基于軟件生命周期的計(jì)算機(jī)教學(xué)設(shè)計(jì)創(chuàng)新案例

祁薇　楊健　王輝

摘 要：教學(xué)設(shè)計(jì)本著從如何提高教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量的角度出發(fā)，是保證課堂教學(xué)成功的前提。文章以《計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)》課程中“程序的執(zhí)行過(guò)程”一節(jié)的內(nèi)容為例，基于軟件生命周期模型的思想著重從計(jì)劃、需求分析、設(shè)計(jì)以及反饋等幾方面進(jìn)行分析描述。針對(duì)每一項(xiàng)理論內(nèi)容都將給出了具體的實(shí)施計(jì)劃，具體的設(shè)計(jì)了整節(jié)課的授課思路。

關(guān)鍵詞：軟件開(kāi)發(fā)周期模型；課堂教學(xué)設(shè)計(jì)；教學(xué)任務(wù)；教學(xué)策略；案例實(shí)施

中圖分類號(hào)：TP311.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：This innovative instance of teaching designs，from how to improve teaching efficiency and teaching quality，analyses the contents of "the implementation of procedures" in the course "the basis technology of computer hardware".This case will focus on several aspects to analysis and describe such as the setting of teaching objectives，the analysis of teaching task and the choice of teaching strategies.Each of the theory will be given a specific implementation plan and the whole idea of the teaching.

Keywords：software development model；class teaching design；teaching objective；teaching task；teaching strategies

1 引言（Introduction）

在總部修訂的《軍隊(duì)院校本科教學(xué)工作評(píng)價(jià)方案》的指標(biāo)體系中，增加了一個(gè)新的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)——課程教學(xué)設(shè)計(jì)。然而課堂教學(xué)直接關(guān)系到課程的實(shí)施情況，而課堂教學(xué)設(shè)計(jì)是保證課堂教學(xué)成功的前提之一[1]，因此必須加強(qiáng)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)的研究。那么課堂教學(xué)設(shè)計(jì)主要包含哪些方面，哪些是關(guān)鍵要素呢？又要如何設(shè)計(jì)課堂教學(xué)來(lái)體現(xiàn)出教員各自的特點(diǎn)與個(gè)性呢？這些是教學(xué)評(píng)價(jià)為我們提出的新挑戰(zhàn)，同時(shí)這也是我們年輕教員提高課堂教學(xué)質(zhì)量的所必須要考慮的問(wèn)題。

軟件生命周期同任何事物一樣，一個(gè)軟件產(chǎn)品或軟件系統(tǒng)需要經(jīng)歷孕育、誕生、成長(zhǎng)、成熟、衰亡等階段，一般稱為軟件生命周期。把整個(gè)軟件生命周期劃分為若干階段，使得每個(gè)階段有明確的任務(wù)，使規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜和管理復(fù)雜的軟件開(kāi)發(fā)變的容易控制和管理。通常軟件生命周期包括可行性分析與開(kāi)發(fā)項(xiàng)計(jì)劃、需求分析、設(shè)計(jì)（概要設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)）、編碼、測(cè)試、維護(hù)等活動(dòng)，可以將這些活動(dòng)以適當(dāng)?shù)姆绞椒峙涞讲煌碾A段去完成。

本案例將以簡(jiǎn)要的以軟件工程的工程化思想著重從計(jì)劃、需求分析以及設(shè)計(jì)等角度從教學(xué)策略的選擇、教學(xué)目標(biāo)的設(shè)置、教學(xué)任務(wù)的分析幾方面進(jìn)行分析描述。

2 計(jì)劃方面（Plan）

在軟件生命周期的第一階段即要確定軟件的開(kāi)發(fā)目標(biāo)和總的要求，要進(jìn)行可行性分析、制定開(kāi)發(fā)計(jì)劃等，同樣進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)的前提即是首先設(shè)置教學(xué)目標(biāo)。

進(jìn)行一節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)，不僅要了解本節(jié)課的目標(biāo)，首先要把握了解課程的總體目標(biāo)?！队?jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)》這門(mén)課的整體教學(xué)目標(biāo)通過(guò)理論學(xué)習(xí)，建立計(jì)算機(jī)硬件的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系，學(xué)會(huì)把以前所學(xué)的計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)等知識(shí)運(yùn)用到計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的學(xué)習(xí)中。通過(guò)課堂討論與作業(yè)，加深對(duì)CPU部件與整機(jī)系統(tǒng)兩個(gè)層次、計(jì)算機(jī)內(nèi)部硬件邏輯組成及內(nèi)部工作機(jī)制，能在學(xué)習(xí)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題，提出解決問(wèn)題的對(duì)策。另外，通過(guò)計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展史的典型事例及其在社會(huì)發(fā)展以及科技進(jìn)步中的重要作用，激發(fā)對(duì)學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的興趣。通過(guò)研討式教學(xué)方式，學(xué)員將進(jìn)一步學(xué)習(xí)科學(xué)探究的方法，敢于面對(duì)學(xué)習(xí)中的困難，提高提出問(wèn)題、分析和解決問(wèn)題的能力。在總的目標(biāo)的指引下，再來(lái)定位本節(jié)課的目標(biāo)，即掌握指令的執(zhí)行過(guò)程和相應(yīng)的發(fā)展方向、最新技術(shù)。

3 需求分析方面（Requirement analysis）

軟件生命周期的第二階段是由系統(tǒng)分析人員對(duì)被設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)分析，確定對(duì)該軟件的各項(xiàng)功能、性能需求和設(shè)計(jì)約束，確定對(duì)文檔編制的要求，對(duì)應(yīng)到教學(xué)設(shè)計(jì)的過(guò)程，即是分析教學(xué)任務(wù)，對(duì)教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)對(duì)象進(jìn)行分析與定位。

3.1 定位教學(xué)內(nèi)容

教材是課程的載體。能否準(zhǔn)確而深刻地理解教材，高屋建瓴地駕馭教材，合乎實(shí)際地處理教材，科學(xué)合理地組織教材，是說(shuō)好課的前提[2]。本節(jié)課的特點(diǎn)，闡述計(jì)算機(jī)的微處理器、存儲(chǔ)器的基本工作原理及相關(guān)知識(shí)，比較抽象，為以后各章的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。本節(jié)課的目標(biāo)，通過(guò)本節(jié)課的學(xué)習(xí)要初步的理解微機(jī)的工作原理以及程序的執(zhí)行過(guò)程，從宏觀上去體會(huì)計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令的過(guò)程。

說(shuō)教材處理：精選教材內(nèi)容，并合理地?cái)U(kuò)展或加深教材內(nèi)容，通過(guò)一定的加工將其轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，即搞清各個(gè)知識(shí)點(diǎn)及其相互之間的聯(lián)系。

①處理的原則。

這節(jié)課教材分四個(gè)部分，把它重新整合為四個(gè)內(nèi)容：

程序執(zhí)行的一般過(guò)程。

CPU對(duì)內(nèi)存的操作。

指令的執(zhí)行過(guò)程；程序的執(zhí)行。

程序執(zhí)行技術(shù)的發(fā)展。

②重點(diǎn)的確定和依據(jù)。

本節(jié)課的內(nèi)容主要由微機(jī)的工作原理和程序執(zhí)行的過(guò)程兩大部分組成，重點(diǎn)定為程序的執(zhí)行過(guò)程，其中又以指令的執(zhí)行過(guò)程為重點(diǎn)內(nèi)容。確定的依據(jù)有兩個(gè)，一是教材的知識(shí)體系，微機(jī)的工作原理是程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，而程序的執(zhí)行過(guò)程又是其中的重點(diǎn)內(nèi)容，而指令的執(zhí)行過(guò)程是程序執(zhí)行過(guò)程的核心內(nèi)容，因此將它確定為重點(diǎn)。

③難點(diǎn)的確定和依據(jù)。

本節(jié)課的難點(diǎn)有兩個(gè)，第一個(gè)是CPU對(duì)內(nèi)存的操作，第二是指令的執(zhí)行過(guò)程。確定的依據(jù)是兩個(gè)方面，一個(gè)是教材一個(gè)是學(xué)員。在教材方面，不管是CPU對(duì)內(nèi)存的操作還是指令的執(zhí)行過(guò)程都比較抽象，理解起來(lái)相對(duì)有些困難，難以掌握。由于學(xué)員之前接觸是的計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)基礎(chǔ)這樣實(shí)用性很強(qiáng)的課程，而硬件技術(shù)基礎(chǔ)是新接觸的內(nèi)容，并且純屬理論同時(shí)很抽象，所以學(xué)員同時(shí)接受這么多知識(shí)信息的能力有限，另外記憶，想象空間事物的能力也有限，所以把它列為教學(xué)難點(diǎn)。

④說(shuō)教材處理上值得注意和探討的問(wèn)題。

3.2 分析教學(xué)對(duì)象

對(duì)教學(xué)對(duì)象的分析主要從學(xué)員的知識(shí)能力水平以及學(xué)員的心理、生理特點(diǎn)兩方面入手，進(jìn)而根據(jù)其特點(diǎn)采取相適應(yīng)的教學(xué)對(duì)策。

本節(jié)課是本硬件技術(shù)教材中的核心，對(duì)學(xué)員的情況做四個(gè)方面的分析。

知識(shí)掌握上，前面已經(jīng)有了一定的軟件技術(shù)基礎(chǔ)相關(guān)的基本知識(shí)，但卻是一年前的事情了，會(huì)些許遺忘，另外許多學(xué)員在這一方面沒(méi)有總體的知識(shí)框架，所以應(yīng)系統(tǒng)的去講述。

心理上，引導(dǎo)學(xué)員認(rèn)識(shí)到硬件技術(shù)是一門(mén)有意思的學(xué)科，有利于其他學(xué)科的學(xué)習(xí)。

生理上，學(xué)員比較年輕好動(dòng)，注意力易分散，愛(ài)發(fā)表見(jiàn)解，希望得到教員的表?yè)P(yáng)，所以在教學(xué)中應(yīng)抓住學(xué)員這一生理特點(diǎn)，一方面要運(yùn)用直觀生動(dòng)的形象，引發(fā)學(xué)員的興趣，使他們的注意力始終集中在課堂上；另一方面要?jiǎng)?chuàng)造條件，讓學(xué)員發(fā)表見(jiàn)解，發(fā)揮學(xué)員學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

此外，學(xué)員學(xué)習(xí)本節(jié)課將遇到一些知識(shí)障礙，如CPU對(duì)內(nèi)存的操作很抽象，學(xué)員不易理解，所以教學(xué)中應(yīng)深入淺出的分析，采取宜于理解的方式去體現(xiàn)。

4 設(shè)計(jì)方面（Design）

軟件生命周期的第三階段是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和程序設(shè)計(jì)人員在反復(fù)理解軟件需求的基礎(chǔ)上，提出多個(gè)設(shè)該軟件的結(jié)構(gòu)、模塊的劃分、功能的分配，以及處理流程，體現(xiàn)在教學(xué)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，這個(gè)階段即可把握成教學(xué)策略的選擇。

在課程設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)中，教學(xué)策略的選擇處于很重要的位置，其中包括說(shuō)教學(xué)方法和說(shuō)教學(xué)過(guò)程以及說(shuō)教學(xué)理論。

4.1 說(shuō)教學(xué)方法

本堂課總體上采取的是總分總的教學(xué)方法，從觀察現(xiàn)象到分析本質(zhì)，逐層深入，易于學(xué)員理解。

首先通過(guò)問(wèn)題引入，觀察現(xiàn)象來(lái)讓大家分析得出個(gè)結(jié)論，從宏觀上理解程序執(zhí)行的一般過(guò)程；然后初步深入的從微觀上去學(xué)習(xí)指令的執(zhí)行過(guò)程以及程序的執(zhí)行過(guò)程。

通過(guò)計(jì)算機(jī)處理器發(fā)展的典型事例及其應(yīng)用，認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)在社會(huì)發(fā)展以及科技進(jìn)步中的重要作用，激發(fā)對(duì)學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的興趣。通過(guò)引導(dǎo)式教學(xué)方式，學(xué)員將進(jìn)一步學(xué)習(xí)科學(xué)探究的方法，敢于面對(duì)學(xué)習(xí)中的困難，提高提出問(wèn)題、分析和解決問(wèn)題的能力。

4.2 教學(xué)過(guò)程

4.2.1 發(fā)現(xiàn)問(wèn)題（問(wèn)題導(dǎo)入）

首先通過(guò)幻燈片給大家提出一個(gè)問(wèn)題供大家思考，然后打開(kāi)任務(wù)管理器進(jìn)行演示，讓學(xué)員來(lái)觀測(cè)當(dāng)中的CPU利用率和頁(yè)面使用率（內(nèi)存的使用情況），了解其中的現(xiàn)象，然后在相繼打開(kāi)一個(gè)應(yīng)用程序和影音文件，這時(shí)再來(lái)觀測(cè)其中的變化。

程序執(zhí)行的時(shí)候CPU和內(nèi)存是工作著的，以此推出程序執(zhí)行的一般過(guò)程。

本節(jié)課的教學(xué)過(guò)程（圖1）。

4.2.2 分析問(wèn)題

程序執(zhí)行的一般過(guò)程。通過(guò)對(duì)上述過(guò)程的分析，總結(jié)出這個(gè)程序執(zhí)行的一般過(guò)程（圖2），程序在沒(méi)有運(yùn)行之前是放在外存上，當(dāng)要執(zhí)行時(shí)就要雙擊，這時(shí)程序從外存調(diào)入到外存。由此說(shuō)明出各部件中重要的部件為CPU和內(nèi)存（銜接）。

CPU對(duì)內(nèi)存的操作之前清楚了程序的執(zhí)行是CPU與內(nèi)存間的數(shù)據(jù)頻繁操作，但是CPU與內(nèi)存間的信息是怎樣傳遞的一個(gè)過(guò)程呢？引出CPU對(duì)內(nèi)存的兩種操作-讀操作和寫(xiě)操作（圖3）。

方法與手段：對(duì)讀寫(xiě)操作過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示講解，使學(xué)員更清晰明了的理解讀寫(xiě)操作過(guò)程，使比較難理解的內(nèi)容變得容易。

指令的執(zhí)行過(guò)程。程序的執(zhí)行過(guò)程就是CPU對(duì)內(nèi)存的讀寫(xiě)操作過(guò)程，那么具體CPU對(duì)指令如何來(lái)控制的呢？（銜接）有此可以進(jìn)一步去講解指令的執(zhí)行過(guò)程。

在該部分中大家觀察到，在內(nèi)存中存放的都是二進(jìn)制代碼，是機(jī)器語(yǔ)言，操作起來(lái)很不方便，而在我們軟件設(shè)計(jì)中用的卻是高級(jí)語(yǔ)言，如何實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換呢？引入?yún)R編語(yǔ)言的概念，用助記符的形式來(lái)完成與機(jī)器語(yǔ)言的一一對(duì)應(yīng)。

方式與手段：通過(guò)在DOS下的debug調(diào)試軟件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)演示，去明白助記符與機(jī)器代碼間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)一個(gè)題目來(lái)具體的講解指令的執(zhí)行過(guò)程。

方式與手段：通過(guò)動(dòng)態(tài)過(guò)程的模擬來(lái)講解一條指令的執(zhí)行過(guò)程。

每條指令都是這樣一條條的一步步去執(zhí)行的，整個(gè)過(guò)程就被分為各個(gè)獨(dú)立的小部分，就像我們的生產(chǎn)車(chē)間一樣（圖4），把原料（數(shù)據(jù)）送到生產(chǎn)車(chē)間，加工完送出去，需要永久保存的放到存儲(chǔ)器，然后送到硬盤(pán)或顯示器上顯示，對(duì)應(yīng)下來(lái)就是取指令，分析指令（指令譯碼），取操作數(shù)和執(zhí)行指令。由此下去一條條指令執(zhí)行起來(lái)后就是程序的執(zhí)行。

4.2.3 解決問(wèn)題

CPU執(zhí)行指令內(nèi)部就是這樣一條條的去做的，有人就會(huì)說(shuō)這是不是效率太低了??？當(dāng)執(zhí)行到后面的時(shí)候前面的部件就空閑出來(lái)了，有沒(méi)有好的辦法去充分調(diào)動(dòng)它呢？以此引出流水線技術(shù)。隨著技術(shù)的不斷提高、發(fā)展，逐步出現(xiàn)了相應(yīng)的微處理器機(jī)，引出系列機(jī)微處理器程序執(zhí)行的技術(shù)發(fā)展。

回顧計(jì)算機(jī)內(nèi)部的信息流向問(wèn)題，將整節(jié)課的內(nèi)容穿了一條線，理清脈絡(luò)，這樣最初拋出來(lái)的問(wèn)題就迎刃而解了。

4.2.4 思維拓展

80x86系列微處理器程序執(zhí)行技術(shù)的發(fā)展以8086為基本。

4.3 教學(xué)理論

教學(xué)理論是課堂教學(xué)設(shè)計(jì)的本質(zhì)屬性。教學(xué)理論不一定是一個(gè)單獨(dú)的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，可以貫穿在以上所有的環(huán)節(jié)中。

例如本節(jié)課的幾個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，首先將采用問(wèn)題引入，然后觀察現(xiàn)象并采取圖表示意法進(jìn)行講解，最后分析得出結(jié)論，分析分為三步進(jìn)行，第一，設(shè)疑。CPU利用率和內(nèi)存的使用情況發(fā)生了怎么的變化；第二，程序的執(zhí)行為什么會(huì)有這樣的變化呢？CPU和內(nèi)存的關(guān)系怎樣呢？第三，解疑。通過(guò)分析，得出這個(gè)現(xiàn)象的原因，一是程序未執(zhí)行時(shí)放在外存，二是程序執(zhí)行時(shí)CPU和內(nèi)存之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這樣設(shè)計(jì)的目的有三個(gè)：第一，在學(xué)員動(dòng)耳，動(dòng)眼聽(tīng)課的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步達(dá)到動(dòng)腦思考，動(dòng)嘴說(shuō)。第二，促進(jìn)學(xué)員思維和表達(dá)能力的發(fā)展。第三，使學(xué)員由感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)，從而將這節(jié)課推向高潮。

5 結(jié)論（Conclusion）

課程教學(xué)設(shè)計(jì)作為教學(xué)評(píng)價(jià)的一個(gè)新的評(píng)價(jià)點(diǎn)，使我們面臨了一個(gè)新的挑戰(zhàn)[3]。而課堂教學(xué)設(shè)計(jì)的最終目的是提高課堂教學(xué)質(zhì)量，更好的開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)。本文嘗試從教學(xué)目標(biāo)的設(shè)置、教學(xué)任務(wù)的分析以及教學(xué)策略的選擇等幾方面進(jìn)行分析描述，以軟件工程的工程化思想來(lái)進(jìn)行課堂教學(xué)設(shè)計(jì)。這既是本人以一堂課為例進(jìn)行的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)踐總結(jié)，也是本研究的具體成果體現(xiàn)，由于實(shí)踐應(yīng)驗(yàn)較淺，還沒(méi)有認(rèn)識(shí)的很徹底，以后會(huì)繼續(xù)努力提高。

參考文獻(xiàn)（References）

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[3] 曾文婕.課堂教學(xué)設(shè)計(jì)[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2011.

作者簡(jiǎn)介：

祁 薇（1982-），女，碩士，講師.研究領(lǐng)域：信息隱藏，多媒體處理，軟件工程，計(jì)算機(jī)教學(xué).

楊 健（1971-），男，博士，副教授.研究領(lǐng)域：軟件工程，計(jì)算機(jī)教學(xué).

王 輝（1980-），女，碩士，講師.研究領(lǐng)域：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)教學(xué).