基于計(jì)算思維的計(jì)算機(jī)硬件課程教學(xué)模式改革

葛方振　劉懷愚

摘要：培養(yǎng)大學(xué)生的計(jì)算思維能力已經(jīng)是高校計(jì)算機(jī)教育的共識(shí)。在分析當(dāng)前計(jì)算機(jī)硬件課程教學(xué)模式存在的普遍問(wèn)題，結(jié)合計(jì)算思維的基本原理，提出了計(jì)算機(jī)硬件課程教學(xué)模式改進(jìn)的方法，為計(jì)算機(jī)硬件課程教學(xué)改革提供了一種新思路。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；計(jì)算機(jī)硬件課程；教學(xué)模式

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）13-0125-03

Abstract： The cultivation of college students' computational thinking ability is the consensus of the computer education in colleges and universities. A method to improve the teaching mode of computer hardware courses is put forward by combining with the basic principles of computational thinking and analyzing the existing problems in the teaching mode of computer hardware courses， which provides a new way for the teaching reform of computer hardware courses.

Key words： Computational Thinking； Computer Hardware Course； Teaching Mode

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，不同的高校開(kāi)設(shè)計(jì)算機(jī)專業(yè)的課程有很大的差異，因而許多高校教師面臨一些困惑。如，快速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)，使專業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容面臨取舍問(wèn)題、教學(xué)內(nèi)容選擇問(wèn)題、學(xué)時(shí)數(shù)問(wèn)題、教學(xué)與實(shí)踐的學(xué)時(shí)分配問(wèn)題等。2006年周以真[1]提出了“計(jì)算思維”的概念，給國(guó)內(nèi)外教育工作者指明了計(jì)算機(jī)教育的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。隨后計(jì)算思維在國(guó)內(nèi)外計(jì)算機(jī)界引起廣泛關(guān)注，計(jì)算思維迅速成為了計(jì)算機(jī)教育研究的重要問(wèn)題[2-5]。2011年四川師范大學(xué)的牟琴和譚良[6]對(duì)計(jì)算思維的研究情況做了較為詳細(xì)的闡述和總結(jié)，并進(jìn)一步提出展望?？傮w看來(lái)，教育工作者們對(duì)計(jì)算思維的理解不盡相同，甚至差別較大，但普遍認(rèn)為計(jì)算機(jī)教育的核心任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，是業(yè)已形成的共識(shí)[7]。然而如何將這種共識(shí)變成完整的行之有效的方法體系，仍然需要繼續(xù)探討和堅(jiān)持不懈的實(shí)踐。

面對(duì)大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)的“知識(shí)空間”，戰(zhàn)德臣、聶蘭順[8]從宏觀上提出了“計(jì)算之樹(shù)”描述計(jì)算技術(shù)和計(jì)算系統(tǒng)，并給出了一個(gè)大學(xué)計(jì)算機(jī)課程改革方案。朱亞宗[9]提出了計(jì)算思維的基本原理，包括三點(diǎn)：一是可計(jì)算性原理，二是形理算一體原理，三是機(jī)算設(shè)計(jì)原理。我們認(rèn)為這至少?gòu)挠?jì)算機(jī)的產(chǎn)生過(guò)程方面對(duì)計(jì)算思維的基本原理有了較為深刻的理解。本文試圖結(jié)合文獻(xiàn)[9]的計(jì)算思維的基本原理，根據(jù)計(jì)算機(jī)硬件課程的特點(diǎn)，提出計(jì)算機(jī)硬件課程教學(xué)改革的模式。

2 計(jì)算思維的基本原理

2.1 可計(jì)算性原理的核心是遞歸

計(jì)算在人類社會(huì)發(fā)展中是必不可少的工具。不過(guò)，人們一直較為直觀認(rèn)為：計(jì)算就是按照預(yù)定的規(guī)則，將一些原始數(shù)據(jù)變換成另一些需要的數(shù)據(jù)的處理過(guò)程。那么，按照確定的規(guī)則，將給定類型問(wèn)題中的任何具體問(wèn)題在有限步內(nèi)完成求解，便稱為這類問(wèn)題是可計(jì)算的。但進(jìn)入20世紀(jì)，人們發(fā)現(xiàn)很多問(wèn)題找不到算法，例如：半群的字的問(wèn)題，希爾伯特第10問(wèn)題等。這時(shí)人們反思，盡管通過(guò)構(gòu)造出的方法能夠解決一些問(wèn)題，但對(duì)計(jì)算的理解依然不明確。

美國(guó)數(shù)學(xué)家Kurt Godel于1934年提出了一般遞歸函數(shù)的概念，并給出了重要論斷：凡算法可計(jì)算的函數(shù)都是一般遞歸函數(shù)，反之亦然。1936年，著名的“丘奇論點(diǎn)”指出算法可計(jì)算函數(shù)等同于一般遞歸函數(shù)或λ可定義函數(shù)。就這樣，經(jīng)歷數(shù)學(xué)教們的努力，可計(jì)算函數(shù)有了嚴(yán)格數(shù)學(xué)定義，但對(duì)具體的某一步運(yùn)算，選用什么初始函數(shù)和基本運(yùn)算仍有不確定性。為此，Turing在“論可計(jì)算數(shù)及其在判定問(wèn)題中的應(yīng)用”一文中，全面分析了人的計(jì)算過(guò)程，把計(jì)算歸結(jié)為最簡(jiǎn)單、最基本、最確定的操作動(dòng)作，并使任何機(jī)械的程序都可以歸約為這些操作動(dòng)作。這種方法以一種“自動(dòng)機(jī)”為基礎(chǔ)，算法可計(jì)算函數(shù)即是這種自動(dòng)機(jī)能計(jì)算的函數(shù)。后來(lái)人們將這種“自動(dòng)機(jī)”稱為“圖靈機(jī)”。

因此，“遞歸”的思維是可計(jì)算性原理的核心。采用一個(gè)或多個(gè)前導(dǎo)元素運(yùn)算后續(xù)元素，從而實(shí)現(xiàn)求解一系列元素。周以真教授也指出遞歸是計(jì)算機(jī)技術(shù)的典型特征，遞歸使無(wú)限的功能在有限步驟內(nèi)可以描述或運(yùn)行。

2.2 物理機(jī)制與計(jì)算方法對(duì)應(yīng)是形理算一體關(guān)鍵

數(shù)學(xué)能夠充分地表達(dá)各種物理規(guī)律，對(duì)物理規(guī)律有明確表達(dá)，但是同一物理規(guī)律可能有多種數(shù)學(xué)表達(dá)方法，如我們?cè)诘芽栕鴺?biāo)和極坐標(biāo)下描述橢圓，就可以形成不同的表達(dá)式，這樣在計(jì)算上就不等效。因此，要使數(shù)學(xué)物理的離散計(jì)算步驟完全可以上溯到形象思維層次的物理模型，計(jì)算思維必須與形象思維及抽象思維融合為一體。

2.3 機(jī)算設(shè)計(jì)原理的根本是“0-1”和“程序”思維

電子計(jì)算機(jī)的基本模型應(yīng)該是計(jì)算思維的根基。眾所周知，計(jì)算機(jī)的根本特征是程序存儲(chǔ)和程序的自動(dòng)執(zhí)行。馮·諾依曼提出的計(jì)算機(jī)的基本機(jī)構(gòu)為：計(jì)算器、邏輯控制裝置、存儲(chǔ)器、輸入和輸出5個(gè)構(gòu)成部分，并確定了采用二進(jìn)制和存儲(chǔ)程序，自動(dòng)執(zhí)行指令，這樣就充分利用了邏輯學(xué)家和電子工程師的智慧。因此，計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)原理離不開(kāi)“0-1”思維和“程序”思維。計(jì)算機(jī)的硬件電路由晶體管等元器件實(shí)現(xiàn)，再進(jìn)一步組合形成邏輯門(mén)電路，然后再構(gòu)造復(fù)雜的電路，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的復(fù)雜功能。正是硬件能夠存儲(chǔ)和執(zhí)行邏輯值，0和1就是邏輯值的符號(hào)，通過(guò)0和1，把所有的操作或處理都符號(hào)化為0-1序列。這就是“0-1”思維。計(jì)算機(jī)的各種復(fù)雜的操作都是由基本操作構(gòu)成的，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)僅僅需要若干基本操作進(jìn)行組合，形成基本動(dòng)作的次序，也就是程序，即是“程序”思維。

3 計(jì)算機(jī)硬件課程教學(xué)模式存在的問(wèn)題

計(jì)算機(jī)硬件課程主要由模擬電子技術(shù)、數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理、微機(jī)原理與接口技術(shù)、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、嵌入式系統(tǒng)6門(mén)課程。這些是計(jì)算機(jī)專業(yè)課程的重要部分，多數(shù)院校都對(duì)這些課程比較重視，但大多數(shù)學(xué)生都反映對(duì)硬件知識(shí)掌握不牢，動(dòng)手實(shí)踐能力不強(qiáng)，幾乎不能理解簡(jiǎn)單硬件系統(tǒng)的原理，更談不上硬件系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)等等問(wèn)題。導(dǎo)致這一結(jié)果的原因與教學(xué)模式有很重要的關(guān)系。

3.1 課堂教學(xué)內(nèi)容無(wú)新意，難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

如果計(jì)算機(jī)硬件課程僅僅按照教材的組織授課，整個(gè)知識(shí)的過(guò)程是填鴨式，一灌到底，最終只能是知識(shí)堆積，給學(xué)生感到內(nèi)容繁雜，難以理解，學(xué)生會(huì)漸漸失去學(xué)習(xí)興趣。

3.2 強(qiáng)調(diào)理論知識(shí)，不重視實(shí)踐訓(xùn)練，難提升思維方式

很多院校對(duì)課時(shí)量壓縮，教學(xué)內(nèi)容大大減少，教師在課堂上只講解基本原理，使學(xué)生的系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)能力較弱。另外，實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容以驗(yàn)證型居多，致使學(xué)生對(duì)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的聯(lián)系不清楚，缺乏獨(dú)立解決問(wèn)題的能力，難以建立連續(xù)的、漸進(jìn)的設(shè)計(jì)思想和提升計(jì)算思維能力。

4 新型教學(xué)模式構(gòu)建

結(jié)合目前計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)上存在的問(wèn)題，我們希望通過(guò)具體教學(xué)模式改革，使學(xué)生在潛移默化中將計(jì)算思維能力融入到個(gè)人解決問(wèn)題的備選思考方式庫(kù)中。經(jīng)過(guò)四年的熏陶，會(huì)主動(dòng)甚至無(wú)意中運(yùn)用計(jì)算思維去解決實(shí)際問(wèn)題。為此，進(jìn)行如下改革。

4.1 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容組織

以計(jì)算思維為指導(dǎo)，保持原有的教學(xué)內(nèi)容，挖掘知識(shí)模塊之間的聯(lián)系，重新組織和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，理出教學(xué)內(nèi)容的知識(shí)體系，找出知識(shí)脈絡(luò)。這里給出模塊化和系統(tǒng)化的教學(xué)內(nèi)容組織方式。

模塊化，一些具有計(jì)算思維特征的教學(xué)內(nèi)容可設(shè)為知識(shí)模塊。如，“0-1”模塊、“存儲(chǔ)程序”模塊、并行模塊、遞歸模塊等。數(shù)字邏輯的邏輯部分和計(jì)算機(jī)組成原理的數(shù)據(jù)表示方法等內(nèi)容設(shè)為“0-1”模塊，數(shù)字邏輯的存儲(chǔ)電路部分、計(jì)算機(jī)組成原理的多層次存期器系統(tǒng)、指令系統(tǒng)和微機(jī)原理與接口技術(shù)的存儲(chǔ)器部分可視為“存儲(chǔ)程序”模塊等。同時(shí)，內(nèi)容組織可以與社會(huì)環(huán)境中場(chǎng)景類比，使學(xué)生由淺入深地理解計(jì)算思維，豐富其聯(lián)想能力，促進(jìn)學(xué)生形成復(fù)合型思維。

系統(tǒng)化，以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的方式組織系統(tǒng)化的教學(xué)內(nèi)容，幫助學(xué)生建立知識(shí)模塊之間的聯(lián)系，提高學(xué)生對(duì)計(jì)算技術(shù)與計(jì)算系統(tǒng)的宏觀認(rèn)識(shí)和理解。由項(xiàng)目的問(wèn)題為導(dǎo)向，逐步探尋知識(shí)結(jié)論的思維軌跡和模式，改變陳舊的教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)型教學(xué)模式，以培養(yǎng)學(xué)生的思維過(guò)程為重點(diǎn)，加強(qiáng)教學(xué)深度，達(dá)到訓(xùn)練計(jì)算思維的目的。譬如：在講授數(shù)字邏輯課程中，以設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)為例，為完成給定的系統(tǒng)，首先需要進(jìn)行系統(tǒng)總體功能分析設(shè)計(jì)和各個(gè)部件的設(shè)計(jì)，然后分析數(shù)制與碼制、邏輯門(mén)、邏輯電路設(shè)計(jì)及優(yōu)化等相關(guān)主題，最后再總結(jié)歸納設(shè)計(jì)思想。

4.2 改進(jìn)教學(xué)方法

教學(xué)模式改革，不僅是教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化和更新，更重要的是采用怎樣的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，即是教學(xué)方法上改革。下面是我們已經(jīng)過(guò)在實(shí)踐應(yīng)用的兩種教學(xué)方法。

4.2.1 加強(qiáng)學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)能力

當(dāng)今，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和普及，網(wǎng)絡(luò)上的學(xué)習(xí)資源已經(jīng)相當(dāng)豐富，大學(xué)生有能力利用網(wǎng)絡(luò)資源，學(xué)習(xí)并理解一部分知識(shí)。同時(shí)，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)是當(dāng)前較好的教學(xué)方法，高校教師也應(yīng)當(dāng)合理地借鑒，將其融入自主探究式學(xué)習(xí)中。首先讓學(xué)生提前在網(wǎng)絡(luò)上學(xué)習(xí)一些課前的基本知識(shí)，在課堂教學(xué)中不再重復(fù)學(xué)生可以方便獲取、自學(xué)的東西，多留出時(shí)間讓師生交流。這樣，一方面，教師可以充分發(fā)揮學(xué)生的自學(xué)能力，讓學(xué)生自主完成部分學(xué)習(xí)任務(wù)；另一方面，教師可以通過(guò)課堂師生交流，使學(xué)生掌握知識(shí)的全面性和系統(tǒng)性，引導(dǎo)學(xué)生形成計(jì)算思維能力。

4.2.2 促進(jìn)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革

當(dāng)今的教育理念都倡導(dǎo)學(xué)生做課堂的主人，充分給學(xué)生動(dòng)腦和動(dòng)手機(jī)會(huì)，讓他們主動(dòng)獲取知識(shí)；而教師的作用主要是引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮主觀能動(dòng)性，加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力，幫助學(xué)生梳理知識(shí)結(jié)構(gòu)，提升學(xué)生計(jì)算思維能力。為此，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法進(jìn)行如下改革：

⑴實(shí)驗(yàn)進(jìn)課堂。計(jì)算機(jī)硬件課程的共性是實(shí)踐性強(qiáng)，如果單純地以理論課的形式授課，學(xué)生會(huì)感到抽象，無(wú)法完全理解。如果能將驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)在課堂上演示（如：計(jì)算機(jī)組成原理的存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)、微機(jī)原理與接口技術(shù)的定時(shí)器、數(shù)碼管顯示實(shí)驗(yàn)等），不僅解決了學(xué)生的疑問(wèn)，還活躍了課堂氣氛。

⑵實(shí)驗(yàn)平臺(tái)自行設(shè)計(jì)。目前，多數(shù)院校采用購(gòu)置的實(shí)驗(yàn)儀安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，且安排相對(duì)固定，學(xué)生只需要插入少數(shù)連線，就可以將實(shí)驗(yàn)做完。這樣，教師無(wú)法靈活安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，難以提高學(xué)生的實(shí)踐能力，更談不上系統(tǒng)掌握知識(shí)，提高思維能力。為此，購(gòu)買(mǎi)一些最小系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板，自制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有較多好處。一是，可以選擇最適合本校學(xué)生的軟硬件資源，編制難度適中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；二是，有利于鍛煉教師能力，改善教師專業(yè)素質(zhì)，自制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以教師主導(dǎo)，學(xué)生參與，共同提高；三是，成本低，功能全；四是，方便維護(hù)，改變實(shí)驗(yàn)儀維護(hù)周期長(zhǎng)的問(wèn)題。

4.3 改進(jìn)綜合評(píng)價(jià)體系

考核是評(píng)估教學(xué)目標(biāo)完成程度的一種手段。通常，大學(xué)計(jì)算機(jī)課程的評(píng)價(jià)體系由平時(shí)成績(jī)和期末成績(jī)兩部分組成。平時(shí)成績(jī)是學(xué)生課堂出缺勤情況，占30%，而期末成績(jī)則以測(cè)試記憶性的知識(shí)考核為主，占70%。但是，在計(jì)算機(jī)硬件課程中，這樣的評(píng)價(jià)體系不僅不能全面反映學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的掌握程度，更不可能有效地反映學(xué)生的計(jì)算思維能力，原因在于計(jì)算機(jī)硬件課程帶有一定的綜合設(shè)計(jì)和實(shí)踐能力，試卷成績(jī)根本無(wú)法體現(xiàn)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)的能力，更談不上提高計(jì)算思維的能力和創(chuàng)新能力。

我們對(duì)計(jì)算機(jī)硬件課程采用綜合的評(píng)價(jià)系統(tǒng)，一門(mén)課程的評(píng)價(jià)應(yīng)由平時(shí)成績(jī)（占10%）、平時(shí)實(shí)踐成績(jī)（體現(xiàn)運(yùn)用和創(chuàng)新能力，占50%）和期末成績(jī)（占40%）。這樣不僅考慮到學(xué)生出勤情況和記憶知識(shí)的考核，更重要的是體現(xiàn)了學(xué)生的平時(shí)實(shí)踐創(chuàng)新能力，這樣，實(shí)踐考核成績(jī)不僅容易判別學(xué)生對(duì)計(jì)算思維的理解以及其運(yùn)用能力，還能反映問(wèn)題求解過(guò)程或方式方法的多樣性，從而鼓勵(lì)學(xué)生大膽創(chuàng)新。

5 總結(jié)

本文根據(jù)計(jì)算機(jī)硬件課程的特點(diǎn)，分析了當(dāng)前計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)模式存在的問(wèn)題，提出了計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)模式改革的方法，解決了培養(yǎng)計(jì)算思維能力難以落實(shí)到具體課程的難題，為計(jì)算機(jī)硬件課程教學(xué)改革提供重要參考。

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