問題引導下“計算機組成原理”任務驅動教學設計的研究

屈正庚

(商洛學院,數學與計算機應用學院， 陜西，商洛 726000)

0 引言

“計算機組成原理”是計算機相關專業的一門核心課程，屬于理論性極強的計算機硬件課程。現在到處都使用計算機進行學習、辦公，但是許多學生并不了解計算機硬件組成、內部結構、具體工作原理與思維方式，在實際維護、應用升級等方面存在困難，因此學習此門課程對上述問題進行解釋。但是這門課程理論性比較強，有些東西在實際中看不見、摸不著，采取傳統教學方法開展教學，教學效果無法達到預期目標，出現這種問題有多種原因引起，一方面教師常年教學模式和方法受到慣性思維的指導，傳統的教學狀態無法打破，新的教學方法需要三到四輪的實踐才能有效，漫長的過程導致很多教師放棄；另一方面網絡教學資源豐富，目前學生學習知識的方法很多，學生對課堂的依賴性不斷減弱，如果覺得課堂枯燥乏味就失去了積極主動學習的興趣，導致課堂教學注意力不集中；最后計算機新技術的快速發展，軟件技術不斷取代硬件技術，迫使學生從內心世界淡化硬件課程的學習和認知。長此以往導致課堂教學惡性循環，教學改革越來越艱難。

本文從網絡工程、計算機應用技術等相關專業的“計算機組成原理”課程教學大綱出發，結合當前工程教育認證的要求，對本課程課堂教學進行初步改革與實踐。由于計算機專業知識更新迅速、課程類別眾多、應用性廣泛，還存在交叉學科的特點，在教學改革中需要注重獨立思考、探索問題、發現問題、分析問題、總結問題、歸納問題等能力培養，追求多層次、多目標、多實踐的認知、理解能力。

1 問題引導下任務驅動教學的總體設計思路

1.1 問題式課堂教學設計

問題引導式教學方法是印度最早從事IT職業教育的Aptech計算機教育公司推出的培養軟件程序設計人員的課程體系，提出了3W1H，北大青鳥集團于2000年引入中國。3W1H是指WHAT、WHY、WHERE、HOW，第一個W要求教師講清楚是什么，第二個W要求教師說出來為什么，第三個W要求教師表達出在哪里用，H要求教師敘述出如何用的問題。3W1H的內涵與“計算機組成原理”課程目標與作用是一致的，既要講解清楚計算機硬件設備的工作原理與設計思想，又要將這些原理應用于生產、生活中，這種教學方法剛好符合當前高校應用型人才培養目標。但是這種教學方法對教師提出了更高的要求，教師需要具備豐厚的專業知識，生動有趣、嚴謹創新的課堂教學設計，學生能否主動參與、達到預期效果就看教師在教學過程中是否融入一些新穎的教學方法、理念、思維。因此需要問題式課堂教學設計模式，其設計[1-2]如圖1所示。

圖1 問題引導式教學設計

1.2 任務驅動法教學設計

任務驅動法是指在教學活動中，學生緊緊圍繞教師設計的任務活動，在強烈的問題動機的驅動下，通過主動學習進行自主探索和互動協作，并在規定的時間內完成任務。任務驅動教學法的關鍵點是設計有趣合理的任務，這決定了學生主動學習的積極性。一般情況下，任務需要遵循6個原則：目標性、合理性、趣味性、操作性、完整性、應用性。任務設計分為6個環節：確定目標導入任務，分析任務提出問題，自主探究解決任務，師生互動提升任務，結果展示取長補短，任務評價與總結。具體關系[3-4]如圖2所示。

圖2 任務驅動法教學設計

這種教學模式的優勢在于能夠讓學生成為教學的真正主體，充分發揮每位學生的自主性、創新性，并積極思考、協作和溝通。具體實施的難點在于設計任務的難易程度無法兼顧到所有學生學習情況和教學目標實現[5]。

1.3 問題引導下任務驅動教學的總體設計

通過分析與總結問題式引導法和任務驅動法的優缺點，將這2種方法結合起來展開課堂教學，取長補短，既能彌補教師教學能力的不足，又能發揮學生積極性，縮小學生學習情況的差距。在課堂上設計任務引出問題，學生在完成任務的過程中采用3W1H思想進行，教師通過線上線下對問題進行解答，達到預期的教學效果和目的。保證“計算機組成原理”課程教學的完整性、流暢性，學生完成任務的實時性、有效性。根據目前情況設計總體教學流程[6-7]如圖3所示。

圖3 整體教學設計思路

根據上述教學總體設計流程，結合課程教學大綱，“計算機組成原理”課程一共32個講授學時，從基礎概念、計算機硬件結構、中央處理器、控制單元4個部分開展教學。圍繞計算機系統組成、總線的結構及特性、存儲器的結構與工作原理、高速緩沖存儲器的工作原理、輸入輸出系統的數據傳送方式、計算機的各種運算方法、計算機操作指令的工作原理、CPU結構及工作原理、控制器的結構及設計原理等知識點進行討論[8]。結合課程重難點知識，課程設定7個教學任務。第一，通過計算機系統組成明白如何衡量1臺計算機性能指標，目的在于使用計算機時如何去保養和維護、購買時需要注意哪些方面，建立一個整機的概念。第二，通過系統總線明白總線是干什么的，是如何設計和控制總線的，目的在于理解總線在計算機硬件結構與組成中的作用和地位。第三，學習存儲器、高速緩沖的工作原理明白計算機是如何存儲程序代碼、鍵盤輸入的信息是如何存放與顯示的，目的在于明白存儲器進行信息輸入輸出是如何實現的，以及和其他部件如何鏈接工作的。第四，通過計算機的運算方法明白各種數據在機器中是如何存儲的，如何進行四則運算的，目的在于明白計算機在自動解題過程中數據加工處理流程原理。第五，通過計算機操作指令的工作原理明白為什么計算機會自動化處理數據，而且精度高、效率快、記憶力強，目的在于體會指令與機器硬件之間的密切關系。第六，通過CPU結構及工作原理明白一條機器指令執行的全過程是什么，涉及哪些硬件設備，硬件設備是如何配合的，目的在于進一步深刻理解CPU在計算機中的地位和作用。第七，了解控制器的結構及工作原理，明白不同指令所發出的各種命令為什么能有條不紊地完成相應操作，而且安全、可靠、穩定，目的在于體會控制器在計算機運行中所起的核心作用[9]。

教師將教學任務提前進行線上發布，每個任務都應有一個明確的目的，同時給出3～4個思考題；學生采用3W1H的思想，分組查閱資料、積極討論、認真設計方案、及時提交完成結果；教師在線統計學生完成情況，總結學生知識掌握情況，隨時調整課堂教學進度、深度、難度，更有針對性、目標性地完成課堂教學任務，達到事半功倍的效果。課后對課堂講解的知識點給出一些測試題，用時需10分鐘左右的題量，主要以選擇、判斷、填空、解釋題為主，學生隨機抽取題目進行作答，將作答的成績納入平時成績考核當中。

2 教學設計應用實例

以存儲器的教學內容為例，采用問題式引導法進行教學設計。存儲器的教學一共分為4部分內容：存儲器基本概念、主存儲器的結構及工作原理、輔助存儲器的結構及工作原理、高速緩沖存儲器的結構及工作原理。重點以主存儲器的結構及工作原理的知識點設定任務，具體設計如下。

任務目標：掌握靜態和動態隨機存儲器結構、讀寫數據的過程。

完成內容：

(1) 靜態隨機存儲器的結構及原理;

(2) 靜態隨機存儲器讀寫數據的過程;

(3) 動態隨機存儲器的結構及原理;

(4) 動態隨機存儲器讀寫數據的過程;

(5) 靜態和動態隨機存儲器的區別。

引導問題：

(1) 寄存器和主存儲器都是用來存放信息的，它們有什么不同;

(2) 只讀存儲器和隨機存儲器是一樣的隨機存取存儲器嗎;

(3) 靜態隨機存儲器和動態隨機存儲器的結構是否一樣;

(4) 靜態隨機存儲器和動態隨機存儲器數據讀寫過程是否相同;

(5) 刷新和重寫是一回事嗎？

第一個問題講授主存儲器的作用和意義，第二個問題引出存儲器的分類、特性，第三個問題指出靜態隨機存儲器與動態隨機存儲器的內部結構各自有哪些特征，第四個問題說明靜態隨機存儲器與動態隨機存儲器的外部特性有何不同，第五個問題講述靜態隨機存儲器和動態隨機存儲器異同點。

課程內容結束后，圍繞問題和講解的知識設計不同的測試題，通過線上發布及時督促學生作答，促進學生對課堂知識的及時鞏固，加強教師課堂教學狀態的及時反饋[10]。

課后十分鐘測試題：

(1) 主存儲器的特點是(容量小)、(價格高)、(速度快);

(2) 靜態隨機存儲器由(雙穩態觸發器)組成，動態隨機存儲器由(電容)組成;

(3) 動態隨機存儲器的3種刷新方式：(集中式)、(分散式)、(異步式)，刷新的原因是(電荷漏電);

(4) 隨機存儲器可進行數據(讀)、(寫)、(刪除)操作，只讀存儲器只能進行數據(讀)操作;

(5) 靜態隨機存儲器地址只有(行地址)，動態隨機存儲器地址分為(行地址)、(列地址);

(6) 隨機存儲器進行數據寫操作時，需要(CS=0)、(WR=0);

(7) 刷新是(定時的)，重寫是(隨機的);

(8) 主存儲器可以和(輔助存儲器)、(CPU)、(高速緩沖存儲器)交換信息;

(9) 主存儲器和輔助存儲器指標的不同點。

課程考核機制采取多元化模式，學生線下任務完成、線上測試題完成、分組課堂展示、期末考試成績等多個部分組成，注重學生自主學習性、積極參與度，打破傳統的期末考試成績單一評定機制，開發學生愛學習、想學習、勤思考的習慣。

3 總結

本文以“計算機組成原理”課程為例，從章節知識入手，采取任務驅動法展開教學，結合實際情況設計學習任務，學生在完成任務中激發學習興趣、獲取成就感、使命感，再利用問題式引導法提出理論知識點，以學生為主體展開線上線下混合式教學模式，運用靈活多樣的教學手段豐富課堂氣氛，提高學生主動學習能力，培養學生分析問題、解決問題的能力，團隊合作、溝通、協調的能力。改變傳統教學模式和方法，激發學生學習興趣、以追求學生獨立思考、自主創新能力為目標，建立對課程系統化的認識、對專業深層次的理解。