寓教于戲

摘要：介紹在計算機硬件系列課程中，采用歸納式思維方法，利用互動游戲方式進行教學。闡述演繹式教學法和歸納式教學法在思維方法和實施過程上的不同，提出在原理抽象和背景復雜的專業知識點講解中，歸納式教學法更利于學生直面應用實例、快速界定背景、明確問題，方便教師進行一般化演繹的觀點，并分析實踐效果。

關鍵詞：歸納法；實例化教學；課堂游戲；自主思維

文章編號：1672-5913（2012）23-0080-04

中圖分類號：G642

0 引言

筆者所在教學團隊建設的計算機硬件系列課程體系以計算機體系結構為核心，涵蓋十幾門從基礎到高級的硬件課程，如數字邏輯、數字電路課程設計、計算機原理、計算機體系結構、嵌入式系統、容錯計算機系統等，這其中包含了2門國家級精品課。

在不斷提升教學質量的過程中，老教師經常言傳身教，追求細致、嚴謹、規范的教學效果，語言規范、條理清晰、課件準確成為課堂教學內容的終極目標。傳統的、規范的課堂教學常以這樣的思維方式展開：1）是什么？這里講解一個問題的原理，包括定義、公式、概念、一般性結構等；2）為什么？講解這個問題（系統、電路、軟件等）的設計方法和關鍵技術；3）怎樣用？講解與這個問題相關的典型例子的分析和設計。對于以上教學思路，我們稱之為“演繹法”，指的是先講授通用概念及方法，再進行具體實例化應用。這是傳統的教學模式，相信大多數計算機專業的教師也是遵循同樣的思路來組織教學內容的。

信息時代計算機知識迅速膨脹，而近幾年，高校專業課時卻一再壓縮。大學本科階段的“通才”教育有其必要性和合理性，但這也給專業課的組織實施帶來了更大挑戰。怎樣在有限的課時內完成豐富的教學任務，成為專業課教師重點關注的問題。因此。“實踐性教學”、“互動式教學”、“案例教學”等多樣的教學方法被教師廣泛研究和應用。

“授人以魚不如授人以漁”是常說的一個教學理念。“授”什么樣的“漁”？通過何種方式“授漁”？是教師相對“小眾”專業課（只對本專業少數人開設的、有的甚至是30人以內的小班課）要重點考慮的問題。演繹法“授漁”全面并且規范，但有時層層鋪墊需要花費大量時間和精力。

1 從實例化教學到歸納思維

很多學生在上專業課時，對每一章起初幾節的內容總是提不起精神。比如，在計算機體系結構中，教師總是先講流水線的概念、分類、特點等，雖然在講每個概念時都舉一定的結構實例，但學生缺乏對應用背景的了解，因此教師在講解這些例子也僅能起到說明概念的作用，而不是展示應用場景。直至講到流水線的沖突，教師將實際的MIPS流水線呈現在學生眼前，流水線沖突的問題自然隨著程序段的執行而出現，學生熱情高漲地對其進行分析。因為面對的是具體的電路結構，學生對沖突問題解決方法的理解也不覺得抽象了，對流水線沖突的概念、分類等記憶也深刻了。再比如，教師以前在講授容錯計算機系統這門課時，總是先講述容錯計算機的定義、容錯的概念、發展史、技術分類等，然后講容錯理論模型、軟硬件容錯方法，最后介紹實例容錯計算機。開篇的講授未免帶有“教條”痕跡，直至教師講至容錯方法并使之應用于實例星載容錯計算機時，教師、學生乃至課堂都變得活躍起來，學生甚至開始對空間各類航天器上星載計算機中的容錯技術和發展情況著迷。面對復雜的冗余、編碼等容錯方法，學生感覺“似乎也不顯得那么蒼白，變得有理有據了！”

“好吧！既然大家更喜歡實際的應用，干脆就從這里開始吧。”課堂是因為這樣的初衷開始“從實例出發的”。于是，在計算機體系結構等課程中，流水線是從一個洗衣店的例子開始的。課堂上使用的“洗衣店流水中設置沖突示意”教學實例如圖1所示，教師將其用來類比復雜指令流水線。

在這個流水處理的洗衣店例子中，洗滌用品房間門口顧客的沖突反映了資源相關問題；對相同洗滌用品的競爭反映了數據相關問題；需要進入洗衣店的觀望顧客對后續顧客的影響反映了控制相關問題。由此展開的探討及性能評估全部圍繞洗衣店，教師最后將其類比為指令流水線（那里的問題和洗衣店一模一樣，因為教師在設置這個例子時就充分考慮了相似度）。學生對這個直觀的例子印象深刻，理解透徹，之后對于指令流水線的相關分析幾乎都可以獨立完成。教師剖析完這個完整的例子，再總結歸納流水線的特點、解釋其概念、拓展其分類，使學生對流水線全貌有更深刻的認識。

上述場景所反映的教學思想稱為實例歸納法，也就是教師用實例概括知識點，讓學生通過一個具體例子抓住課程的主線和關鍵技術，通過例子總結出屬性和特點，最后歸納理解定義及概念，使特例知識一般化。在這個過程中，教師只展示例子中最重要的幾個“點”而不求面面俱到，如講解計算機中斷控制器時，首先在展示的例子中只講解該控制器處理微機磁盤斷控制時所需的設置，把具體工作機制講透，然后歸納并總結原理，拓展出其他所有設置和用法。在思維上，這種例子給了學生一個記憶和理解的“標桿”，可讓學生擺脫繁雜的鋪墊，快速抓住本質。在此之后，學生可以自主進行該知識點的一般化“演繹”，從而達到全面掌握知識的目的。

2 從課堂游戲中訓練自主歸納思維

歸納式教學法的關鍵是例子的實施方式，如上面提到的洗衣店流水線，就利用了類比方法設計例子。生動形象的類比例子可以提高學生的認知度，而對于不易類比的例子，教師又怎樣提高學生的熱情呢？一個有趣的答案是游戲。

教師在講計算機Cache一致性協議時，大多都是在課件上畫巨大的狀態遷移圖來講述這種機制。學生能跟著這個思路走完整個協議，但要自主地做出一個實際例子仍然需要在課后梳理知識，于是教師在游戲式課堂中設計了一個包含所有協議狀態變化的實例。

這節課是這樣開始的：“同學們來做個游戲吧，誰愿意來當并行系統中的一個節點啊？”學生通常很詫異，也很踴躍，于是教師選取4位學生各占一片黑板當“節點計算機”，并讓他們各自畫出自己所帶的Cache、內存及協議處理相關部件（目錄等）。計算機Cache一致性協議實例游戲場景如圖2所示。

游戲展開如下：

“如果所有人的內存一起構成分布式共享內存，請你們自己通信吧”，老師發起游戲。

“我要讀學生3的數據0x11”，學生0首先說。

“請你讀到這個數后放到你的Cache里吧”，老師用學生以前學過的Cache知識提醒學生。

“我要寫學生3的那個數據”，學生1接著說。

“你寫唄”，老師不動聲色。

“不行吧！他倆有那個數的不同副本”，當學生1寫時，臺下的同學提出問題。

“是不是應該記錄一下啊？”老師提示。

“應該記錄在……”臺下學生建議。

這個問題的引入到解決在不到50條對話中展現出協議狀態的所有變換，并且全體學生都參與。在這個過程中，學生自主歸納總結出該協議應該設置的所有狀態及其變化操作，全面而生動地展示了該問題的設計應用全貌。

以上游戲實例以生動的方式對學生進行了自主歸納思維的訓練，適用于以過程說明原理的知識點講解，在幾次課堂上都收到了良好效果。

3 實踐效果與分析

歸納法實例教學點實施效果如表1所示，總結了我們在課堂上利用互動式歸納法實施幾個教學實例所用課時和所采用的具體實施形式。這些實例在課堂上經過多次實踐，引起學生熱烈反應，明顯提高了學生的聽課熱情，使學生對這些知識點達到了化繁為簡、快速領會的效果。

從表1中對于教學點所用課時的減少可以看出，互動式歸納式教學法由于大大壓縮了概念、一般性說明所需的教學時間，因此更適合在學生對知識背景有一定了解的教學點上使用。這樣學生在直面實例時才能快速界定背景、明確問題、了解基本假設，展開對實例問題的自主思索。在這種方法的應用中，實例的作用是以更具體的形式展示知識點，比一般理論介紹更具有針對性和具象感，更容易被學生接受；把實例進一步發展為類比實例（如游戲或生活實例），更能增強學生的參與感，使互動式教學方法更容易實施，體現出歸納思維和互動游戲相互促進的優勢。

歸納式教學法的例子設計必須具有鮮明的代表性，能涵蓋所闡述問題的本質，且要具有啟發性和展示性。教師在這樣的課程中根據教學組織需要精心設計教學實例，化簡去繁，抓住實質。從具體經驗來看，對于具有復雜、抽象且重點集中的知識點的課程，這種方法的操作性更強，效果更好，在較高年級的專業課講授上用途更大，如我們提到的諸多硬件系列課程；對于以實踐練習為主體內容的課程，如匯編語言，實例不容易抽象成更生動的類比，因此互動環節6bpLVlh3Qt0fRgGRpzeDHA==應以學生相互排錯、競賽演示等方式為主；對于知識背景以了解為主的課程，如大學計算機基礎等，這種方法需要組織的實例太多，時間上難于保證，可以采用在更高層次上抽象知識點再進行實例化的方法。

歸納式互動教學需要教師以較強的技巧激發學生的熱情，設計有趣的實施方式以達到讓學生歸納掌握的目的。教師在具體實踐中所展示的教學實例大多成為對應課程的特色教學部分，表1中的教學內容在所對應課程中，也均成為學生在期末考核中可以掌握和靈活應用的部分，其中流水線類比實例還參加了課堂教學競賽。這些都得益于教師對課堂內容的精心組織和學生高漲的參與熱情，也成為課程的亮點所在。歸納式教學需注意所用實例應具有引導一般性歸納的功能，建議教師將進一步的歸納作為學生課堂或課后的思考題目（如傳統流水線實例可歸納為亂序流水線的特例）；考核時也應盡量以歸納結果或變化的實例為主要內容，而不使用實例本身，這樣才能促進學生完善自主思考。

4 結語

在國外大學訪學期間，教學團隊獲得的最大感受就是國外教師風格迥異甚至毫無定法的授課風格。如何讓課堂成為學生勤于思索的良田而不是艱難跋涉的沼澤，是在較高層次上進一步提升教學效果的要求。形式不是關鍵，但好的形式正是思維訓練不可或缺的促進劑。

（編輯：宋文婷）