擴大學生思考空間的教學方法

摘要：創新型人才培養是高等教育面臨的一個挑戰性課題。廣袤的思考空間是培養學生創新能力的基礎。文章針對計算機體系結構課程的教學活動，探索為學生創造思考空間的教學方法，提出在課后習題和課程實驗內容設計環節，為學生留出充分思考空間的教學理念，并介紹具體實施方法。

關鍵詞：思考空間；創新教育；教學方法；計算機體系結構課程

全面實施素質教育是教育改革發展的戰略主題。創新教育是全面實施素質教育的重要環節。創新人才培養是高等教育面臨的一個挑戰性課題，正日益受到教育界的重視。創新教育注重對學生創新思維的培養。在教學過程中，為學生留出充分的思考空間是創新思維訓練的基礎。

1 思考空間與創新思維

創新思維是提出新想法的過程，并且這個新想法能夠服務于某個重要的需求，或者開啟一個具有影響力的新趨勢。創新思維作為一種思想活動，具有聯想性、求異性、發散性、逆向性和綜合性的特點。

每個人都擁有創新潛能，但是這種創新潛力只有通過教育和創新實踐活動才有可能被開發。我們可以通過訓練某些技能培養學生的創新思維能力，通常包括靈活、獨創、流暢、求精、集體討論、修改、想象、關聯思考和屬性列舉等。

上述技能的培養需要借助合適的教學載體，如為學生留出充分思考空間的習題、實驗等精心組織的教學內容。這里，我們特別強調要為學生創造充分的思考空間，以利于學生創新能力的培養。

2 具體教學方法

思考空間是創新思維的開發環境，思考空間對于創新思維的培養如同土壤對于種子，它蘊涵于開放性問題之中。我們結合計算機體系結構課程教學，提出以下4種擴大學生思考空間的教學方法。

2.1 設計無唯一答案習題

對于創新思維而言，任何問題都可能存在多個答案。開放性問題不局限于唯一的答案。在某個問題的思考空間中，每一個可行的答案強調的是條件與結論的一致性，或者說是前提與結果的一致性。當學生關注問題條件與結論的對應關系時，就在解決問題的靈活性方面受到了技能訓練。

具有唯一答案的問題容易使思維陷入固化模式，妨礙創新能力的發揮。無唯一答案的題目強調在不同的前提下，會有不同的結論，有利于創新思維的培養。比如，分析程序段在DLX模型機流水線上的執行周期問題時，轉移條件判斷的多策略性（即在譯碼或是執行階段判斷）會使同樣的程序段有不同的執行周期。我們將原習題中唯一性的條件去掉，不規定是在譯碼階段判斷還是在執行階段判斷，使學生將問題的焦點同時集中在條件與結論2個方面上，有利于培養學生的發散性思維。

2.2 減少模式化成分

教育模式固化會束縛創新能力的培養，減少模式化成分有助于學生跳出思維定勢，給學生自主發揮的余地。我們提倡從多角度審視和解決問題，去除問題設計的格式化要求，避免千篇一律，擴大學生的思考空間。

為此，我們在計算機性能評測實驗中，要求學生用2種評測軟件測試1臺計算機的性能，或者用1種評測軟件測試2臺不同計算機的性能。這個實驗對測試軟件并未作具體要求，對實驗報告形式也未作統一要求，學生完全根據自己的思路組織和總結實驗。我們匯總收到的實驗報告，發現學生具有較強的思維能力，然后選出2種具有創新性的實驗組織和總結報告進行講評，以增強全班學生的創新意識。

1）分類和層次化。

分類和層次化是體現創新的基本技能。學生在實驗心得中寫到：受到用2款軟件測試l臺計算機性能的啟發，想到分類和層次化的測試策略，在對當前多種評測軟件進行了解和比較之后，采用Cpu-Z獲取計算機硬件的基本參數，用3DMark測試顯卡的性能，用SuperPi測試CPU的性能，用SiSoftware Sandra測試電腦的整體性能（包括特征應用的測試）。這是一個對多結果排序規劃的過程，體現了思維的整體流暢性。

2）問題求精。

問題求精強調關注問題產生的根源，是一種重要的創新技能。針對用1款軟件測試2臺計算機這個實驗要求，一個學生在用PCMARK評測自己的計算機時，發現PCMARK memorise一項的測試得分和同學的計算機相比有很大的差別。帶著對這個問題的疑慮，這個學生進一步分析2臺計算機的軟硬配置信息以及memorise測試內容，給出了結果分析報告。這是一個在比較的基礎上進行求精的過程，是創造性思維的一個演進過程。

2.3 加強多約束問題的求解引導

多約束問題的特征是約束條件多，而且約束條件之間沒有明顯的先后順序，或者說主次順序。大部分學生習慣在解題過程中尋找思維的起點，并遵循某種思維軌跡。多約束問題求解要求打破這種思維定勢，建立多線索并行思考，或者稱為多元化思維。因此，多約束問題給學生創造了廣袤的思維空間，是訓練學生創新思維的有效載體。

計算機體系結構課程有一個經典的關于指令格式設計的題目。其中，指令長度、寄存器個數、操作碼位寬、偏移量位寬均未給定，但有一系列的限定性事實，如指令總數和每條指令的使用頻率、短指令和長指令（即2種指令長度）、短操作碼和長操作碼（即2種位寬的操作碼）、雙操作數指令和其操作數類別、存儲器寬度和對齊要求。很多學生都感覺對這個題目無從下手，找不到問題的突破點。我們在教學過程中，沒有從專業知識角度引導學生如何求解該問題，而是以思維模式的視角引導學生，提示學生這是一個多約束問題，需要并行考慮多限定性事實，嘗試以多元化思維求解問題。

針對學生對思維定勢依賴的問題，我們提倡以思維模式轉換取代專業知識性提示，引導學生不要拘泥于有序思維，而要進行多元化思考。教學實踐表明，這種引導方式起到了良好的效果。

2.4 鼓勵增量性創新

所有科學研究都是建立在前人工作的基礎上并進一步發展。創新可分為根本性創新和增量性創新，其劃分依據是與原有技術基礎的脫離程度。實驗教學環節中更加切實可行的是鼓勵增量性創新，即在已有的實驗基礎上實踐新的內容，或者在已有研究的基礎上提出自己的想法，并付諸實踐。教師應鼓勵學生在當前的實驗基礎上嘗試自己的創新實驗。

計算機體系結構的研究和學習離不開模擬器。我們在CPU流水技術的實驗環節選擇了WinMips64模擬器，對學生的基本要求是設計具有各類沖突爭用資源的指令序列，并在模擬器上執行，然后觀察模擬器的執行狀態和結果。設計具有沖突的指令序列使學生從程序執行和硬件支持2個方面理解流水化過程的難點。我們對學有余力的學生提出在現有模擬器的基礎上增加模擬器功能的要求，為學生留出充分的思考空間，鼓勵增量性創新，有效地激發學生的學習熱情。

3 結語

在教學過程中，挖掘能給學生創造充分思考空間的開放性問題是非常重要的。這需要任課教師結合科學研究的實踐過程提取和設計適合課程教學的載體。

充分的思考空間既能促使學生對同一個問題給出不同視角的答案，又能激發學生的學習熱情。教師匯總這些答案并進行綜合講評，使學生開闊視野和分享集體的智慧，從而收到良好的教學效果。

（編輯：宋文婷）