研究性教學在計算機專業硬件類課程改革中的實踐

王風華 鄭秋梅

摘要：本文介紹了計算機專業硬件類課程研究性教學的改革理念及思路，從“以問題為導向”的教學內容的組織，啟發式、參與式等教學方法的采用，創新性實驗環節的保證和多元化考核方式的配套等方面著重闡述了硬件類課程的研究性教學的實踐過程，最后給出了實踐效果。

關鍵詞：研究性教學；硬件類課程；問題為導向

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）51-0219-02

一、引言

計算機專業硬件類課程通常包括計算機組成原理、匯編語言、計算機系統結構、接口技術及嵌入式微處理器等課程。目的是讓學生掌握計算機各部分的工作原理，具備一定的計算機硬件開發設計能力，但是該類課程具有理論及實踐性強、概念抽象、技術更新快的特點，因此教學難度大，學生學習興趣低，導致計算機專業學生大多“喜軟怕硬”。如何改變這一現象，一直是困擾任課教師的難題。

目前，研究性教學備受關注。研究性教學在國外始于20年前，是一種在教師的組織指導下學生自主學習、自主實踐的教學[1]，注重培養學生研究和創新能力的新教育理念。目前已被國際、國內教育界普遍認同并付諸實踐[2]。近年來，本文作者所在的計算機硬件課程組，結合硬件類課程的特點，突破傳統的“傳輸—接受”式教學框架，也嘗試在硬件類課程的教學中引入以問題探索為基礎的研究性教學理念，并取得了令人滿意的效果。本文以計算機專業硬件類核心課程“計算機組成原理”為例，介紹研究性教學的應用與實踐。

二、研究性教學改革的理念及思路

研究性教學是教師為指導和培養學生進行研究性學習，模擬科學研究活動所設計和組織的一種課堂教學。包括教與學兩方面：一方面教師要創設良好的研究性教學環境，給學生提供必要的指導與幫助；另一方面學生積極主動地進行探究式學習[3]。要推行研究性教學，關鍵是教學理念的改革，即傳統教學理念到研究性教學理念的轉變。具體實施時，主要完成以下轉變：教學思路，由傳統的“知識點講解型”向“問題導向型”轉變；教師角色，由“知識灌輸者”向“問題引導者”轉變；學生角色，由“被動接受者”向“自主學習者”轉變；考核方式，由“應試型”向“多元考核型”轉變。

依據研究性教學理念，結合硬件類課程特點，課題組建立了一種課堂講授輔以專題討論課、創新性實驗等多種形式相結合的研究性教學體系，以培養學生對計算機硬件系統的分析與設計能力，提高學生的自主學習及創新能力。具體思路是：在教學內容上，“以問題為導向”對講授內容進行結構性調整、重組和更新，以激發學生主動學習知識的興趣。在教學方法上，堅持啟發式、參與式教學。在教師講授的同時，輔以專題討論、學生參與式教學、創新性實驗等多種形式。在考核方法上，不再以筆試為唯一考核方式，而是采取筆試結合專題討論、調研報告、實驗設計等多元化的考核方式。

三、研究性教學改革的實施

1.創設問題情境，“以問題為導向”組織課程教學內容。組織教學內容時，要遵循“講學科不講教材”的原則。首先讓學生清楚課程在整個學科中的地位和作用以及它與前導課和后續課的關系。其次，針對硬件課程理論性、實踐性強的特點，引入研究性教學模式，通過創立問題情境，以問題為導向引導學生主動探索。“以問題為導向”提煉每章內容主線，比如在計算機組成原理課程運算方法和運算器一章中，提出：“各自算術運算和邏輯運算在計算機中如何實現的？”引起學生興趣并對章節內容主線初步掌握。對每章相關知識模塊還要按照“以問題為導向”的原則，設計出具體的細節問題。如：乘法運算的研究性問題設計如下：

（1）手算乘法運算是怎樣的？——鍛煉學生的觀察和總結能力

引導學生給出手算乘法規則并得到結論：手算乘法是通過移位和加法來實現的。

（2）為什么不能直接在計算機中采用？——鍛煉學生發現問題的能力

引導學生給出總結手算乘法的缺點。

（3）如何調整才能應用到計算機中？——鍛煉學生解決問題的能力

引導學生想出改進上述方法的妙招。

（4）機內乘法運算規則是怎樣的？——鍛煉學生概括能力和舉一反三能力

通過原碼一位乘案例，引導學生自己總結出機內原碼一位乘規則，并由此推出機內原碼兩位乘規則。

（5）現在的CPU中乘法是如何實現的？——鍛煉學生主動學習能力

預先告知學生現在計算機中廣泛采用的指令并行執行及流水線等概念，說明這些概念在以后的章節中會詳細討論，并要求感興趣的同學上網查閱相關資料。

這樣設計后，一個簡單的機內乘法運算規則，經過一系列問題的探究，將原本枯燥無味的0，1運算，轉變成了學生有興趣去尋求答案的一個個具體問題。按照“以問題為導向”設計的教學內容，學生在整個學習過程中，一直處于思考如何解決問題的狀態，既能做到有興趣地全身心投入，又能比較扎實地掌握計算機內部的乘法運算方法，還能使他們對計算機的新技術有所了解和掌握。

2.啟發式、參與式等教學方法的采用。課堂教學中堅持啟發式教學。運用啟發式教學方法不僅可使學生對課程知識的掌握有深刻的理解，而且還可以培養學生主動學習和獨立思考的能力[4]。在課堂教學中通過實際問題引出理論知識點，通過一系列問題啟發學生進行思維，引導學生主動探索、學習。例如，在學習存儲器時，做了如下啟發設計：（1）通過實際問題引出理論知識點：存放在內存和優盤中的信息在計算機關機后，有什么不同？——引導學生帶著問題課下預習，主動查閱資料，尋求答案。（2）內存和優盤的存取機制有什么不同？——引出講解點：RAM和ROM存儲器概念。（3）RAM為什么又分為靜態和動態？——引導學生帶著問題對比靜態和動態存儲器的工作原理及區別。（4）在教學過程中，安排學生分組討論，然后發言總結。

這樣，由表及里、由淺入深、環環相扣地啟發學生思考，并讓學生們充分討論，進行課堂交流，最后結合有關知識點進行分析和概括。實踐證明：啟發式教學是科學、成效的教學方法。

實施參與式教學。對內容多、理論性強、學生理解有難度的運算器、存儲器和中央處理器三個章節設置專題討論課，每次專題討論課安排2學時，共6學時。專題討論課的題目提前公布，讓學生自由組合分組做準備。在討論課上，各組選代表上臺主講，由教師和其他同學發問和爭論，最后由教師進行總結與點評。通過專題討論，學生能了解最新的技術與發展趨勢，擴展課堂所學知識，學會對原理的靈活運用。在這種環境下，學生的作用是雙重的，既學習新知識，又傳授新知識，在掌握知識的同時，也有助于提高各自能力。

3.研究性教學的創新性實驗環節的保證。為保證研究性教學的實施，建立了“驗證型—設計型—綜合型—探索型”的多層次實踐教學模式。在課程部件實驗中，適當開設“驗證型”和“設計型”實驗，在后續模型機設計課程中，開設“綜合型”和“探索型”實驗，形成“驗證型—設計型—綜合型—探索型”的多層次實踐教學模式，以強化學生的綜合設計和硬件動手能力。（1）變“實驗指導書”為“實驗任務書”。每次實驗只給出實驗任務、要求及實驗條件等，具體如何設計和實現全部由學生自主完成，鍛煉學生獨立分析問題、解決問題的能力，激發他們的創新思維。（2）重新設計實驗內容，保證實驗內容的綜合性、設計性和研究性。讓學生通過自學和查閱有關文獻，自行設計實驗方案，自行搭接實驗線路，自己進行實驗，觀察實驗現象，發現問題并分析產生問題的原因，提出相應對策，最后撰寫研究報告。整個過程把主動權完全交給學生，教師只是啟發引導和做好組織工作。充分發揮主觀能動性，調動學習積極性，培養自主學習和獲取知識的能力。

4.研究性教學多元化考核方式的配套。傳統考核方式以期末筆試為主，導致很多學生平時學習主動性差，知識掌握不牢固。本課程組建立了一種硬件類課程多元化考核模式。在多元化考核模式中，平時成績比重達到50%，平時成績包括課堂表現、專題報告、實驗設計及操作、文獻查詢、作業等多個環節。使得學生更加注重平時的學習過程，對調動學生的學習積極性及培養學生自主學習能力、動手能力和創新能力起到積極作用。

四、結論

本文以計算機組成原理為例介紹了計算機專業硬件類研究性教學的實施，基于以上理念，本文作者所在的硬件課程組也在其他硬件類課程進行了研究性教學的實踐，通過幾年的探索，教學效果顯著并取得了豐碩成果。學生學習的積極性高漲，參與計算機硬件課題組或創新活動的人數大增，硬件動手能力和創新意識有了明顯提高。2009年至2014年期間，歷屆授課專業每年均有二十多名學生積極參加智能車大賽和嵌入式設計大賽等硬件類競賽，獲國家級一、二等獎及山東省一等獎等三十多項獎項。

參考文獻：

[1]曾廣錄.論研究性教學改革中的評價機制建設[J].當代教育理論與實踐，2012，（4）：82-84.

[2]王立欣，等.基于研究性教學的電子創新基地建設與教學實踐[J].中國大學教學，2010，（4）：73-74.

[3]許曉東，等.本科工程教育研究性教學探索與實踐——以華中科技大學為例[J].高等工程教育研究，2014，（2）：43-49

[4]劉曉陽，武曉華.基于啟發式與目標教學模式的“計算機基礎”課程教學研究[J].南通航運職業技術學院學報，2011，（10）：114-115.