基于案例教學(xué)的“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程教學(xué)研究

邊玲燕，史海濤

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū)，新疆 克拉瑪依 834000）

“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”（ICS）是計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生必修的主干課程，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的核心課程[1]。然而，計(jì)算機(jī)內(nèi)部原理的非直觀性給“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”的教學(xué)過(guò)程帶來(lái)了如下挑戰(zhàn)：①難學(xué)難教。“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程知識(shí)點(diǎn)密集且知識(shí)點(diǎn)大多生澀抽象，硬件基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生很難理解，勢(shì)必造成本門(mén)課程難學(xué)難教的現(xiàn)狀。②知識(shí)點(diǎn)組織松散。復(fù)旦大學(xué)張為華教授[1]指出“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”教學(xué)效果不夠理想的一個(gè)主要原因是現(xiàn)有教材的內(nèi)容組織存在不足，使學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解存在片面性。另外，授課過(guò)程中沒(méi)有考慮與前導(dǎo)課程之間的銜接，無(wú)形中提高了入門(mén)難度。不僅是復(fù)旦大學(xué)，這也是中國(guó)高校“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”授課過(guò)程中存在的普遍問(wèn)題。

傳統(tǒng)理論課授課方法以“講授法”為主，忽略了學(xué)生的主觀能動(dòng)性。案例教學(xué)法強(qiáng)調(diào)可操作性和實(shí)踐性，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，達(dá)到了抽象理論知識(shí)向具象實(shí)踐應(yīng)用轉(zhuǎn)化的目標(biāo)[2]。良好的教學(xué)案例能夠體現(xiàn)知識(shí)的完整結(jié)構(gòu)，通過(guò)典型的案例分析引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考、討論、質(zhì)疑和解決問(wèn)題，從而更加激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的熱情。“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)為案例教學(xué)融入“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”提供了可能。

1 融入案例教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程教學(xué)過(guò)程中涉及的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本原理是全方面的，例如處理器架構(gòu)、存儲(chǔ)架構(gòu)、程序的機(jī)器級(jí)表示、程序鏈接等。在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”理論知識(shí)的教學(xué)過(guò)程往往枯燥且難以理解。案例教學(xué)法可以使學(xué)生直觀感受到如何將理論知識(shí)應(yīng)用到計(jì)算機(jī)實(shí)際問(wèn)題中，激發(fā)學(xué)生課堂積極性，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)整體系統(tǒng)的認(rèn)知能力。

1.1 抽象知識(shí)具象化

“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”涉及的計(jì)算機(jī)原理大都在芯片內(nèi)部，例如數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、指令的執(zhí)行等這類學(xué)習(xí)內(nèi)容生澀抽象。結(jié)合實(shí)際教學(xué)案例和多媒體，學(xué)生可以直觀體會(huì)所學(xué)知識(shí)的具體應(yīng)用過(guò)程。具有可操作性的教學(xué)案例使抽象知識(shí)具象化，課堂知識(shí)更生動(dòng)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識(shí)的興趣[3]。

1.2 知識(shí)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)化

“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程內(nèi)容組織存在不足。在傳統(tǒng)授課模式下，各個(gè)知識(shí)點(diǎn)獨(dú)立，缺少與先修課程中相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的聯(lián)系，增加了整體系統(tǒng)認(rèn)知的難度。案例教學(xué)有助于培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)能力。良好的教學(xué)案例可體現(xiàn)知識(shí)的完整結(jié)構(gòu)，有意識(shí)地構(gòu)建系統(tǒng)化的教學(xué)案例，挖掘知識(shí)背后的內(nèi)容，通過(guò)實(shí)際的教學(xué)案例引導(dǎo)學(xué)生把握各知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，進(jìn)而逐步提高計(jì)算機(jī)專業(yè)系統(tǒng)能力。從本質(zhì)上說(shuō)就是引導(dǎo)學(xué)生把教材中蘊(yùn)含的知識(shí)結(jié)構(gòu)、理論邏輯轉(zhuǎn)化為自己的認(rèn)知結(jié)構(gòu)[4]。

1.3 理論與實(shí)踐相結(jié)合

傳統(tǒng)教學(xué)模式以教師講授理論知識(shí)為主，課堂氣氛沉悶，影響學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。對(duì)于“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”這類應(yīng)用性強(qiáng)的課程，合理的案例教學(xué)能夠?qū)⒖菰锏睦碚撝R(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，不僅能夠深化學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，而且可以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的結(jié)合。

2 案例教學(xué)法的設(shè)計(jì)與實(shí)施

2.1 知識(shí)點(diǎn)梳理

“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程授課過(guò)程存在挑戰(zhàn)的原因之一是知識(shí)點(diǎn)散亂，與先修課程聯(lián)系緊密但缺乏銜接。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是相互協(xié)調(diào)的完整系統(tǒng)。傳統(tǒng)課程體系中，計(jì)算機(jī)的基本原理分散在各個(gè)章節(jié)，割裂了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概念之間的聯(lián)系[1]。Bryant 的教材[1]按照程序的表示、組織、運(yùn)行和相互間交互的自然順序組織，教材內(nèi)容與先修課程聯(lián)系緊密，但是缺乏知識(shí)點(diǎn)之間的過(guò)渡。本校“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程一般在大二開(kāi)設(shè)，其先修課程“數(shù)字邏輯”在大一開(kāi)設(shè)。先修課程與“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程分處不同學(xué)年，雖然提供了充裕的學(xué)習(xí)時(shí)間，但是割裂了課程之間的連續(xù)性，不利于整體把握。為更高效改善教學(xué)現(xiàn)狀，首先對(duì)先修課程中“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程所涉及到的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行梳理，確定教學(xué)內(nèi)容中欠缺的先導(dǎo)知識(shí)點(diǎn)，促進(jìn)課程間的銜接。通過(guò)與學(xué)生交流，結(jié)合自身教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，分析歸納“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程教學(xué)過(guò)程中需要融合案例教學(xué)法的困難知識(shí)點(diǎn)。

2.2 教學(xué)案例設(shè)計(jì)

依據(jù)“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”具體教學(xué)要求和教學(xué)大綱，對(duì)歸納總結(jié)出的困難知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行案例設(shè)計(jì)。優(yōu)秀案例的設(shè)計(jì)要求教師充分掌握課外計(jì)算機(jī)案例與課程內(nèi)容之間的聯(lián)系，能夠融合相關(guān)各類理論知識(shí)。除此之外，良好的案例設(shè)計(jì)還需要考慮案例的可操作性、生動(dòng)性，從而達(dá)到降低課程教學(xué)難度的目的。

針對(duì)不同困難知識(shí)點(diǎn)的困難之處，設(shè)計(jì)了不同的教學(xué)案例。例如：對(duì)于抽象知識(shí)點(diǎn)“數(shù)據(jù)的大端/小端存儲(chǔ)方式”，要求學(xué)生編寫(xiě)C 語(yǔ)言代碼檢測(cè)個(gè)人電腦屬于哪種存儲(chǔ)方式，并利用所學(xué)知識(shí)分析結(jié)果。該案例設(shè)計(jì)融合了硬件理論與高級(jí)語(yǔ)言編程，實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐的結(jié)合，體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體性。對(duì)于與先修課程聯(lián)系緊密的知識(shí)點(diǎn)“算術(shù)邏輯單元（ALU）的構(gòu)成”，為方便學(xué)生理解ALU 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將復(fù)雜知識(shí)點(diǎn)拆解為循序漸進(jìn)的四個(gè)子任務(wù)，即一位加法器的構(gòu)建、四位串行加法器的構(gòu)建、四位可控加減法器的構(gòu)建、四位算術(shù)邏輯單元的構(gòu)建，為每個(gè)子任務(wù)設(shè)計(jì)相應(yīng)的可操作案例。根據(jù)ALU 自然發(fā)展順序，抽絲剝繭層層拆分，有助于學(xué)生深入了解ALU 發(fā)展，避免必要系統(tǒng)知識(shí)的缺失。

2.3 案例教學(xué)實(shí)施

案例教學(xué)實(shí)施過(guò)程可以分為創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境、案例展示分析、評(píng)價(jià)反饋。

2.3.1 創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境

由于內(nèi)容復(fù)雜概念抽象，單純采用“講授法”往往導(dǎo)致部分學(xué)生跟不上課堂節(jié)奏，學(xué)習(xí)積極性嚴(yán)重被打擊，這并不利于教學(xué)活動(dòng)的正常展開(kāi)。案例教學(xué)最直觀的教學(xué)方法體現(xiàn)在創(chuàng)立一種良好的情景教學(xué)模式，在日常教學(xué)中適時(shí)創(chuàng)設(shè)有效的教學(xué)情境有助于吸引學(xué)生注意力，提高學(xué)習(xí)主動(dòng)性。這就要求教師在課堂教學(xué)中能將理論知識(shí)與案例融會(huì)貫通，適時(shí)引出教學(xué)案例，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。教學(xué)情境的創(chuàng)設(shè)方式多種多樣，可以通過(guò)多媒體演示、實(shí)物演示、歷史故事講解，也可以與實(shí)際案例展示相結(jié)合。比如，在學(xué)習(xí)知識(shí)點(diǎn)“馮諾依曼結(jié)構(gòu)”時(shí)，通過(guò)名人軼事引出馮諾依曼結(jié)構(gòu)的由來(lái)；在講授知識(shí)點(diǎn)“磁盤(pán)結(jié)構(gòu)”時(shí)，通過(guò)磁盤(pán)實(shí)物激發(fā)學(xué)生的好奇心，進(jìn)而引出磁盤(pán)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理；在學(xué)習(xí)“數(shù)據(jù)的大端/小端存儲(chǔ)方式”時(shí)，向?qū)W生們展示相同C 程序在不同存儲(chǔ)方式機(jī)器上的運(yùn)行結(jié)果不同，這與學(xué)生原有認(rèn)知相悖，必然會(huì)激發(fā)學(xué)生的求知欲，由此引出理論知識(shí)便順理成章。在枯燥的理論授課中穿插生動(dòng)有趣的教學(xué)情境，有助于提高學(xué)生的課堂注意力。

2.3.2 案例展示講解與拓展

案例教學(xué)過(guò)程按照案例展示、案例講解、案例拓展的順序展開(kāi)。

將教學(xué)案例效果展示放在第一步可以有效抓住學(xué)生的目光，使學(xué)生帶著疑問(wèn)進(jìn)入接下來(lái)的環(huán)節(jié)，相比于單一的講授方式更能激發(fā)學(xué)生的好奇心和學(xué)習(xí)熱情。在此基礎(chǔ)上，教師作為主導(dǎo)分析講解教學(xué)案例，由此引出教學(xué)內(nèi)容；學(xué)生作為主體，積極參與案例的討論分析。案例拓展階段需進(jìn)一步深化案例教學(xué)，將知識(shí)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用，提出更深層的問(wèn)題，要求學(xué)生根據(jù)所學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)案例效果的實(shí)現(xiàn)方式。大大激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，理論教學(xué)與案例實(shí)踐相結(jié)合充分體現(xiàn)了學(xué)生的主觀能動(dòng)性。

下面以知識(shí)點(diǎn)“數(shù)據(jù)的大端/小端存儲(chǔ)方式”為例對(duì)案例教學(xué)過(guò)程展開(kāi)講解。在案例展示階段，教師運(yùn)行案例代碼展示教師機(jī)的存儲(chǔ)方式，展示同一高級(jí)語(yǔ)言代碼在不同機(jī)器上的不同運(yùn)行結(jié)果，從而激發(fā)學(xué)生的求知欲。在案例講解階段，學(xué)生帶著疑問(wèn)進(jìn)入理論知識(shí)講授環(huán)節(jié)，教師為主導(dǎo)引出教學(xué)內(nèi)容“大端/小端存儲(chǔ)方式”，并講解相關(guān)內(nèi)容。在案例拓展環(huán)節(jié)，基于學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)C 語(yǔ)言，學(xué)生結(jié)合union 類型及大端/小端存儲(chǔ)方式的特點(diǎn)設(shè)計(jì)C程序判斷PC機(jī)存儲(chǔ)方式。該教學(xué)案例考慮了計(jì)算機(jī)專業(yè)的系統(tǒng)性，使知識(shí)點(diǎn)連貫，真正將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化成了應(yīng)用實(shí)踐。

2.3.3 評(píng)價(jià)反饋

教師對(duì)學(xué)生案例作業(yè)完成情況進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，一方面幫助學(xué)生進(jìn)一步擴(kuò)寬思維，實(shí)現(xiàn)新的突破；另一方面，可以根據(jù)學(xué)生的實(shí)踐結(jié)果及課堂反饋及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的教學(xué)問(wèn)題。良好的評(píng)價(jià)反饋環(huán)節(jié)有助于實(shí)現(xiàn)教學(xué)效果最大化。

3 結(jié)束語(yǔ)

將案例教學(xué)法融入“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程，實(shí)現(xiàn)了理論教學(xué)與實(shí)踐應(yīng)用的結(jié)合，充分發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，促進(jìn)了學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。結(jié)合案例教學(xué)法的優(yōu)勢(shì)，“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程教學(xué)取得了一定的教學(xué)成果。經(jīng)過(guò)兩屆教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，學(xué)生課堂成績(jī)與課堂滿意度均有顯著上升，提高了學(xué)生綜合理解系統(tǒng)能力和動(dòng)手能力。