基于問題驅動法的計算機組成原理教學研究

邱寶林，劉德喜

（江西財經大學信息管理學院，江西南昌 330013）

0 引言

在教育行業發展過程中，圍繞教師角色構建而來的教學模式起到重要作用，但也存在不少問題與不足。在傳統教學模式中，教師的講授貫穿始終，學生成為被動接受者。這一教學特征非常不利于學生自主學習能力、創新能力等重要素質的發掘與培養。因此，有必要探索能充分調動學生自主學習、自主思考積極性的以學生為中心的新型教學思路。

作為工科屬性明顯的計算機科學與技術專業，對所培養專業人才的自主學習能力、問題求解能力及創新能力等具有更高要求，而傳統教學模式無法很好地滿足其需求。近年來，計算機組成原理課程在計算機科學與技術專業中一直處于核心地位，且計算機組成原理與計算機系統等課程承擔著建立計算機系統觀的角色。在課程教學大綱中，在對硬件內容進行簡化的同時，加強了知識之間，包括課程間知識的聯系，并強化了對原理的理解與掌握等。因此，有必要探索適用于具有大量難度高且抽象的知識點，且邏輯性強的計算機組成原理課程的高效教學模式。

1 相關研究

從傳統教學模式到翻轉課堂，教育教學的方法、理念均得到了持續進步。祝智庭等［1］對熱點教學模式翻轉課堂及其在國內的應用實踐進行了深入分析與反思。現如今，翻轉課堂教學模式在藥劑學［2］、化學［3］、生物［4］、計算機［5］等學科領域得到了廣泛研究與應用。但計算機組成原理課程具有其自身的特點與難點，需要結合課程特征進行深入研究。如張文宇等［6］基于CDIO 教學模式構建系統觀，培養學生的系統設計能力，對計算機組成原理教學改革進行研究；高美春［7］針對計算機組成原理教學過程中存在的問題，采用不同方法進行教學，形成多種教學方式混合的教學思路。

翻轉課堂模式以學生為中心，幫助其培養高階思維能力。因此，將翻轉課堂思想引入計算機組成原理教學的探索成為關注熱點。如張策等［8］提出以學生為中心的教改方案，在教師教學“過三關”的基礎上，從3 個層面實施教改方案；蘭勇等［9］在分析本課程難學、難教原因的基礎上，提出通過進一步凝練關鍵知識點進行教學方法創新的探索。

這些已有的教學探索具有十分積極的意義，而對于計算機組成原理這類難學、難教、難掌握的課程，需要繼續進行多方位、多思路的探索。因此，本研究在剖析課程本身及其教學難題的同時，進一步考慮人才培養、成長的根本目標，以期構建有效而系統化的教學模式，培養具有優異問題求解能力的計算機人才。

1.1 計算機組成原理難學原因分析

計算機組成原理內容涉及面較廣，且知識點之間具有強耦合性，無法割裂、離散地各個擊破課程內容，因此要求教師采用體系化、“瞻前顧后”的策略授課。通過回顧、分析課程實施情況，可簡要總結出如下幾方面課程難學的原因：①課程內容繁多；②知識內部關聯性極強；③先行知識儲備欠缺；④知識內容趣味性不強；⑤學生投入時間難保證。

1.2 傳統教學模式在計算機組成原理教學中的弊端

（1）傳統教學模式的教與學。在該模式下，教師處于絕對的主體地位與中心。其教案設計是“批量化產出”思路下的產物，既要考慮促優，又要顧全隊尾的學生。而且教師的有效教學活動主要集中于課堂內，以教師主講的形式貫穿始終，學生則處于被動獲取知識的狀態。全班學生即使基礎水平參差不齊，也只能以相同的節奏、速度完成知識的掌握、積累與升華。這種教學方式不利于調動學生主動思考、自主探究的積極性，從而降低了教學效率。

（2）傳統教學模式考核。傳統教學模式下的考核機制呈現“滯后檢視，非與時俱進”的特征。這種為考而考的方式可實現教學結果展示，卻無法實現教學過程的即時矯正。傳統課堂開始前，通常以學生自發預習、自主找題自檢為主，一般不組織課前考核，教學效果主要通過平時成績和期末考試進行量化，例如平時成績和期末成績四六開或三七開。但對平時學習任務完成情況的考核遠不及期末考試規范，且與所采用的教學模式耦合度不高，無法很好地體現該教學模式的長處與不足。由于傳統教學模式下的考核體系以期末考試為重心，其分值占比較大，導致學生平時不重視學習，產生等期末臨時抱佛腳蒙混過關的僥幸心理，這也很好地解釋了為什么部分同學感覺結課后收獲不大。

1.3 經典翻轉課堂教學理念在計算機組成原理教學中的弊端

翻轉課堂模式（Flipped Class Model，FCM）是一種重點培養學生自主學習與探究、協作、創新等能力的有效教學方案［10］。翻轉課堂與傳統教學模式最顯著的區別在于FCM 致力于構建“以學生為中心”的主動式學習氛圍，以期獲得更佳的教學效果［11-12］。

計算機組成原理課程內容具有一定的特殊性，因此已有學者開始審視在該課程教學實踐中單純采用FCM 的弊端［13］。由于計算機組成原理知識點抽象、邏輯性強且相互具有較強的耦合性和系統性，此外在單純的翻轉課堂教學模式中，學生的課前學習效果取決于學生本身，但學生的自主學習在未進行有效導引的情況下具有較強的盲目性。若采用不合理的教學方案將導致學生學習效果不佳，甚至進入惡性循環，將持續影響學生后續課程內容的學習。因此，計算機組成原理課程不適合采用單純的FCM 教學。

2 問題導向的翻轉課堂教學模式

基于問題導向的教學模式可較好地降低自主學習過程中的盲目性，進而實現幫助學生培養問題求解能力、主動學習能力與創新能力的教學目標［14-15］。因此，綜合考慮計算機組成原理課程特性及教學模式需求，從兩個環節進行優化改進：一是問題陣列設計：著力增強引導的有效性與合理性，深入分析課程涉及的知識脈絡后設計知識點體系，剖析各知識點的本質問題，捋清問題之間的關聯關系；二是教學模式優化：著力增強教學模式的交互性、內容具象性與反饋的暢通性，構建以問題為驅動力的翻轉課堂改進教學模式。

在構建問題導向的翻轉課堂教學模式（Problem-Based Flipped Class Model，PBFCM）過程中，問題蘊含于知識點中，問題陣列設計的合理性、耦合性與系統化將直接影響學生對知識的掌握情況。在教學模式執行過程中，可根據實際需求適當引入仿真手段與輔助技術實現抽象知識的具象化展示，并設計課程反饋渠道與適合的考核模式。

2.1 教學模式

教學活動執行包括以下5個組成部分：

（1）問題設計。在翻轉課堂教學模式下，學生的自主學習具有一定盲目性，需要教師進行適當的引導與驅動。但如果教師提供的引導內容事先未經過嚴謹的設計與思考，則極有可能適得其反。因此，課程問題的設計是否合理、有效，將直接關系到學生的學習效率與效果。

為了使學生的知識學習具有較強的系統性，并使前后知識保持較強的耦合度，首先對學生需要掌握的課程內容結構進行深入分析（見圖1），然后從中凝練出蘊含相關知識點的一系列問題。學生通過分析與解決問題能較好地學習其中包含的知識點。

Fig.1 Analysis of curriculum knowledge structure圖1 課程知識結構分析

可見，用于改進教學模式的系列問題設計需要考慮多方面情況，如學生的感興趣程度、學生學習當前知識點的基礎情況、問題難度、問題與知識點之間的關聯性等。因此，以下以“原碼一位乘法算法”知識點的教學為例進行說明。

設X=– 0.110 1，Y=0.101 1，計算X×Y。考慮設計如下問題供學生課前進行自主學習：

問題1：結合乘法運算規則分析X×Y的詳細步驟，然后在紙上完整寫出詳細的筆算過程。

問題2：筆算中乘積的符號位如何處理？

問題3：筆算中根據什么決定是否加被乘數？

問題4：筆算產生的4 個部分積相加是幾位加法？物理實現時是否方便？

問題5：計算機執行計算時通常是兩個數同時進行運算，而筆算中兩個4 位乘數相乘會涉及4 個部分積同時相加，計算機實現運算時該如何解決這一問題？

問題6：考慮使用3 個寄存器分別存儲被乘數、乘數、部分積。相比X和Y，乘積位數擴大一倍將增加物理實現開銷，思考一下是否可將筆算中某些數據適當移位來實現計算機的原碼一位乘法？基于該思路，使用提供的課前學習素材自主學習由筆算改進的原碼一位乘法。

（2）基于問題導向的課前素材設計。課前自主學習需要有效資源的輔助才能使學習效果事半功倍，因此學生使用的素材資源并不是隨意提供的，需要基于設計的導向問題精心組織，以便學生在清晰問題的導引下結合相應學習素材方便地進行學習。

科學、合理、精心設計的課前素材不僅能對導向問題進行各個擊破，而且有利于學生將其與相關聯的知識點串聯起來，為將來系統掌握計算機組成原理內容打下基礎。學生課前通過對知識點相關問題的自主分析與查閱資料等，最終解決導向問題或凝練疑問以便課堂進行提問與討論。

（3）自主學習設計。自主學習以學生自律為主，教師干預相對較弱，因此對一部分自律性不強、學習無規劃的學生具有一定挑戰性。但是，學生課前的自主學習情況將直接關聯后期教學活動的開展，并影響學生對課程內容的最終掌握情況。因此，在改進的FCM 教學模式中需要隱性設計一些干預措施，使學生的自主學習具有更強的可控性。

結合本課程情況，在本環節中設計一些與導向問題、知識點相關的前期自主學習小測試，測試中的試題類型主要分為“按圖索驥”型和“發散思維”型。所謂“按圖索驥”型試題是一些鞏固知識點的基礎題，不需要太苛求深度和難度，但需要注意廣度，盡量使學生在課前全面掌握概念性基礎知識；“發散思維”型試題則不一定需要標準答案，可考慮通過該類型試題發人深思或綜合掌握關聯知識點，使學生開放地思考當前知識點相關內容，如當前知識點的前沿研究、應用該知識點的新興技術等。

該測試教師不直接參與批改，而是由不同小組之間進行交換評閱批改，以期引起學生之間更大范圍的討論交流，既能調動學生積極性，又能激發學生的自主思考，甚至迸發創新性想法。

（4）課堂執行。在課堂執行方式方面，可根據教學內容靈活選擇傳統板書教學、多媒體教學、實物教學、虛擬現實教學等方式，不同的課堂執行方式適合不同內容的教學。例如，虛擬現實教學方式可給學生以身臨其境、沉浸式的學習體驗，從而使枯燥的學習變得生動有趣，也使學生能夠更加直觀、深刻地學習對應知識點。

在課堂執行過程中，能否做好師生互動、生生互動，能否真正讓學生投入到課堂中也會影響學習效果。因此，為了更好地激發學生的興趣和互動積極性，可靈活使用調查問卷、投票、分組任務、隨機選人、搶答等多種線上教學手段，以便更好地滿足課程教學需求。

針對計算機組成原理課程，設計以下課堂活動：首先進行成果匯報，各小組匯報本小組的自主學習情況及相關疑問；然后進行問題討論，教師結合各小組的自主學習情況與學生互動，引導學生自主分析課前問題，找到解決問題的思路，同時指出當前課程內容的難點與要點；最后進行分組交流，各小組交流評閱自主學習小測試情況，教師也可以安排適當的分析案例供學生交流討論；最后在回顧知識的基礎上對課程內容進行總結提升，并對各個小組的表現進行點評、建議。

（5）教學效果溝通。學生以“課課報”的形式簡單匯報自己在本次課程中的收獲，同時針對教學方式、素材資源、改進意見等提交簡短的文字匯報。通過該環節可對教學模式進行持續改進，以實現更好的教學效果。

2.2 考核模式

對于基于問題導向的翻轉課堂改進教學模式而言，要翻轉的不僅僅是教與學的順序，還需要有與之對應的效果評估與考核機制。因此，在計算機組成原理考核模式中設計個人表現考評、階段測試、期中考核、期末考核，各部分比例分別為課程最終總成績的25%。其中，個人表現考評由自評、組內他評、教師考評構成，占比分別為30%、30%、40%。自評分數由學生結合自己的表現給出；組內他評由同組其他組員根據其在團隊中的任務承擔情況、問題分析和討論情況及任務完成情況等給出，然后取平均分；教師考評則由教師根據學生的課堂表現、交流互動情況判斷學生的表達能力、問題分析能力、創新能力及應用能力等，然后綜合進行評分。

階段測試是根據章節教學的推進靈活安排多次考核，以持續掌握學生學習效果。階段測試在線上完成，測試題目為客觀題時直接由平臺評閱打分，如本課程使用的超星平臺；如果有較多主觀分析題時，則采用分組之間交叉評閱的方式打分。

表1、表2 為采用基于問題驅動法的翻轉課堂教學前后課程考核結果對比。由表中展示的考核數據對比發現，高分分數段占比得到了較大提升，特別是［100-90］分數段人數百分比由1.89%提升至13.89%；及格率由90.57%提升至97.22%，不及格率明顯下降；平均成績由69.53 分提升至78.03 分。說明設計合適的自主學習問題，并輔以與其相適應的學習資源，通過改進翻轉課堂教學方式可達到提升學生成績的基本目標，并能有效培養學生的問題發現、分析、求解能力與創新思維。

Table 1 Examination results of the course before problem-oriented FCM improved teaching model表1 采用基于問題驅動法的翻轉課堂教學前課程考核結果

Table 2 Examination results of the course after problem-oriented FCM improved teaching model表2 采用基于問題驅動法的翻轉課堂教學后課程考核結果

3 結語

對于具有理論抽象、邏輯性強、知識點難等特征的計算機組成原理課程，本文基于問題驅動法探索該課程的教學模式改革，其教學效果的實現也要求有效、暢通的督導以及豐富多樣的興趣激勵手段。因此，后續將從該角度出發繼續發掘此方案的不足，以培養具有良好問題分析與解決能力、創新能力的計算機人才為目標，進一步完善相關教學模式。