基于問題驅(qū)動(dòng)法的計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)研究

邱寶林，劉德喜

（江西財(cái)經(jīng)大學(xué)信息管理學(xué)院，江西南昌 330013）

0 引言

在教育行業(yè)發(fā)展過程中，圍繞教師角色構(gòu)建而來的教學(xué)模式起到重要作用，但也存在不少問題與不足。在傳統(tǒng)教學(xué)模式中，教師的講授貫穿始終，學(xué)生成為被動(dòng)接受者。這一教學(xué)特征非常不利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力等重要素質(zhì)的發(fā)掘與培養(yǎng)。因此，有必要探索能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主思考積極性的以學(xué)生為中心的新型教學(xué)思路。

作為工科屬性明顯的計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，對(duì)所培養(yǎng)專業(yè)人才的自主學(xué)習(xí)能力、問題求解能力及創(chuàng)新能力等具有更高要求，而傳統(tǒng)教學(xué)模式無法很好地滿足其需求。近年來，計(jì)算機(jī)組成原理課程在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)中一直處于核心地位，且計(jì)算機(jī)組成原理與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等課程承擔(dān)著建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)觀的角色。在課程教學(xué)大綱中，在對(duì)硬件內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)化的同時(shí)，加強(qiáng)了知識(shí)之間，包括課程間知識(shí)的聯(lián)系，并強(qiáng)化了對(duì)原理的理解與掌握等。因此，有必要探索適用于具有大量難度高且抽象的知識(shí)點(diǎn)，且邏輯性強(qiáng)的計(jì)算機(jī)組成原理課程的高效教學(xué)模式。

1 相關(guān)研究

從傳統(tǒng)教學(xué)模式到翻轉(zhuǎn)課堂，教育教學(xué)的方法、理念均得到了持續(xù)進(jìn)步。祝智庭等［1］對(duì)熱點(diǎn)教學(xué)模式翻轉(zhuǎn)課堂及其在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用實(shí)踐進(jìn)行了深入分析與反思?，F(xiàn)如今，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式在藥劑學(xué)［2］、化學(xué)［3］、生物［4］、計(jì)算機(jī)［5］等學(xué)科領(lǐng)域得到了廣泛研究與應(yīng)用。但計(jì)算機(jī)組成原理課程具有其自身的特點(diǎn)與難點(diǎn)，需要結(jié)合課程特征進(jìn)行深入研究。如張文宇等［6］基于CDIO 教學(xué)模式構(gòu)建系統(tǒng)觀，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)改革進(jìn)行研究；高美春［7］針對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)過程中存在的問題，采用不同方法進(jìn)行教學(xué)，形成多種教學(xué)方式混合的教學(xué)思路。

翻轉(zhuǎn)課堂模式以學(xué)生為中心，幫助其培養(yǎng)高階思維能力。因此，將翻轉(zhuǎn)課堂思想引入計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)的探索成為關(guān)注熱點(diǎn)。如張策等［8］提出以學(xué)生為中心的教改方案，在教師教學(xué)“過三關(guān)”的基礎(chǔ)上，從3 個(gè)層面實(shí)施教改方案；蘭勇等［9］在分析本課程難學(xué)、難教原因的基礎(chǔ)上，提出通過進(jìn)一步凝練關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)方法創(chuàng)新的探索。

這些已有的教學(xué)探索具有十分積極的意義，而對(duì)于計(jì)算機(jī)組成原理這類難學(xué)、難教、難掌握的課程，需要繼續(xù)進(jìn)行多方位、多思路的探索。因此，本研究在剖析課程本身及其教學(xué)難題的同時(shí)，進(jìn)一步考慮人才培養(yǎng)、成長(zhǎng)的根本目標(biāo)，以期構(gòu)建有效而系統(tǒng)化的教學(xué)模式，培養(yǎng)具有優(yōu)異問題求解能力的計(jì)算機(jī)人才。

1.1 計(jì)算機(jī)組成原理難學(xué)原因分析

計(jì)算機(jī)組成原理內(nèi)容涉及面較廣，且知識(shí)點(diǎn)之間具有強(qiáng)耦合性，無法割裂、離散地各個(gè)擊破課程內(nèi)容，因此要求教師采用體系化、“瞻前顧后”的策略授課。通過回顧、分析課程實(shí)施情況，可簡(jiǎn)要總結(jié)出如下幾方面課程難學(xué)的原因：①課程內(nèi)容繁多；②知識(shí)內(nèi)部關(guān)聯(lián)性極強(qiáng)；③先行知識(shí)儲(chǔ)備欠缺；④知識(shí)內(nèi)容趣味性不強(qiáng)；⑤學(xué)生投入時(shí)間難保證。

1.2 傳統(tǒng)教學(xué)模式在計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)中的弊端

（1）傳統(tǒng)教學(xué)模式的教與學(xué)。在該模式下，教師處于絕對(duì)的主體地位與中心。其教案設(shè)計(jì)是“批量化產(chǎn)出”思路下的產(chǎn)物，既要考慮促優(yōu)，又要顧全隊(duì)尾的學(xué)生。而且教師的有效教學(xué)活動(dòng)主要集中于課堂內(nèi)，以教師主講的形式貫穿始終，學(xué)生則處于被動(dòng)獲取知識(shí)的狀態(tài)。全班學(xué)生即使基礎(chǔ)水平參差不齊，也只能以相同的節(jié)奏、速度完成知識(shí)的掌握、積累與升華。這種教學(xué)方式不利于調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)思考、自主探究的積極性，從而降低了教學(xué)效率。

（2）傳統(tǒng)教學(xué)模式考核。傳統(tǒng)教學(xué)模式下的考核機(jī)制呈現(xiàn)“滯后檢視，非與時(shí)俱進(jìn)”的特征。這種為考而考的方式可實(shí)現(xiàn)教學(xué)結(jié)果展示，卻無法實(shí)現(xiàn)教學(xué)過程的即時(shí)矯正。傳統(tǒng)課堂開始前，通常以學(xué)生自發(fā)預(yù)習(xí)、自主找題自檢為主，一般不組織課前考核，教學(xué)效果主要通過平時(shí)成績(jī)和期末考試進(jìn)行量化，例如平時(shí)成績(jī)和期末成績(jī)四六開或三七開。但對(duì)平時(shí)學(xué)習(xí)任務(wù)完成情況的考核遠(yuǎn)不及期末考試規(guī)范，且與所采用的教學(xué)模式耦合度不高，無法很好地體現(xiàn)該教學(xué)模式的長(zhǎng)處與不足。由于傳統(tǒng)教學(xué)模式下的考核體系以期末考試為重心，其分值占比較大，導(dǎo)致學(xué)生平時(shí)不重視學(xué)習(xí)，產(chǎn)生等期末臨時(shí)抱佛腳蒙混過關(guān)的僥幸心理，這也很好地解釋了為什么部分同學(xué)感覺結(jié)課后收獲不大。

1.3 經(jīng)典翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)理念在計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)中的弊端

翻轉(zhuǎn)課堂模式（Flipped Class Model，F(xiàn)CM）是一種重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)與探究、協(xié)作、創(chuàng)新等能力的有效教學(xué)方案［10］。翻轉(zhuǎn)課堂與傳統(tǒng)教學(xué)模式最顯著的區(qū)別在于FCM 致力于構(gòu)建“以學(xué)生為中心”的主動(dòng)式學(xué)習(xí)氛圍，以期獲得更佳的教學(xué)效果［11-12］。

計(jì)算機(jī)組成原理課程內(nèi)容具有一定的特殊性，因此已有學(xué)者開始審視在該課程教學(xué)實(shí)踐中單純采用FCM 的弊端［13］。由于計(jì)算機(jī)組成原理知識(shí)點(diǎn)抽象、邏輯性強(qiáng)且相互具有較強(qiáng)的耦合性和系統(tǒng)性，此外在單純的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式中，學(xué)生的課前學(xué)習(xí)效果取決于學(xué)生本身，但學(xué)生的自主學(xué)習(xí)在未進(jìn)行有效導(dǎo)引的情況下具有較強(qiáng)的盲目性。若采用不合理的教學(xué)方案將導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)效果不佳，甚至進(jìn)入惡性循環(huán)，將持續(xù)影響學(xué)生后續(xù)課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)。因此，計(jì)算機(jī)組成原理課程不適合采用單純的FCM 教學(xué)。

2 問題導(dǎo)向的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式

基于問題導(dǎo)向的教學(xué)模式可較好地降低自主學(xué)習(xí)過程中的盲目性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)幫助學(xué)生培養(yǎng)問題求解能力、主動(dòng)學(xué)習(xí)能力與創(chuàng)新能力的教學(xué)目標(biāo)［14-15］。因此，綜合考慮計(jì)算機(jī)組成原理課程特性及教學(xué)模式需求，從兩個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)：一是問題陣列設(shè)計(jì)：著力增強(qiáng)引導(dǎo)的有效性與合理性，深入分析課程涉及的知識(shí)脈絡(luò)后設(shè)計(jì)知識(shí)點(diǎn)體系，剖析各知識(shí)點(diǎn)的本質(zhì)問題，捋清問題之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系；二是教學(xué)模式優(yōu)化：著力增強(qiáng)教學(xué)模式的交互性、內(nèi)容具象性與反饋的暢通性，構(gòu)建以問題為驅(qū)動(dòng)力的翻轉(zhuǎn)課堂改進(jìn)教學(xué)模式。

在構(gòu)建問題導(dǎo)向的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式（Problem-Based Flipped Class Model，PBFCM）過程中，問題蘊(yùn)含于知識(shí)點(diǎn)中，問題陣列設(shè)計(jì)的合理性、耦合性與系統(tǒng)化將直接影響學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況。在教學(xué)模式執(zhí)行過程中，可根據(jù)實(shí)際需求適當(dāng)引入仿真手段與輔助技術(shù)實(shí)現(xiàn)抽象知識(shí)的具象化展示，并設(shè)計(jì)課程反饋渠道與適合的考核模式。

2.1 教學(xué)模式

教學(xué)活動(dòng)執(zhí)行包括以下5個(gè)組成部分：

（1）問題設(shè)計(jì)。在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式下，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)具有一定盲目性，需要教師進(jìn)行適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)與驅(qū)動(dòng)。但如果教師提供的引導(dǎo)內(nèi)容事先未經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)與思考，則極有可能適得其反。因此，課程問題的設(shè)計(jì)是否合理、有效，將直接關(guān)系到學(xué)生的學(xué)習(xí)效率與效果。

為了使學(xué)生的知識(shí)學(xué)習(xí)具有較強(qiáng)的系統(tǒng)性，并使前后知識(shí)保持較強(qiáng)的耦合度，首先對(duì)學(xué)生需要掌握的課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析（見圖1），然后從中凝練出蘊(yùn)含相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的一系列問題。學(xué)生通過分析與解決問題能較好地學(xué)習(xí)其中包含的知識(shí)點(diǎn)。

Fig.1 Analysis of curriculum knowledge structure圖1 課程知識(shí)結(jié)構(gòu)分析

可見，用于改進(jìn)教學(xué)模式的系列問題設(shè)計(jì)需要考慮多方面情況，如學(xué)生的感興趣程度、學(xué)生學(xué)習(xí)當(dāng)前知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)情況、問題難度、問題與知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)性等。因此，以下以“原碼一位乘法算法”知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)為例進(jìn)行說明。

設(shè)X=– 0.110 1，Y=0.101 1，計(jì)算X×Y?？紤]設(shè)計(jì)如下問題供學(xué)生課前進(jìn)行自主學(xué)習(xí)：

問題1：結(jié)合乘法運(yùn)算規(guī)則分析X×Y的詳細(xì)步驟，然后在紙上完整寫出詳細(xì)的筆算過程。

問題2：筆算中乘積的符號(hào)位如何處理？

問題3：筆算中根據(jù)什么決定是否加被乘數(shù)？

問題4：筆算產(chǎn)生的4 個(gè)部分積相加是幾位加法？物理實(shí)現(xiàn)時(shí)是否方便？

問題5：計(jì)算機(jī)執(zhí)行計(jì)算時(shí)通常是兩個(gè)數(shù)同時(shí)進(jìn)行運(yùn)算，而筆算中兩個(gè)4 位乘數(shù)相乘會(huì)涉及4 個(gè)部分積同時(shí)相加，計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)運(yùn)算時(shí)該如何解決這一問題？

問題6：考慮使用3 個(gè)寄存器分別存儲(chǔ)被乘數(shù)、乘數(shù)、部分積。相比X和Y，乘積位數(shù)擴(kuò)大一倍將增加物理實(shí)現(xiàn)開銷，思考一下是否可將筆算中某些數(shù)據(jù)適當(dāng)移位來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的原碼一位乘法？基于該思路，使用提供的課前學(xué)習(xí)素材自主學(xué)習(xí)由筆算改進(jìn)的原碼一位乘法。

（2）基于問題導(dǎo)向的課前素材設(shè)計(jì)。課前自主學(xué)習(xí)需要有效資源的輔助才能使學(xué)習(xí)效果事半功倍，因此學(xué)生使用的素材資源并不是隨意提供的，需要基于設(shè)計(jì)的導(dǎo)向問題精心組織，以便學(xué)生在清晰問題的導(dǎo)引下結(jié)合相應(yīng)學(xué)習(xí)素材方便地進(jìn)行學(xué)習(xí)。

科學(xué)、合理、精心設(shè)計(jì)的課前素材不僅能對(duì)導(dǎo)向問題進(jìn)行各個(gè)擊破，而且有利于學(xué)生將其與相關(guān)聯(lián)的知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來，為將來系統(tǒng)掌握計(jì)算機(jī)組成原理內(nèi)容打下基礎(chǔ)。學(xué)生課前通過對(duì)知識(shí)點(diǎn)相關(guān)問題的自主分析與查閱資料等，最終解決導(dǎo)向問題或凝練疑問以便課堂進(jìn)行提問與討論。

（3）自主學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)。自主學(xué)習(xí)以學(xué)生自律為主，教師干預(yù)相對(duì)較弱，因此對(duì)一部分自律性不強(qiáng)、學(xué)習(xí)無規(guī)劃的學(xué)生具有一定挑戰(zhàn)性。但是，學(xué)生課前的自主學(xué)習(xí)情況將直接關(guān)聯(lián)后期教學(xué)活動(dòng)的開展，并影響學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的最終掌握情況。因此，在改進(jìn)的FCM 教學(xué)模式中需要隱性設(shè)計(jì)一些干預(yù)措施，使學(xué)生的自主學(xué)習(xí)具有更強(qiáng)的可控性。

結(jié)合本課程情況，在本環(huán)節(jié)中設(shè)計(jì)一些與導(dǎo)向問題、知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的前期自主學(xué)習(xí)小測(cè)試，測(cè)試中的試題類型主要分為“按圖索驥”型和“發(fā)散思維”型。所謂“按圖索驥”型試題是一些鞏固知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)題，不需要太苛求深度和難度，但需要注意廣度，盡量使學(xué)生在課前全面掌握概念性基礎(chǔ)知識(shí)；“發(fā)散思維”型試題則不一定需要標(biāo)準(zhǔn)答案，可考慮通過該類型試題發(fā)人深思或綜合掌握關(guān)聯(lián)知識(shí)點(diǎn)，使學(xué)生開放地思考當(dāng)前知識(shí)點(diǎn)相關(guān)內(nèi)容，如當(dāng)前知識(shí)點(diǎn)的前沿研究、應(yīng)用該知識(shí)點(diǎn)的新興技術(shù)等。

該測(cè)試教師不直接參與批改，而是由不同小組之間進(jìn)行交換評(píng)閱批改，以期引起學(xué)生之間更大范圍的討論交流，既能調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，又能激發(fā)學(xué)生的自主思考，甚至迸發(fā)創(chuàng)新性想法。

（4）課堂執(zhí)行。在課堂執(zhí)行方式方面，可根據(jù)教學(xué)內(nèi)容靈活選擇傳統(tǒng)板書教學(xué)、多媒體教學(xué)、實(shí)物教學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)等方式，不同的課堂執(zhí)行方式適合不同內(nèi)容的教學(xué)。例如，虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)方式可給學(xué)生以身臨其境、沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，從而使枯燥的學(xué)習(xí)變得生動(dòng)有趣，也使學(xué)生能夠更加直觀、深刻地學(xué)習(xí)對(duì)應(yīng)知識(shí)點(diǎn)。

在課堂執(zhí)行過程中，能否做好師生互動(dòng)、生生互動(dòng)，能否真正讓學(xué)生投入到課堂中也會(huì)影響學(xué)習(xí)效果。因此，為了更好地激發(fā)學(xué)生的興趣和互動(dòng)積極性，可靈活使用調(diào)查問卷、投票、分組任務(wù)、隨機(jī)選人、搶答等多種線上教學(xué)手段，以便更好地滿足課程教學(xué)需求。

針對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理課程，設(shè)計(jì)以下課堂活動(dòng)：首先進(jìn)行成果匯報(bào)，各小組匯報(bào)本小組的自主學(xué)習(xí)情況及相關(guān)疑問；然后進(jìn)行問題討論，教師結(jié)合各小組的自主學(xué)習(xí)情況與學(xué)生互動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生自主分析課前問題，找到解決問題的思路，同時(shí)指出當(dāng)前課程內(nèi)容的難點(diǎn)與要點(diǎn)；最后進(jìn)行分組交流，各小組交流評(píng)閱自主學(xué)習(xí)小測(cè)試情況，教師也可以安排適當(dāng)?shù)姆治霭咐W(xué)生交流討論；最后在回顧知識(shí)的基礎(chǔ)上對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)提升，并對(duì)各個(gè)小組的表現(xiàn)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)、建議。

（5）教學(xué)效果溝通。學(xué)生以“課課報(bào)”的形式簡(jiǎn)單匯報(bào)自己在本次課程中的收獲，同時(shí)針對(duì)教學(xué)方式、素材資源、改進(jìn)意見等提交簡(jiǎn)短的文字匯報(bào)。通過該環(huán)節(jié)可對(duì)教學(xué)模式進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)更好的教學(xué)效果。

2.2 考核模式

對(duì)于基于問題導(dǎo)向的翻轉(zhuǎn)課堂改進(jìn)教學(xué)模式而言，要翻轉(zhuǎn)的不僅僅是教與學(xué)的順序，還需要有與之對(duì)應(yīng)的效果評(píng)估與考核機(jī)制。因此，在計(jì)算機(jī)組成原理考核模式中設(shè)計(jì)個(gè)人表現(xiàn)考評(píng)、階段測(cè)試、期中考核、期末考核，各部分比例分別為課程最終總成績(jī)的25%。其中，個(gè)人表現(xiàn)考評(píng)由自評(píng)、組內(nèi)他評(píng)、教師考評(píng)構(gòu)成，占比分別為30%、30%、40%。自評(píng)分?jǐn)?shù)由學(xué)生結(jié)合自己的表現(xiàn)給出；組內(nèi)他評(píng)由同組其他組員根據(jù)其在團(tuán)隊(duì)中的任務(wù)承擔(dān)情況、問題分析和討論情況及任務(wù)完成情況等給出，然后取平均分；教師考評(píng)則由教師根據(jù)學(xué)生的課堂表現(xiàn)、交流互動(dòng)情況判斷學(xué)生的表達(dá)能力、問題分析能力、創(chuàng)新能力及應(yīng)用能力等，然后綜合進(jìn)行評(píng)分。

階段測(cè)試是根據(jù)章節(jié)教學(xué)的推進(jìn)靈活安排多次考核，以持續(xù)掌握學(xué)生學(xué)習(xí)效果。階段測(cè)試在線上完成，測(cè)試題目為客觀題時(shí)直接由平臺(tái)評(píng)閱打分，如本課程使用的超星平臺(tái)；如果有較多主觀分析題時(shí)，則采用分組之間交叉評(píng)閱的方式打分。

表1、表2 為采用基于問題驅(qū)動(dòng)法的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)前后課程考核結(jié)果對(duì)比。由表中展示的考核數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，高分分?jǐn)?shù)段占比得到了較大提升，特別是［100-90］分?jǐn)?shù)段人數(shù)百分比由1.89%提升至13.89%；及格率由90.57%提升至97.22%，不及格率明顯下降；平均成績(jī)由69.53 分提升至78.03 分。說明設(shè)計(jì)合適的自主學(xué)習(xí)問題，并輔以與其相適應(yīng)的學(xué)習(xí)資源，通過改進(jìn)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方式可達(dá)到提升學(xué)生成績(jī)的基本目標(biāo)，并能有效培養(yǎng)學(xué)生的問題發(fā)現(xiàn)、分析、求解能力與創(chuàng)新思維。

Table 1 Examination results of the course before problem-oriented FCM improved teaching model表1 采用基于問題驅(qū)動(dòng)法的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)前課程考核結(jié)果

Table 2 Examination results of the course after problem-oriented FCM improved teaching model表2 采用基于問題驅(qū)動(dòng)法的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)后課程考核結(jié)果

3 結(jié)語

對(duì)于具有理論抽象、邏輯性強(qiáng)、知識(shí)點(diǎn)難等特征的計(jì)算機(jī)組成原理課程，本文基于問題驅(qū)動(dòng)法探索該課程的教學(xué)模式改革，其教學(xué)效果的實(shí)現(xiàn)也要求有效、暢通的督導(dǎo)以及豐富多樣的興趣激勵(lì)手段。因此，后續(xù)將從該角度出發(fā)繼續(xù)發(fā)掘此方案的不足，以培養(yǎng)具有良好問題分析與解決能力、創(chuàng)新能力的計(jì)算機(jī)人才為目標(biāo)，進(jìn)一步完善相關(guān)教學(xué)模式。