問題引導(dǎo)下“計算機(jī)組成原理”任務(wù)驅(qū)動教學(xué)設(shè)計的研究

屈正庚

(商洛學(xué)院,數(shù)學(xué)與計算機(jī)應(yīng)用學(xué)院， 陜西，商洛 726000)

0 引言

“計算機(jī)組成原理”是計算機(jī)相關(guān)專業(yè)的一門核心課程，屬于理論性極強(qiáng)的計算機(jī)硬件課程?，F(xiàn)在到處都使用計算機(jī)進(jìn)行學(xué)習(xí)、辦公，但是許多學(xué)生并不了解計算機(jī)硬件組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、具體工作原理與思維方式，在實際維護(hù)、應(yīng)用升級等方面存在困難，因此學(xué)習(xí)此門課程對上述問題進(jìn)行解釋。但是這門課程理論性比較強(qiáng)，有些東西在實際中看不見、摸不著，采取傳統(tǒng)教學(xué)方法開展教學(xué)，教學(xué)效果無法達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，出現(xiàn)這種問題有多種原因引起，一方面教師常年教學(xué)模式和方法受到慣性思維的指導(dǎo)，傳統(tǒng)的教學(xué)狀態(tài)無法打破，新的教學(xué)方法需要三到四輪的實踐才能有效，漫長的過程導(dǎo)致很多教師放棄；另一方面網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源豐富，目前學(xué)生學(xué)習(xí)知識的方法很多，學(xué)生對課堂的依賴性不斷減弱，如果覺得課堂枯燥乏味就失去了積極主動學(xué)習(xí)的興趣，導(dǎo)致課堂教學(xué)注意力不集中；最后計算機(jī)新技術(shù)的快速發(fā)展，軟件技術(shù)不斷取代硬件技術(shù)，迫使學(xué)生從內(nèi)心世界淡化硬件課程的學(xué)習(xí)和認(rèn)知。長此以往導(dǎo)致課堂教學(xué)惡性循環(huán)，教學(xué)改革越來越艱難。

本文從網(wǎng)絡(luò)工程、計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)等相關(guān)專業(yè)的“計算機(jī)組成原理”課程教學(xué)大綱出發(fā)，結(jié)合當(dāng)前工程教育認(rèn)證的要求，對本課程課堂教學(xué)進(jìn)行初步改革與實踐。由于計算機(jī)專業(yè)知識更新迅速、課程類別眾多、應(yīng)用性廣泛，還存在交叉學(xué)科的特點，在教學(xué)改革中需要注重獨立思考、探索問題、發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、總結(jié)問題、歸納問題等能力培養(yǎng)，追求多層次、多目標(biāo)、多實踐的認(rèn)知、理解能力。

1 問題引導(dǎo)下任務(wù)驅(qū)動教學(xué)的總體設(shè)計思路

1.1 問題式課堂教學(xué)設(shè)計

問題引導(dǎo)式教學(xué)方法是印度最早從事IT職業(yè)教育的Aptech計算機(jī)教育公司推出的培養(yǎng)軟件程序設(shè)計人員的課程體系，提出了3W1H，北大青鳥集團(tuán)于2000年引入中國。3W1H是指WHAT、WHY、WHERE、HOW，第一個W要求教師講清楚是什么，第二個W要求教師說出來為什么，第三個W要求教師表達(dá)出在哪里用，H要求教師敘述出如何用的問題。3W1H的內(nèi)涵與“計算機(jī)組成原理”課程目標(biāo)與作用是一致的，既要講解清楚計算機(jī)硬件設(shè)備的工作原理與設(shè)計思想，又要將這些原理應(yīng)用于生產(chǎn)、生活中，這種教學(xué)方法剛好符合當(dāng)前高校應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)。但是這種教學(xué)方法對教師提出了更高的要求，教師需要具備豐厚的專業(yè)知識，生動有趣、嚴(yán)謹(jǐn)創(chuàng)新的課堂教學(xué)設(shè)計，學(xué)生能否主動參與、達(dá)到預(yù)期效果就看教師在教學(xué)過程中是否融入一些新穎的教學(xué)方法、理念、思維。因此需要問題式課堂教學(xué)設(shè)計模式，其設(shè)計[1-2]如圖1所示。

圖1 問題引導(dǎo)式教學(xué)設(shè)計

1.2 任務(wù)驅(qū)動法教學(xué)設(shè)計

任務(wù)驅(qū)動法是指在教學(xué)活動中，學(xué)生緊緊圍繞教師設(shè)計的任務(wù)活動，在強(qiáng)烈的問題動機(jī)的驅(qū)動下，通過主動學(xué)習(xí)進(jìn)行自主探索和互動協(xié)作，并在規(guī)定的時間內(nèi)完成任務(wù)。任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法的關(guān)鍵點是設(shè)計有趣合理的任務(wù)，這決定了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性。一般情況下，任務(wù)需要遵循6個原則：目標(biāo)性、合理性、趣味性、操作性、完整性、應(yīng)用性。任務(wù)設(shè)計分為6個環(huán)節(jié)：確定目標(biāo)導(dǎo)入任務(wù)，分析任務(wù)提出問題，自主探究解決任務(wù)，師生互動提升任務(wù)，結(jié)果展示取長補(bǔ)短，任務(wù)評價與總結(jié)。具體關(guān)系[3-4]如圖2所示。

圖2 任務(wù)驅(qū)動法教學(xué)設(shè)計

這種教學(xué)模式的優(yōu)勢在于能夠讓學(xué)生成為教學(xué)的真正主體，充分發(fā)揮每位學(xué)生的自主性、創(chuàng)新性，并積極思考、協(xié)作和溝通。具體實施的難點在于設(shè)計任務(wù)的難易程度無法兼顧到所有學(xué)生學(xué)習(xí)情況和教學(xué)目標(biāo)實現(xiàn)[5]。

1.3 問題引導(dǎo)下任務(wù)驅(qū)動教學(xué)的總體設(shè)計

通過分析與總結(jié)問題式引導(dǎo)法和任務(wù)驅(qū)動法的優(yōu)缺點，將這2種方法結(jié)合起來展開課堂教學(xué)，取長補(bǔ)短，既能彌補(bǔ)教師教學(xué)能力的不足，又能發(fā)揮學(xué)生積極性，縮小學(xué)生學(xué)習(xí)情況的差距。在課堂上設(shè)計任務(wù)引出問題，學(xué)生在完成任務(wù)的過程中采用3W1H思想進(jìn)行，教師通過線上線下對問題進(jìn)行解答，達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果和目的。保證“計算機(jī)組成原理”課程教學(xué)的完整性、流暢性，學(xué)生完成任務(wù)的實時性、有效性。根據(jù)目前情況設(shè)計總體教學(xué)流程[6-7]如圖3所示。

圖3 整體教學(xué)設(shè)計思路

根據(jù)上述教學(xué)總體設(shè)計流程，結(jié)合課程教學(xué)大綱，“計算機(jī)組成原理”課程一共32個講授學(xué)時，從基礎(chǔ)概念、計算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)、中央處理器、控制單元4個部分開展教學(xué)。圍繞計算機(jī)系統(tǒng)組成、總線的結(jié)構(gòu)及特性、存儲器的結(jié)構(gòu)與工作原理、高速緩沖存儲器的工作原理、輸入輸出系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送方式、計算機(jī)的各種運算方法、計算機(jī)操作指令的工作原理、CPU結(jié)構(gòu)及工作原理、控制器的結(jié)構(gòu)及設(shè)計原理等知識點進(jìn)行討論[8]。結(jié)合課程重難點知識，課程設(shè)定7個教學(xué)任務(wù)。第一，通過計算機(jī)系統(tǒng)組成明白如何衡量1臺計算機(jī)性能指標(biāo)，目的在于使用計算機(jī)時如何去保養(yǎng)和維護(hù)、購買時需要注意哪些方面，建立一個整機(jī)的概念。第二，通過系統(tǒng)總線明白總線是干什么的，是如何設(shè)計和控制總線的，目的在于理解總線在計算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)與組成中的作用和地位。第三，學(xué)習(xí)存儲器、高速緩沖的工作原理明白計算機(jī)是如何存儲程序代碼、鍵盤輸入的信息是如何存放與顯示的，目的在于明白存儲器進(jìn)行信息輸入輸出是如何實現(xiàn)的，以及和其他部件如何鏈接工作的。第四，通過計算機(jī)的運算方法明白各種數(shù)據(jù)在機(jī)器中是如何存儲的，如何進(jìn)行四則運算的，目的在于明白計算機(jī)在自動解題過程中數(shù)據(jù)加工處理流程原理。第五，通過計算機(jī)操作指令的工作原理明白為什么計算機(jī)會自動化處理數(shù)據(jù)，而且精度高、效率快、記憶力強(qiáng)，目的在于體會指令與機(jī)器硬件之間的密切關(guān)系。第六，通過CPU結(jié)構(gòu)及工作原理明白一條機(jī)器指令執(zhí)行的全過程是什么，涉及哪些硬件設(shè)備，硬件設(shè)備是如何配合的，目的在于進(jìn)一步深刻理解CPU在計算機(jī)中的地位和作用。第七，了解控制器的結(jié)構(gòu)及工作原理，明白不同指令所發(fā)出的各種命令為什么能有條不紊地完成相應(yīng)操作，而且安全、可靠、穩(wěn)定，目的在于體會控制器在計算機(jī)運行中所起的核心作用[9]。

教師將教學(xué)任務(wù)提前進(jìn)行線上發(fā)布，每個任務(wù)都應(yīng)有一個明確的目的，同時給出3～4個思考題；學(xué)生采用3W1H的思想，分組查閱資料、積極討論、認(rèn)真設(shè)計方案、及時提交完成結(jié)果；教師在線統(tǒng)計學(xué)生完成情況，總結(jié)學(xué)生知識掌握情況，隨時調(diào)整課堂教學(xué)進(jìn)度、深度、難度，更有針對性、目標(biāo)性地完成課堂教學(xué)任務(wù)，達(dá)到事半功倍的效果。課后對課堂講解的知識點給出一些測試題，用時需10分鐘左右的題量，主要以選擇、判斷、填空、解釋題為主，學(xué)生隨機(jī)抽取題目進(jìn)行作答，將作答的成績納入平時成績考核當(dāng)中。

2 教學(xué)設(shè)計應(yīng)用實例

以存儲器的教學(xué)內(nèi)容為例，采用問題式引導(dǎo)法進(jìn)行教學(xué)設(shè)計。存儲器的教學(xué)一共分為4部分內(nèi)容：存儲器基本概念、主存儲器的結(jié)構(gòu)及工作原理、輔助存儲器的結(jié)構(gòu)及工作原理、高速緩沖存儲器的結(jié)構(gòu)及工作原理。重點以主存儲器的結(jié)構(gòu)及工作原理的知識點設(shè)定任務(wù)，具體設(shè)計如下。

任務(wù)目標(biāo)：掌握靜態(tài)和動態(tài)隨機(jī)存儲器結(jié)構(gòu)、讀寫數(shù)據(jù)的過程。

完成內(nèi)容：

(1) 靜態(tài)隨機(jī)存儲器的結(jié)構(gòu)及原理;

(2) 靜態(tài)隨機(jī)存儲器讀寫數(shù)據(jù)的過程;

(3) 動態(tài)隨機(jī)存儲器的結(jié)構(gòu)及原理;

(4) 動態(tài)隨機(jī)存儲器讀寫數(shù)據(jù)的過程;

(5) 靜態(tài)和動態(tài)隨機(jī)存儲器的區(qū)別。

引導(dǎo)問題：

(1) 寄存器和主存儲器都是用來存放信息的，它們有什么不同;

(2) 只讀存儲器和隨機(jī)存儲器是一樣的隨機(jī)存取存儲器嗎;

(3) 靜態(tài)隨機(jī)存儲器和動態(tài)隨機(jī)存儲器的結(jié)構(gòu)是否一樣;

(4) 靜態(tài)隨機(jī)存儲器和動態(tài)隨機(jī)存儲器數(shù)據(jù)讀寫過程是否相同;

(5) 刷新和重寫是一回事嗎？

第一個問題講授主存儲器的作用和意義，第二個問題引出存儲器的分類、特性，第三個問題指出靜態(tài)隨機(jī)存儲器與動態(tài)隨機(jī)存儲器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)各自有哪些特征，第四個問題說明靜態(tài)隨機(jī)存儲器與動態(tài)隨機(jī)存儲器的外部特性有何不同，第五個問題講述靜態(tài)隨機(jī)存儲器和動態(tài)隨機(jī)存儲器異同點。

課程內(nèi)容結(jié)束后，圍繞問題和講解的知識設(shè)計不同的測試題，通過線上發(fā)布及時督促學(xué)生作答，促進(jìn)學(xué)生對課堂知識的及時鞏固，加強(qiáng)教師課堂教學(xué)狀態(tài)的及時反饋[10]。

課后十分鐘測試題：

(1) 主存儲器的特點是(容量小)、(價格高)、(速度快);

(2) 靜態(tài)隨機(jī)存儲器由(雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器)組成，動態(tài)隨機(jī)存儲器由(電容)組成;

(3) 動態(tài)隨機(jī)存儲器的3種刷新方式：(集中式)、(分散式)、(異步式)，刷新的原因是(電荷漏電);

(4) 隨機(jī)存儲器可進(jìn)行數(shù)據(jù)(讀)、(寫)、(刪除)操作，只讀存儲器只能進(jìn)行數(shù)據(jù)(讀)操作;

(5) 靜態(tài)隨機(jī)存儲器地址只有(行地址)，動態(tài)隨機(jī)存儲器地址分為(行地址)、(列地址);

(6) 隨機(jī)存儲器進(jìn)行數(shù)據(jù)寫操作時，需要(CS=0)、(WR=0);

(7) 刷新是(定時的)，重寫是(隨機(jī)的);

(8) 主存儲器可以和(輔助存儲器)、(CPU)、(高速緩沖存儲器)交換信息;

(9) 主存儲器和輔助存儲器指標(biāo)的不同點。

課程考核機(jī)制采取多元化模式，學(xué)生線下任務(wù)完成、線上測試題完成、分組課堂展示、期末考試成績等多個部分組成，注重學(xué)生自主學(xué)習(xí)性、積極參與度，打破傳統(tǒng)的期末考試成績單一評定機(jī)制，開發(fā)學(xué)生愛學(xué)習(xí)、想學(xué)習(xí)、勤思考的習(xí)慣。

3 總結(jié)

本文以“計算機(jī)組成原理”課程為例，從章節(jié)知識入手，采取任務(wù)驅(qū)動法展開教學(xué)，結(jié)合實際情況設(shè)計學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生在完成任務(wù)中激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、獲取成就感、使命感，再利用問題式引導(dǎo)法提出理論知識點，以學(xué)生為主體展開線上線下混合式教學(xué)模式，運用靈活多樣的教學(xué)手段豐富課堂氣氛，提高學(xué)生主動學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，團(tuán)隊合作、溝通、協(xié)調(diào)的能力。改變傳統(tǒng)教學(xué)模式和方法，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、以追求學(xué)生獨立思考、自主創(chuàng)新能力為目標(biāo)，建立對課程系統(tǒng)化的認(rèn)識、對專業(yè)深層次的理解。