能力，但是該類課程具有理論及實(shí)踐性強(qiáng)、概念抽象、技術(shù)更新快的特點(diǎn)，因此教學(xué)難度大，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生大多“喜軟怕硬”。如何改變這一現(xiàn)象，一直是困擾任課教師的難題。

目前，研究性教學(xué)備受關(guān)注。研究性教學(xué)在國外始于20年前，是一種在教師的組織指導(dǎo)下學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主實(shí)踐的教學(xué)[1]，注重培養(yǎng)學(xué)生研究和創(chuàng)新能力的新教育理念。目前已被國際、國內(nèi)教育界普遍認(rèn)同并付諸實(shí)踐[2]。近年來，本文作者所在的計(jì)算機(jī)硬件課程組，結(jié)合硬件類課程的特點(diǎn)，突破傳統(tǒng)的“傳輸—接受”式教學(xué)框架，也嘗試在硬件類課程的教學(xué)中引入以問題探索為基礎(chǔ)的研究性教學(xué)理念，并取得了令人滿意的效果。本文以計(jì)算機(jī)專業(yè)硬件類核心課程“計(jì)算機(jī)組成原理”為例，介紹研究性教學(xué)的應(yīng)用與實(shí)踐。

二、研究性教學(xué)改革的理念及思路

研究性教學(xué)是教師為指導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)，模擬科學(xué)研究活動(dòng)所設(shè)計(jì)和組織的一種課堂教學(xué)。包括教與學(xué)兩方面：一方面教師要?jiǎng)?chuàng)設(shè)良好的研究性教學(xué)環(huán)境，給學(xué)生提供必要的指導(dǎo)與幫助；另一方面學(xué)生積極主動(dòng)地進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)[3]。要推行研究性教學(xué)，關(guān)鍵是教學(xué)理念的改革，即傳統(tǒng)教學(xué)理念到研究性教學(xué)理念的轉(zhuǎn)變。具體實(shí)施時(shí)，主要完成以下轉(zhuǎn)變：教學(xué)思路，由傳統(tǒng)的“知識(shí)點(diǎn)講解型”向“問題導(dǎo)向型”轉(zhuǎn)變；教師角色，由“知識(shí)灌輸者”向“問題引導(dǎo)者”轉(zhuǎn)變；學(xué)生角色，由“被動(dòng)接受者”向“自主學(xué)習(xí)者”轉(zhuǎn)變；考核方式，由“應(yīng)試型”向“多元考核型”轉(zhuǎn)變。

依據(jù)研究性教學(xué)理念，結(jié)合硬件類課程特點(diǎn)，課題組建立了一種課堂講授輔以專題討論課、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)等多種形式相結(jié)合的研究性教學(xué)體系，以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)能力，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)及創(chuàng)新能力。具體思路是：在教學(xué)內(nèi)容上，“以問題為導(dǎo)向”對(duì)講授內(nèi)容進(jìn)行結(jié)構(gòu)性調(diào)整、重組和更新，以激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)知識(shí)的興趣。在教學(xué)方法上，堅(jiān)持啟發(fā)式、參與式教學(xué)。在教師講授的同時(shí)，輔以專題討論、學(xué)生參與式教學(xué)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)等多種形式。在考核方法上，不再以筆試為唯一考核方式，而是采取筆試結(jié)合專題討論、調(diào)研報(bào)告、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等多元化的考核方式。

三、研究性教學(xué)改革的實(shí)施

1.創(chuàng)設(shè)問題情境，“以問題為導(dǎo)向”組織課程教學(xué)內(nèi)容。組織教學(xué)內(nèi)容時(shí)，要遵循“講學(xué)科不講教材”的原則。首先讓學(xué)生清楚課程在整個(gè)學(xué)科中的地位和作用以及它與前導(dǎo)課和后續(xù)課的關(guān)系。其次，針對(duì)硬件課程理論性、實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，引入研究性教學(xué)模式，通過創(chuàng)立問題情境，以問題為導(dǎo)向引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)探索。“以問題為導(dǎo)向”提煉每章內(nèi)容主線，比如在計(jì)算機(jī)組成原理課程運(yùn)算方法和運(yùn)算器一章中，提出：“各自算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算在計(jì)算機(jī)中如何實(shí)現(xiàn)的？”引起學(xué)生興趣并對(duì)章節(jié)內(nèi)容主線初步掌握。對(duì)每章相關(guān)知識(shí)模塊還要按照“以問題為導(dǎo)向”的原則，設(shè)計(jì)出具體的細(xì)節(jié)問題。如：乘法運(yùn)算的研究性問題設(shè)計(jì)如下：

（1）手算乘法運(yùn)算是怎樣的？——鍛煉學(xué)生的觀察和總結(jié)能力

引導(dǎo)學(xué)生給出手算乘法規(guī)則并得到結(jié)論：手算乘法是通過移位和加法來實(shí)現(xiàn)的。

（2）為什么不能直接在計(jì)算機(jī)中采用？——鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的能力

引導(dǎo)學(xué)生給出總結(jié)手算乘法的缺點(diǎn)。

（3）如何調(diào)整才能應(yīng)用到計(jì)算機(jī)中？——鍛煉學(xué)生解決問題的能力

引導(dǎo)學(xué)生想出改進(jìn)上述方法的妙招。

（4）機(jī)內(nèi)乘法運(yùn)算規(guī)則是怎樣的？——鍛煉學(xué)生概括能力和舉一反三能力

通過原碼一位乘案例，引導(dǎo)學(xué)生自己總結(jié)出機(jī)內(nèi)原碼一位乘規(guī)則，并由此推出機(jī)內(nèi)原碼兩位乘規(guī)則。

（5）現(xiàn)在的CPU中乘法是如何實(shí)現(xiàn)的？——鍛煉學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)能力

預(yù)先告知學(xué)生現(xiàn)在計(jì)算機(jī)中廣泛采用的指令并行執(zhí)行及流水線等概念，說明這些概念在以后的章節(jié)中會(huì)詳細(xì)討論，并要求感興趣的同學(xué)上網(wǎng)查閱相關(guān)資料。

這樣設(shè)計(jì)后，一個(gè)簡單的機(jī)內(nèi)乘法運(yùn)算規(guī)則，經(jīng)過一系列問題的探究，將原本枯燥無味的0，1運(yùn)算，轉(zhuǎn)變成了學(xué)生有興趣去尋求答案的一個(gè)個(gè)具體問題。按照“以問題為導(dǎo)向”設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中，一直處于思考如何解決問題的狀態(tài)，既能做到有興趣地全身心投入，又能比較扎實(shí)地掌握計(jì)算機(jī)內(nèi)部的乘法運(yùn)算方法，還能使他們對(duì)計(jì)算機(jī)的新技術(shù)有所了解和掌握。

2.啟發(fā)式、參與式等教學(xué)方法的采用。課堂教學(xué)中堅(jiān)持啟發(fā)式教學(xué)。運(yùn)用啟發(fā)式教學(xué)方法不僅可使學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的掌握有深刻的理解，而且還可以培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和獨(dú)立思考的能力[4]。在課堂教學(xué)中通過實(shí)際問題引出理論知識(shí)點(diǎn)，通過一系列問題啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行思維，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)探索、學(xué)習(xí)。例如，在學(xué)習(xí)存儲(chǔ)器時(shí)，做了如下啟發(fā)設(shè)計(jì)：（1）通過實(shí)際問題引出理論知識(shí)點(diǎn)：存放在內(nèi)存和優(yōu)盤中的信息在計(jì)算機(jī)關(guān)機(jī)后，有什么不同？——引導(dǎo)學(xué)生帶著問題課下預(yù)習(xí)，主動(dòng)查閱資料，尋求答案。（2）內(nèi)存和優(yōu)盤的存取機(jī)制有什么不同？——引出講解點(diǎn)：RAM和ROM存儲(chǔ)器概念。（3）RAM為什么又分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)？——引導(dǎo)學(xué)生帶著問題對(duì)比靜態(tài)和動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的工作原理及區(qū)別。（4）在教學(xué)過程中，安排學(xué)生分組討論，然后發(fā)言總結(jié)。

這樣，由表及里、由淺入深、環(huán)環(huán)相扣地啟發(fā)學(xué)生思考，并讓學(xué)生們充分討論，進(jìn)行課堂交流，最后結(jié)合有關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行分析和概括。實(shí)踐證明：啟發(fā)式教學(xué)是科學(xué)、成效的教學(xué)方法。

實(shí)施參與式教學(xué)。對(duì)內(nèi)容多、理論性強(qiáng)、學(xué)生理解有難度的運(yùn)算器、存儲(chǔ)器和中央處理器三個(gè)章節(jié)設(shè)置專題討論課，每次專題討論課安排2學(xué)時(shí)，共6學(xué)時(shí)。專題討論課的題目提前公布，讓學(xué)生自由組合分組做準(zhǔn)備。在討論課上，各組選代表上臺(tái)主講，由教師和其他同學(xué)發(fā)問和爭論，最后由教師進(jìn)行總結(jié)與點(diǎn)評(píng)。通過專題討論，學(xué)生能了解最新的技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)，擴(kuò)展課堂所學(xué)知識(shí)，學(xué)會(huì)對(duì)原理的靈活運(yùn)用。在這種環(huán)境下，學(xué)生的作用是雙重的，既學(xué)習(xí)新知識(shí)，又傳授新知識(shí)，在掌握知識(shí)的同時(shí)，也有助于提高各自能力。

3.研究性教學(xué)的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的保證。為保證研究性教學(xué)的實(shí)施，建立了“驗(yàn)證型—設(shè)計(jì)型—綜合型—探索型”的多層次實(shí)踐教學(xué)模式。在課程部件實(shí)驗(yàn)中，適當(dāng)開設(shè)“驗(yàn)證型”和“設(shè)計(jì)型”實(shí)驗(yàn)，在后續(xù)模型機(jī)設(shè)計(jì)課程中，開設(shè)“綜合型”和“探索型”實(shí)驗(yàn)，形成“驗(yàn)證型—設(shè)計(jì)型—綜合型—探索型”的多層次實(shí)踐教學(xué)模式，以強(qiáng)化學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)和硬件動(dòng)手能力。（1）變“實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書”為“實(shí)驗(yàn)任務(wù)書”。每次實(shí)驗(yàn)只給出實(shí)驗(yàn)任務(wù)、要求及實(shí)驗(yàn)條件等，具體如何設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)全部由學(xué)生自主完成，鍛煉學(xué)生獨(dú)立分析問題、解決問題的能力，激發(fā)他們的創(chuàng)新思維。（2）重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，保證實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的綜合性、設(shè)計(jì)性和研究性。讓學(xué)生通過自學(xué)和查閱有關(guān)文獻(xiàn)，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，自行搭接實(shí)驗(yàn)線路，自己進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問題并分析產(chǎn)生問題的原因，提出相應(yīng)對(duì)策，最后撰寫研究報(bào)告。整個(gè)過程把主動(dòng)權(quán)完全交給學(xué)生，教師只是啟發(fā)引導(dǎo)和做好組織工作。充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)和獲取知識(shí)的能力。

4.研究性教學(xué)多元化考核方式的配套。傳統(tǒng)考核方式以期末筆試為主，導(dǎo)致很多學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)主動(dòng)性差，知識(shí)掌握不牢固。本課程組建立了一種硬件類課程多元化考核模式。在多元化考核模式中，平時(shí)成績比重達(dá)到50%，平時(shí)成績包括課堂表現(xiàn)、專題報(bào)告、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及操作、文獻(xiàn)查詢、作業(yè)等多個(gè)環(huán)節(jié)。使得學(xué)生更加注重平時(shí)的學(xué)習(xí)過程，對(duì)調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性及培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力起到積極作用。

四、結(jié)論

本文以計(jì)算機(jī)組成原理為例介紹了計(jì)算機(jī)專業(yè)硬件類研究性教學(xué)的實(shí)施，基于以上理念，本文作者所在的硬件課程組也在其他硬件類課程進(jìn)行了研究性教學(xué)的實(shí)踐，通過幾年的探索，教學(xué)效果顯著并取得了豐碩成果。學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性高漲，參與計(jì)算機(jī)硬件課題組或創(chuàng)新活動(dòng)的人數(shù)大增，硬件動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)有了明顯提高。2009年至2014年期間，歷屆授課專業(yè)每年均有二十多名學(xué)生積極參加智能車大賽和嵌入式設(shè)計(jì)大賽等硬件類競賽，獲國家級(jí)一、二等獎(jiǎng)及山東省一等獎(jiǎng)等三十多項(xiàng)獎(jiǎng)項(xiàng)。

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