面向“興趣、基礎(chǔ)、能力、素養(yǎng)”四位一體的“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”課程教學(xué)研究

葛永新 楊正益 范琪琳 蔡斌 熊慶宇

摘要：文章分析了“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”課程教學(xué)中存在的主要問題，提出從“興趣基礎(chǔ) 能力 素養(yǎng)”的多層次課程任務(wù)入手，通過對(duì)任務(wù)組織以及教學(xué)方式和評(píng)價(jià)方式等進(jìn)行改革，幫助學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)興趣，提升學(xué)生的專業(yè)實(shí)踐能力;同時(shí)探索課程知識(shí)點(diǎn)與思政元素的切入點(diǎn)，拓展思政建設(shè)的途徑和方法，提高學(xué)生科學(xué)方法、職業(yè)規(guī)劃、為人處世和道德修養(yǎng)等方面的素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”課程;教學(xué)方式;思政元素

中圖法分類號(hào)：TP316

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Teaching research on "computer system" course oriented to

four-in-one of¨interest， foundation， ability and literacy"

GF Yongxin， YANG Zhengyi， FAN Qilin， CAI Bin， XIONG Qingyu

（School of Big Data&. Software Enginccring， Chongqing Univcrsity， Chongqing 40133l. China）

Abstract：The article analyzes the main problems existing in the teaching of "computer systems"course， proposes to start with the multi-level course tasks of "interestfoundation-ability-literacy"，and help students to master the basic knowledge through the reform of task organization， teachingmethods and evaluation methods， cultivate students' professional interests， improve students'professional practice ability. We also explore the entry point of course knowledge points andideological and political elements， expand the ways and methods of ideological and politicalconstruction， and improve students' scientific methods， career planning， life and moral cultivation，etc. aspects of literacy.

Key words ： "computer system" course， teaching method ，ideological and political elements

2018年，重慶大學(xué)大數(shù)據(jù)與軟件學(xué)院是全國(guó)首批獲批“人工智能”和“數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)”專業(yè)建設(shè)資格的高校。為適應(yīng)人工智能和數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)的建設(shè)，重慶大學(xué)大數(shù)據(jù)與軟件學(xué)院對(duì)新生開設(shè)“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”課程，作為兩門新專業(yè)的基礎(chǔ)必修課程。該課程是新生人校后的第一門專業(yè)課程，教學(xué)內(nèi)容涵蓋軟件工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)的重要基礎(chǔ)理論和核心概念。本課程旨在使學(xué)生理解和掌握計(jì)算機(jī)的底層結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)制。從底層基礎(chǔ)知識(shí)開始，逐步上升到操作系統(tǒng)和高級(jí)語言的接口層，以便能理解真實(shí)計(jì)算機(jī)的工作原理。其日的是讓學(xué)生在進(jìn)人大學(xué)校門的時(shí)候就對(duì)計(jì)算機(jī)有深入理解，為以后的課程學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[1]。

學(xué)生學(xué)習(xí)“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”課程中需要實(shí)現(xiàn)以下幾點(diǎn)基本目標(biāo)：（1）興趣貢獻(xiàn)。使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)底層工作原理，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，從而具備較強(qiáng)的軟件工程領(lǐng)域的自學(xué)能力。（2）基礎(chǔ)貢獻(xiàn)。使學(xué)生具備基于位（ bit）的算術(shù)和邏輯運(yùn)算操作。（3）能力貢獻(xiàn)。使學(xué)生理解計(jì)算機(jī)底層運(yùn)作的基本理論和流程，提升學(xué)生高級(jí)語言的編程能力。（4）素養(yǎng)貢獻(xiàn)。通過傳授計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本概念，使學(xué)生站在更高的角度去適應(yīng)軟件工程行業(yè)的快速發(fā)展，這對(duì)于有志成為計(jì)算機(jī)科學(xué)家或計(jì)算機(jī)工程師的學(xué)生而言至關(guān)重要。

1 “計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”課程教學(xué)中存在的問題

在“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”課程教學(xué)過程中，通過對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)存在以下問題。

（1）教學(xué)過程枯燥，教師講解抽象。在實(shí)際的教學(xué)中，由于傳統(tǒng)的“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”課程課時(shí)少、內(nèi)容多，涉及知識(shí)廣，尤其是作為學(xué)生進(jìn)入大學(xué)的第一門專業(yè)課程，大部分學(xué)生都是首次接觸相關(guān)知識(shí)，因此教學(xué)中容易使學(xué)生感到枯燥，且教師講解抽象，從而在學(xué)習(xí)中產(chǎn)生消極、怠慢的情緒。

（2）教學(xué)內(nèi)容理論性過強(qiáng)且較陳舊。教學(xué)內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)多而雜，導(dǎo)致學(xué)生只顧記憶知識(shí)點(diǎn)，卻忽視了對(duì)人工智能和數(shù)據(jù)科學(xué)專業(yè)學(xué)科知識(shí)體系和核心內(nèi)容的理解。此外，“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”作為人工智能和數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)學(xué)生入學(xué)的第一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，不僅要求學(xué)生熟練掌握計(jì)算機(jī)底層和程序設(shè)計(jì)相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，還要求教師關(guān)注對(duì)學(xué)生在人工智能和數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)領(lǐng)域科學(xué)精神和科學(xué)方法的培養(yǎng)，以為學(xué)生大學(xué)階段探索能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[2]。

2 “計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”課程教學(xué)改革的思考

“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”課程在原有課程內(nèi)容的基礎(chǔ)上，貫徹教育部新修訂的《普通高等學(xué)校學(xué)生管理規(guī)定》中“以學(xué)生為本”的教育原則，根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況和需要，從“興趣一基礎(chǔ)一能力一素養(yǎng)”的多層次課程任務(wù)人手（圖1），通過多層次任務(wù)幫助學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)興趣、科學(xué)精神和科學(xué)方法。為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，筆者通過近幾年的教學(xué)實(shí)踐，認(rèn)為在該課程教學(xué)中應(yīng)從任務(wù)組織、教學(xué)方式及評(píng)價(jià)方式等多方面人手。

（1）將情境教學(xué)法引入“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”教學(xué)中，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。情境教學(xué)法是指教師在課堂上有目的地創(chuàng)設(shè)或引入具有一定情緒色彩的、生動(dòng)具體的、以形象為主題的場(chǎng)景[3]。通過營(yíng)造這樣的氛圍，學(xué)生在可感知的、立體式的、易于理解的知識(shí)體驗(yàn)中進(jìn)行學(xué)習(xí)。例如，對(duì)于內(nèi)存這部分內(nèi)容，由于其理論性和邏輯性較強(qiáng)，如果按照教材為學(xué)生進(jìn)行講解，學(xué)生可能會(huì)感到枯燥，毫無學(xué)習(xí)興趣甚至厭學(xué)。所以，在課堂上可以設(shè)計(jì)一個(gè)生活的實(shí)例，如在介紹內(nèi)存的結(jié)構(gòu)過程中，基于其邏輯電路圖的結(jié)構(gòu)，我們?cè)O(shè)計(jì)了這樣的情景：將內(nèi)存比作一棟宿舍樓，具體類比如表l所列。通過該類比的情景設(shè)計(jì)，學(xué)生自然很順利地理解了這個(gè)知識(shí)點(diǎn)。另外，對(duì)于從內(nèi)存巾裝載數(shù)據(jù)，就可以類比于去宿舍樓找學(xué)生;向內(nèi)存中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，就可以類比于給宿舍的床鋪安排新的學(xué)生：內(nèi)存的管理室就相當(dāng)于內(nèi)存的MDR和MAR。因此，情境教學(xué)法的目的在于充分挖掘?qū)W生主動(dòng)參與學(xué)習(xí)的潛力，提升學(xué)生自我汲取知識(shí)的能力，從而打破傳統(tǒng)教育“滿堂灌”的現(xiàn)象。

（2）將計(jì)算創(chuàng)造性思維能力的培養(yǎng)引入“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”課程教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)?！坝?jì)算創(chuàng)造性思維”是計(jì)算思維和創(chuàng)造性思維的結(jié)合，是一種在新的環(huán)境或合作的場(chǎng)景中，通過融合這兩種思維，拓寬問題解決方案的認(rèn)知手段。比如，對(duì)于二進(jìn)制補(bǔ)碼部分內(nèi)容，如果直接給學(xué)生講解補(bǔ)碼是最適合計(jì)算機(jī)運(yùn)算的，學(xué)生肯定很難理解。但如果結(jié)合探尋二進(jìn)制表示的歷史過程，學(xué)生不僅會(huì)很輕松理解二進(jìn)制補(bǔ)碼部分內(nèi)容，而且還能學(xué)習(xí)到解決問題的一種創(chuàng)新思維[4]。

為了更好地在課堂教學(xué)中引入“計(jì)算創(chuàng)造性思維”，我們還提出了理論授課與專題講座、研討相結(jié)合的互動(dòng)教學(xué)模式。該模式主要通過教師的引導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生探索計(jì)算機(jī)系統(tǒng)技術(shù)的能力，增強(qiáng)學(xué)習(xí)和研究的綜合能力，帶領(lǐng)學(xué)生研究討論前沿技術(shù)，包括大數(shù)據(jù)和人工智能前沿學(xué)術(shù)研究成果，主要以項(xiàng)目和論文的形式為主：適當(dāng)介紹和課程相關(guān)的工業(yè)成果以及最新的且市場(chǎng)上普遍采用的智能產(chǎn)品研討。通過介紹、分析和討論最新的大數(shù)據(jù)和人工智能成果，尤其是和“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”課程相關(guān)的成果，培養(yǎng)學(xué)生在了解人工智能和大數(shù)據(jù)高速發(fā)展的背景下，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的最新發(fā)展及趨勢(shì)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”課程學(xué)習(xí)的興趣，增強(qiáng)獨(dú)立解決實(shí)際問題的能力，提高學(xué)生的科研素養(yǎng)與創(chuàng)新意識(shí)[5]。

將“計(jì)算創(chuàng)造性思維”的訓(xùn)練與“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”課程有機(jī)融合，將知識(shí)的傳授升級(jí)為基于知識(shí)的思維傳授，讓學(xué)生在課堂教學(xué)巾充分體驗(yàn)到“計(jì)算創(chuàng)造性思維”的價(jià)值，將對(duì)學(xué)生大學(xué)四年的人丁智能和數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)具有良好的啟發(fā)作用，從而提高對(duì)人工智能和數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)的專業(yè)認(rèn)同感和專業(yè)素養(yǎng)。

（3）“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”課程思政元素的融人：為把課程思政元素自然、無縫地融人課程知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)中，需要通過關(guān)聯(lián)和類比等方式將職業(yè)規(guī)劃、處事方式、道德修養(yǎng)等思政內(nèi)容與課程知識(shí)點(diǎn)的切人進(jìn)行精心設(shè)計(jì)。比如，指令處理的七個(gè)步驟分別是取指令、譯碼、地址計(jì)算、取操作數(shù)、執(zhí)行和存放結(jié)果，但并不是每條指令都要經(jīng)歷這七個(gè)步驟。在講解該知識(shí)點(diǎn)時(shí)，可以類比大學(xué)生自身的職業(yè)規(guī)劃，如大家可以選擇公司實(shí)習(xí)、考研、考公務(wù)員、參軍入伍等。教師進(jìn)一步和學(xué)生探討，不同的職業(yè)規(guī)劃，可以如何做出相應(yīng)的選擇，而不是去經(jīng)歷得越多越好，并且根據(jù)控制指令的思想，有時(shí)職業(yè)規(guī)劃也需要基于不同的選擇，做跳躍式的選擇。此外，在講解數(shù)據(jù)搬移指令時(shí)，指出不同的尋址模式是分別借助不同的中間數(shù)據(jù)完成的，如寄存器、指令地址和內(nèi)存地址。同時(shí)，可以適當(dāng)啟發(fā)學(xué)生，在平時(shí)解決問題或與他人相處時(shí)，應(yīng)該根據(jù)具體問題或?qū)ο?，選擇合適的處理方式，提升個(gè)人的道德修養(yǎng)[6]。

（4）側(cè)重興趣和素養(yǎng)的考核方式：“筆試成績(jī)+平時(shí)成績(jī)+課程匯報(bào)”?？己顺煽?jī)累計(jì)方式主要從“筆試成績(jī)+平時(shí)成績(jī)（包括平時(shí)作業(yè)和課堂情境討論）+課程匯報(bào)”等幾個(gè)方面對(duì)學(xué)生面對(duì)問題求解的能力進(jìn)行綜合考查。其中，課堂情境討論是指教師在設(shè)置情境討論的時(shí)候，應(yīng)適當(dāng)設(shè)置學(xué)生參與環(huán)節(jié)，通過評(píng)估學(xué)生的參與情況，對(duì)學(xué)生進(jìn)行打分。課程匯報(bào)是指主要考查學(xué)生在相關(guān)課程的學(xué)習(xí)過程中，對(duì)“計(jì)算創(chuàng)造性思維”和思政教育的理解?？梢越Y(jié)合書本、課程甚至課外的實(shí)例，讓學(xué)生分享在“計(jì)算創(chuàng)造性思維”和思政教育方面的一個(gè)或多個(gè)收獲。

（5）立足實(shí)時(shí)情況調(diào)查的教學(xué)任務(wù)迭代改進(jìn)。在教授完課程的重難點(diǎn)或講解完重點(diǎn)章節(jié)的全部習(xí)題后，每學(xué)期對(duì)學(xué)生做2-3次問卷調(diào)查，根據(jù)學(xué)生反饋的信息，對(duì)下一年的教學(xué)任務(wù)進(jìn)行調(diào)整，以更好地滿足學(xué)生的需求。

3 結(jié)束語

本文針對(duì)傳統(tǒng)“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”課程教學(xué)中存在的教學(xué)過程枯燥、教師講解抽象、教學(xué)內(nèi)容理論性過強(qiáng)等問題，剖析其背后原因，從多層次課程任務(wù)人手，探索“興趣一基礎(chǔ)一能力一素養(yǎng)”互促互進(jìn)的新教學(xué)模式。圍繞該模式，從提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和專業(yè)素養(yǎng)的層面出發(fā)，將情景設(shè)計(jì)、“計(jì)算創(chuàng)造性思維”設(shè)計(jì)和課程思政教育很好地融人課程的知識(shí)點(diǎn)教學(xué)中，并不斷接收學(xué)生的反饋，迭代更新教學(xué)日歷，取得了顯著成效，2019年和2020年課程學(xué)生教評(píng)均名列前茅，為大一專業(yè)基礎(chǔ)類課程的教學(xué)改革實(shí)踐提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

葛永新（1981-），博士，副教授，研究方向：計(jì)算機(jī)視覺、機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)智能等。