融入“計(jì)算思維”的計(jì)算機(jī)硬件類(lèi)課程改革

曹建芳　趙青杉

摘要：針對(duì)大學(xué)計(jì)算機(jī)硬件類(lèi)課程的教學(xué)實(shí)際，分析計(jì)算機(jī)硬件類(lèi)課程和計(jì)算思維的內(nèi)在關(guān)系。從整合教學(xué)內(nèi)容、改革教學(xué)方法和考核評(píng)價(jià)模式三方面著手，闡述在計(jì)算機(jī)硬件類(lèi)課程中貫穿計(jì)算思維能力的可行性，為深化課堂教學(xué)改革提供了新的思路。從近年學(xué)生的考核成績(jī)看出，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；計(jì)算機(jī)硬件類(lèi)課程；教學(xué)改革

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）07-1461-02

1 概述

計(jì)算機(jī)硬件類(lèi)課程在高校計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)占據(jù)非常重要的地位，從邏輯角度和應(yīng)用角度為學(xué)生闡述計(jì)算機(jī)的基本原理和使用方法，讓學(xué)生在計(jì)算機(jī)硬件方面打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，并為學(xué)生今后應(yīng)用技能的提升奠定基礎(chǔ)，其應(yīng)用范圍非常廣泛且與實(shí)際工程聯(lián)系緊密[1-3]。因此，計(jì)算機(jī)硬件類(lèi)課程是大學(xué)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的必修課程。然而，由于這類(lèi)課程理論性較強(qiáng)，大多數(shù)高校的硬件類(lèi)課程實(shí)踐環(huán)節(jié)相對(duì)薄弱，導(dǎo)致硬件類(lèi)課程的教學(xué)一直是計(jì)算機(jī)學(xué)科體系結(jié)構(gòu)教學(xué)中一個(gè)比較薄弱的環(huán)節(jié)。

計(jì)算思維是由美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的周以真教授于2006年在ACM的會(huì)刊上提出來(lái)的。他指出：計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問(wèn)題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類(lèi)的行為，它包括了涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)[4，5]。計(jì)算思維使用約簡(jiǎn)、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，利用啟發(fā)式推理，采用抽象和分解處理龐雜任務(wù)的手段，將一個(gè)看似極其復(fù)雜的問(wèn)題轉(zhuǎn)換成一個(gè)個(gè)易于處理的小問(wèn)題。也就是說(shuō)，計(jì)算思維就是通過(guò)人的思維進(jìn)行計(jì)算，即人通過(guò)特定的思維活動(dòng)使用計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問(wèn)題，計(jì)算機(jī)在解決問(wèn)題過(guò)程中充當(dāng)媒介的作用，它是人和機(jī)器相結(jié)合的產(chǎn)物[6]。

計(jì)算機(jī)硬件類(lèi)課程作為計(jì)算機(jī)學(xué)科的核心基礎(chǔ)課程，其理論性、實(shí)用性和創(chuàng)新性較強(qiáng)，面對(duì)這樣知識(shí)龐雜而又抽象的課程，融入計(jì)算思維的理念，對(duì)其進(jìn)行教學(xué)改革，使學(xué)生靈活的掌握計(jì)算機(jī)硬件的基本原理和應(yīng)用技能成為必然。

2 教學(xué)改革思路和方法

2.1 引入關(guān)注點(diǎn)分離方法，整合教學(xué)內(nèi)容

大學(xué)計(jì)算機(jī)硬件類(lèi)課程主要涉及電工與電子技術(shù)、數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)、微機(jī)原理、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等課程，這些課程看起來(lái)比較分散、自成體系、教學(xué)內(nèi)容抽象，是教師最難教、學(xué)生最難學(xué)的課程。關(guān)注點(diǎn)分離是計(jì)算思維的方法之一，它將復(fù)雜抽象的問(wèn)題合理分解成具體的小問(wèn)題，再研究各個(gè)小問(wèn)題的不同側(cè)面，形成關(guān)注點(diǎn)，然后匯總各個(gè)問(wèn)題的結(jié)果，形成解決方案。在大學(xué)計(jì)算機(jī)硬件類(lèi)課程中，引入關(guān)注點(diǎn)分離方法對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合，可以使得抽象的問(wèn)題具體化，復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化，對(duì)教師教學(xué)起到事半功倍的效果。例如在操作系統(tǒng)課程的教學(xué)過(guò)程中，選擇以Windows NT操作系統(tǒng)的功能為主線，將課程所有的知識(shí)點(diǎn)（進(jìn)程管理、進(jìn)程調(diào)度與死鎖、存儲(chǔ)器管理、設(shè)備管理和文件管理）融入到具體的實(shí)例中，避免了學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中感覺(jué)到知識(shí)點(diǎn)分散零亂、難以理解，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)課程的過(guò)程中，形成一個(gè)完整的知識(shí)體系，幫助學(xué)生更好的理解知識(shí)；在微機(jī)原理課程的教學(xué)過(guò)程中，以80386CPU的指令系統(tǒng)及設(shè)計(jì)為主線，將主要知識(shí)點(diǎn)指令系統(tǒng)、匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、中斷以及接口電路設(shè)計(jì)貫穿其中，這樣既淺顯易懂，又形象生動(dòng)，極大的增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。其他硬件類(lèi)課程的教學(xué)也基本采用關(guān)注點(diǎn)分離教學(xué)法，教學(xué)效果良好。

2.2 利用啟發(fā)式教學(xué)，體現(xiàn)計(jì)算思維

啟發(fā)式教學(xué)是針對(duì)傳授的知識(shí)，先提出一個(gè)源自實(shí)際生產(chǎn)生活的問(wèn)題，然后與學(xué)生共同探討分析問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生逐步解決問(wèn)題，在該過(guò)程中講授分析問(wèn)題和解決問(wèn)題所需要的理論和方法。以操作系統(tǒng)課程中的進(jìn)程同步為例，這是進(jìn)程管理部分教學(xué)的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。在講解這部分內(nèi)容時(shí)，先以典型的司機(jī)—售票員問(wèn)題導(dǎo)入，與學(xué)生共同探討在公共汽車(chē)上司機(jī)與售票員的相互合作關(guān)系以及合作的先后次序關(guān)系，分析兩者的相互制約關(guān)系，從而得出使用信號(hào)量機(jī)制解決進(jìn)城同步的方法；在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中，局域網(wǎng)組建是教學(xué)的重點(diǎn)，在講授這部分內(nèi)容時(shí)，首先以日常實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)的組建情況為例，與學(xué)生一起分析實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)的工作原理，共同探討一般局域網(wǎng)的組建方法，從而得出在實(shí)驗(yàn)室組建虛擬局域網(wǎng)和實(shí)際局域網(wǎng)的實(shí)施方法。這樣既加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握理解，也培養(yǎng)了學(xué)生的計(jì)算思維能力。

2.3 使用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式，訓(xùn)練計(jì)算思維

任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式是讓教師和學(xué)生圍繞任務(wù)展開(kāi)教學(xué)活動(dòng)。這種模式中，教師的主要工作是設(shè)計(jì)任務(wù)、呈現(xiàn)問(wèn)題、輔助任務(wù)實(shí)施和總結(jié)評(píng)價(jià)，學(xué)生通過(guò)明確任務(wù)、分析問(wèn)題、交流和反思訓(xùn)練計(jì)算思維，培養(yǎng)和增強(qiáng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

以數(shù)字邏輯課程為例，教師根據(jù)課程特點(diǎn)，運(yùn)用計(jì)算思維的方法呈現(xiàn)教學(xué)任務(wù)，要求學(xué)生分組完成一個(gè)具體的組合邏輯電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。學(xué)生以每組3—5人自由組合，每組選出負(fù)責(zé)人，教師通過(guò)展示往年學(xué)生的設(shè)計(jì)作品，向?qū)W生提供部分選題作為參考，學(xué)生也可通過(guò)調(diào)研自行選擇一些有意義的與課程相關(guān)的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。在教學(xué)過(guò)程中，教師使用關(guān)注點(diǎn)分離方法將組合邏輯電路審計(jì)分解為簡(jiǎn)單的小問(wèn)題，然后以設(shè)計(jì)成果的形式要求學(xué)生完成課程任務(wù)，讓學(xué)生在完成具體任務(wù)的過(guò)程中學(xué)習(xí)并應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容，提高了教學(xué)效率。學(xué)生在教師的實(shí)時(shí)指導(dǎo)下，明確任務(wù)，分析問(wèn)題，各組學(xué)生分工協(xié)作，定期交流，通過(guò)查閱資料和調(diào)研等途徑探究解決問(wèn)題的途徑。最后，學(xué)生在教師指導(dǎo)下完成任務(wù)后，通過(guò)展示和自評(píng)，并交流自己的學(xué)習(xí)心得，教師總結(jié)點(diǎn)評(píng)，幫助學(xué)生拓展所學(xué)知識(shí)，訓(xùn)練學(xué)生的計(jì)算思維能力。

3 教學(xué)效果考核

考核評(píng)價(jià)是教學(xué)活動(dòng)中不可或缺的重要環(huán)節(jié)，是檢驗(yàn)教學(xué)效果的重要手段。隨著計(jì)算機(jī)硬件類(lèi)課程教學(xué)改革的深入，課程的考核評(píng)價(jià)模式也應(yīng)隨之改革。根據(jù)計(jì)算思維能力的培養(yǎng)要求，必須打破傳統(tǒng)的只側(cè)重于考查學(xué)生對(duì)理論知識(shí)點(diǎn)的掌握程度的考核評(píng)價(jià)模式，建立真正體現(xiàn)學(xué)生計(jì)算思維能力的考核評(píng)價(jià)模式。傳統(tǒng)的考核評(píng)價(jià)方法是：學(xué)生成績(jī)=平時(shí)成績(jī)×20%+理論考試成績(jī)×80%。改革之后，學(xué)生成績(jī)=平時(shí)成績(jī)×10%+理論考試成績(jī)×45%+實(shí)驗(yàn)成績(jī)×45%。實(shí)驗(yàn)成績(jī)就是學(xué)生做實(shí)驗(yàn)完成具體任務(wù)的考核成績(jī)。可以看出，改革之后的考核評(píng)價(jià)模式增加了實(shí)驗(yàn)成績(jī)，重點(diǎn)考核學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維能力分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。下表1是近幾學(xué)年計(jì)算機(jī)硬件類(lèi)課程改革之前和之后我系計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的平均考試成績(jī)。

從表1可以看出，在計(jì)算機(jī)硬件類(lèi)課程中貫穿計(jì)算思維能力的培養(yǎng)之后，學(xué)生的考核成績(jī)明顯提高，而且通過(guò)對(duì)兩屆學(xué)生的問(wèn)卷調(diào)查顯示，課程改革之后，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣大幅度提高，動(dòng)手實(shí)踐能力也大大提高，教學(xué)效果良好。

4 結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算思維作為人類(lèi)的三大思維方式之一已受到了廣泛的關(guān)注。該文給出了融入“計(jì)算思維”的大學(xué)計(jì)算機(jī)硬件類(lèi)課程教學(xué)改革的新模式，圍繞課程教學(xué)內(nèi)容的整合，教學(xué)方法和考核評(píng)價(jià)模式的改進(jìn)，讓學(xué)生在解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中領(lǐng)會(huì)并掌握計(jì)算思維方法，提高了學(xué)生獨(dú)立思考解決問(wèn)題的能力和團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新協(xié)作能力，使教學(xué)效果得到明顯提高。這種教學(xué)模式所傳授的思想和方法，將廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的其他專(zhuān)業(yè)課程中，這將為學(xué)生更好的學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)其他相關(guān)課程奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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