問題驅動法在“計算機系統結構”教學中的應用探討

關昕

摘要：“計算機系統結構”是計算機專業學生的一門重要專業基礎課程，由于該課程內容抽象難懂，學生在學習過程中產生了難以理解、難以實踐的狀況。為了進一步提高學生的學習興趣，培養學生的自主能動性，達到更好的教學效果，探討了問題驅動法在“計算機系統結構”教學中的應用。該教學模式有助于培養學生的應用能力，提高學生的學習興趣，達到變被動學習為主動學習、自主學習的目的。

關鍵詞：問題驅動；計算機系統結構；教學方式；教學效果

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）14-0145-02

“計算機系統結構”（Computer Architecture）一詞的含義有多種說法，并無統一的定義。它是Amdahl等人在1964年提出的。他們把系統結構定義為由程序設計者所看到的一個計算機系統的屬性，即概念性結構和功能特性。這實際上是計算機系統的外特性。《計算機系統結構》課程研究計算機系統結構演化以及影響計算機軟硬件系統設計，《計算機系統結構》研究的內容主要包括：數據表示、尋址方式、指令系統、中斷系統、存儲系統、輸入輸出系統、流水線處理機、超標量處理機、互連網絡、向量處理機和并行處理機等，使學習者能夠比較全面地掌握計算機系統的基本概念、基本原理、基本結構和基本分析方法，并建立起計算機系統的完整概念。

基于《計算機系統結構》課程的特點，傳統的授課模式和方法往往不能達到教學目的。許多學生在學習《計算機系統結構》課程時會認為乏味無趣，無法領會該課程的學習目的，最終導致學生的學習效果不理想。結合高等教育的培養目標和學生的特點，考慮學生面臨的就業問題，采取怎樣的教學方法如何培養學生分析問題、解決問題的能力，使他們畢業之后能較快地適應工作需要，成為高等院校教育中的一個亟待解決的問題。[1]針對上述問題，本文提出問題驅動法來彌補《計算機系統結構》教學中的弊端。

一、問題驅動法

所謂問題驅動法就是在學習過程中，在問題的驅動下，緊緊圍繞一個主題，進行自發的探索和相互協作的學習，完成教學任務的同時，引導學生產生實踐活動，形成良好的學習習慣。問題驅動是一種建立在建構主義教學理論基礎上的教學法，要求任務的目標性和教學情境的創建，使學生帶著真實的問題在探索中學習。[2]問題驅動式學習旨在通過獨立分析和解決問題的過程來培養學生自主學習能力以及解決具體問題時的協作學習的能力。所謂的自主學習，就是以學生作為學習的主體，通過學生自己的努力，自覺、主動、積極地獲取知識。它要求學生在學習過程中獨立地分析、探索、實踐，充分發揮自身主動性，根據自身行動的反饋信息來形成對客觀事物的認識和解決實際問題的方法。協作學習是在自主學習的基礎上，通過小組協商討論的形式，進一步加深對知識的理解和認識。學生通過協作學習，可以看到問題的不同側面和解決方案，拓寬了學生解決問題的思路，對知識點也會有新的認識與理解。在計算機系統結構的實驗教學部分，重點培養學生自主學習與協作學習相結合的能力，具體實施時將實驗題目設計為必做題目和選做題目。教師制定必做題目，可以有目的地幫助學生夯實基礎知識。教師在制定實驗題目時應注意以下幾個方面：一是選用難易適當的題目，通過該題目，學生能夠較容易地理解和掌握計算機系統結構的基本理論與方法；二是題目要緊貼學生的日常生活和學習，有助于激發學生的學習興趣，調動他們的積極性；三是題目要充分應用到理論知識點，理論與實踐相結合，真正達到學以致用，增強學生的實踐能力，激發他們潛在的學習興趣。[3]這種問題驅動式的教學方式，不僅激發了學生自主求知的欲望，而且讓學生也體會到了實驗成功的喜悅。選做題目注重培養學生的實踐操作能力以及創新思維。在此階段教師以“導師”的身份出現，學生充分發揮主體作用，變過去“被動”學習為“主動”學習，在教師的指導和幫助下，主動搜集和查閱一些參考書、網絡學習資源，通過自主探索和協作學習找出解決問題的方法，提高自主學習能力。當學生在解決問題時，可自由組合成組，2～3人適宜，明確分工，發揮各自長處，協作完成學習任務。教師對整個組的進程進行跟進指導。小組可以定期開小組會議，大家圍繞一個主題展開討論，取長補短，充分發揮共同學習、協作的精神，共同完成任務。所有題目采取一組一題制，避免抄襲。由此一來，學生在問題驅動的環境下，將生硬的課程知識生動具體地應用到實際項目中，進而對計算機系統結構中的重點、難點知識進一步完善和重構，有效提升了自身的實踐操作能力。

二、“計算機系統結構”教學問題的有效設計

在設計問題時，必須考慮到學生現有的知識結構和能力水平。問題可分為了解、理解、掌握三個層次。了解指能夠記住或復現已學過的知識和操作方法；理解指對已學習過的知識及操作方法能夠用自己的語言進行表述、判斷和運用；掌握指能用所學過的知識和操作方法去解決簡單問題。在本課程中，了解是指初步理解硬件的工作原理；理解是指學會進行硬件分析并且能夠完成實驗；掌握是指能夠按要求設計硬件電路并且在做實驗時能有錯誤立即自我糾正[4]。筆者設計如下驅動問題：

第一個問題：驗證運算功能發生器（74LS181）的組合功能。要求熟練掌握各個引腳功能，在實驗中完成各種運算，并且理解利用74LS182設計16位超前進位加法器。

第二個問題：掌握靜態隨機存儲器RAM工作特性及數據的讀寫方法。并且要求了解計算機系統中使用的主要幾種存儲器的性能參數，工作原理和優缺點；學會存儲器的位擴展、字擴展和位/字擴展方法。能夠按照題目要求設計各種容量和字長的存儲器；如何使用并行存儲器來提高存儲器的訪問速度？

第三個問題：（1）掌握微程序控制器的組成原理。（2）掌握微程序的編制、寫入，觀察微程序的運行。

第四個問題：（1）在掌握部件單元電路實驗的基礎上，進一步將其構造成一臺基本模型計算機。（2）為該模型機定義五條機器指令，并編寫相應的微程序，調試掌握整機概念。要求首先設計數據通路框圖及微程序流程圖。[5]

第五個問題：多核技術中的并行體系與多核體系結構包括哪些知識點？

三、建立起自主探索與協作的實踐環節

問題驅動式學習旨在通過獨立分析和解決問題的過程來培養學生自主學習能力以及解決具體問題時的協作學習的能力。所謂的自主學習，就是以學生作為學習的主體，通過學生自己的努力，自覺、主動、積極地獲取知識。它要求學生在學習過程中獨立地分析、探索、實踐，充分發揮自身主動性，根據自身行動的反饋信息來形成對客觀事物的認識和解決實際問題的方法。協作學習是在自主學習的基礎上，通過小組協商討論的形式，進一步加深對知識的理解和認識。學生通過協作學習，可以看到問題的不同側面和解決方案，拓寬了學生解決問題的思路，對知識點也會有新的認識與理解。

四、建立起公平的實驗評價環節

教師對學生的實驗結果給出正確的評價，同時在實驗結果的基礎上擴展縱向或橫向思維，拓寬學生的思路，激發學生對計算機系統結構的學習興趣和競爭意識。在課程中，以小組為單位來完成實驗，然后大家交流心得，相互點評。評價的標準如下：一是在實驗中反映出學生對計算機系統結構知識點的掌握應用情況；二是小組內部成員的合作溝通能力；三是學生自主學習能力；四是學生的創新能力等。當要求學生在大家面前展示自己的實驗結果時，他們往往會完成得更好，細枝末節的問題也會考慮到。與此同時，同學間的相互交流能夠集思廣益，取長補短。通過實踐證明，公平的實驗評價環節是有效的、很有必要的，能鞏固知識、完善結構、開闊思路。[6]

五、總結

基于“問題驅動”的教學模式有很多，在《計算機系統結構》課程中就是讓學生在一個個典型的硬件工作原理和硬件處理“問題”的驅動下展開教學活動，引導學生由簡到繁、由易到難、循序漸進地解答一系列“問題”，從而得到清晰的思路、方法和知識脈絡，在解答“問題”的過程中，培養學生分析問題、解決問題以及掌握計算機硬件工作原理和處理信息的原理。進一步理解計算機軟件和硬件的協同工作機制，從而激發學生的求知欲望，提高學生的實戰能力。

參考文獻：

[1]劉夢龍.運用任務驅動教學法培養學生自主學習和協作學習的能力[J].職大學報：自然科學版，2003，（02）：115-116+54.

[2]王治.“任務驅動”教學法在《計算機系統結構》教學中的應用[J].硅谷，2009，（11）：155.

[3]鄧家宏.試論基于任務驅動的信息技術課程教學法[J].四川教育學院報，2005，（Zl）：170-171.

[4]張晨曦，王志英.計算機系統結構[M].北京：高等教育出版社，2008：43-47.

[5]Hennessy J L，Patterson D A.計算機系統結構：量化研究方法[M].北京：電子工業出版社，2007：45-104.

[6]游琪.項目驅動在數據結構實踐教學中的應用研究[J].軟件導刊，2010，（9）：187-188.