面向“興趣、基礎、能力、素養(yǎng)”四位一體的“計算機系統(tǒng)”課程教學研究

葛永新 楊正益 范琪琳 蔡斌 熊慶宇

摘要：文章分析了“計算機系統(tǒng)”課程教學中存在的主要問題，提出從“興趣基礎 能力 素養(yǎng)”的多層次課程任務入手，通過對任務組織以及教學方式和評價方式等進行改革，幫助學生掌握基礎知識，培養(yǎng)學生的專業(yè)興趣，提升學生的專業(yè)實踐能力;同時探索課程知識點與思政元素的切入點，拓展思政建設的途徑和方法，提高學生科學方法、職業(yè)規(guī)劃、為人處世和道德修養(yǎng)等方面的素養(yǎng)。

關鍵詞：“計算機系統(tǒng)”課程;教學方式;思政元素

中圖法分類號：TP316

文獻標識碼：A

Teaching research on "computer system" course oriented to

four-in-one of¨interest， foundation， ability and literacy"

GF Yongxin， YANG Zhengyi， FAN Qilin， CAI Bin， XIONG Qingyu

（School of Big Data&. Software Enginccring， Chongqing Univcrsity， Chongqing 40133l. China）

Abstract：The article analyzes the main problems existing in the teaching of "computer systems"course， proposes to start with the multi-level course tasks of "interestfoundation-ability-literacy"，and help students to master the basic knowledge through the reform of task organization， teachingmethods and evaluation methods， cultivate students' professional interests， improve students'professional practice ability. We also explore the entry point of course knowledge points andideological and political elements， expand the ways and methods of ideological and politicalconstruction， and improve students' scientific methods， career planning， life and moral cultivation，etc. aspects of literacy.

Key words ： "computer system" course， teaching method ，ideological and political elements

2018年，重慶大學大數據與軟件學院是全國首批獲批“人工智能”和“數據科學與大數據技術”專業(yè)建設資格的高校。為適應人工智能和數據科學與大數據技術專業(yè)的建設，重慶大學大數據與軟件學院對新生開設“計算機系統(tǒng)”課程，作為兩門新專業(yè)的基礎必修課程。該課程是新生人校后的第一門專業(yè)課程，教學內容涵蓋軟件工程和計算機科學的重要基礎理論和核心概念。本課程旨在使學生理解和掌握計算機的底層結構和運行機制。從底層基礎知識開始，逐步上升到操作系統(tǒng)和高級語言的接口層，以便能理解真實計算機的工作原理。其日的是讓學生在進人大學校門的時候就對計算機有深入理解，為以后的課程學習打下堅實的基礎[1]。

學生學習“計算機系統(tǒng)”課程中需要實現以下幾點基本目標：（1）興趣貢獻。使學生掌握計算機底層工作原理，激發(fā)學生的學習興趣和熱情，從而具備較強的軟件工程領域的自學能力。（2）基礎貢獻。使學生具備基于位（ bit）的算術和邏輯運算操作。（3）能力貢獻。使學生理解計算機底層運作的基本理論和流程，提升學生高級語言的編程能力。（4）素養(yǎng)貢獻。通過傳授計算機系統(tǒng)的基本概念，使學生站在更高的角度去適應軟件工程行業(yè)的快速發(fā)展，這對于有志成為計算機科學家或計算機工程師的學生而言至關重要。

1 “計算機系統(tǒng)”課程教學中存在的問題

在“計算機系統(tǒng)”課程教學過程中，通過對學生學習效果進行分析，發(fā)現存在以下問題。

（1）教學過程枯燥，教師講解抽象。在實際的教學中，由于傳統(tǒng)的“計算機系統(tǒng)”課程課時少、內容多，涉及知識廣，尤其是作為學生進入大學的第一門專業(yè)課程，大部分學生都是首次接觸相關知識，因此教學中容易使學生感到枯燥，且教師講解抽象，從而在學習中產生消極、怠慢的情緒。

（2）教學內容理論性過強且較陳舊。教學內容知識點多而雜，導致學生只顧記憶知識點，卻忽視了對人工智能和數據科學專業(yè)學科知識體系和核心內容的理解。此外，“計算機系統(tǒng)”作為人工智能和數據科學與大數據技術專業(yè)學生入學的第一門專業(yè)基礎課程，不僅要求學生熟練掌握計算機底層和程序設計相關的基礎知識，還要求教師關注對學生在人工智能和數據科學與大數據技術專業(yè)領域科學精神和科學方法的培養(yǎng)，以為學生大學階段探索能力、實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)打下堅實的基礎[2]。

2 “計算機系統(tǒng)”課程教學改革的思考

“計算機系統(tǒng)”課程在原有課程內容的基礎上，貫徹教育部新修訂的《普通高等學校學生管理規(guī)定》中“以學生為本”的教育原則，根據學生的實際情況和需要，從“興趣一基礎一能力一素養(yǎng)”的多層次課程任務人手（圖1），通過多層次任務幫助學生掌握基礎知識，培養(yǎng)學生的專業(yè)興趣、科學精神和科學方法。為了實現該目標，筆者通過近幾年的教學實踐，認為在該課程教學中應從任務組織、教學方式及評價方式等多方面人手。

（1）將情境教學法引入“計算機系統(tǒng)”教學中，充分激發(fā)學生的學習興趣。情境教學法是指教師在課堂上有目的地創(chuàng)設或引入具有一定情緒色彩的、生動具體的、以形象為主題的場景[3]。通過營造這樣的氛圍，學生在可感知的、立體式的、易于理解的知識體驗中進行學習。例如，對于內存這部分內容，由于其理論性和邏輯性較強，如果按照教材為學生進行講解，學生可能會感到枯燥，毫無學習興趣甚至厭學。所以，在課堂上可以設計一個生活的實例，如在介紹內存的結構過程中，基于其邏輯電路圖的結構，我們設計了這樣的情景：將內存比作一棟宿舍樓，具體類比如表l所列。通過該類比的情景設計，學生自然很順利地理解了這個知識點。另外，對于從內存巾裝載數據，就可以類比于去宿舍樓找學生;向內存中存儲數據，就可以類比于給宿舍的床鋪安排新的學生：內存的管理室就相當于內存的MDR和MAR。因此，情境教學法的目的在于充分挖掘學生主動參與學習的潛力，提升學生自我汲取知識的能力，從而打破傳統(tǒng)教育“滿堂灌”的現象。

（2）將計算創(chuàng)造性思維能力的培養(yǎng)引入“計算機系統(tǒng)”課程教學中，培養(yǎng)學生的專業(yè)素養(yǎng)。“計算創(chuàng)造性思維”是計算思維和創(chuàng)造性思維的結合，是一種在新的環(huán)境或合作的場景中，通過融合這兩種思維，拓寬問題解決方案的認知手段。比如，對于二進制補碼部分內容，如果直接給學生講解補碼是最適合計算機運算的，學生肯定很難理解。但如果結合探尋二進制表示的歷史過程，學生不僅會很輕松理解二進制補碼部分內容，而且還能學習到解決問題的一種創(chuàng)新思維[4]。

為了更好地在課堂教學中引入“計算創(chuàng)造性思維”，我們還提出了理論授課與專題講座、研討相結合的互動教學模式。該模式主要通過教師的引導，培養(yǎng)學生探索計算機系統(tǒng)技術的能力，增強學習和研究的綜合能力，帶領學生研究討論前沿技術，包括大數據和人工智能前沿學術研究成果，主要以項目和論文的形式為主：適當介紹和課程相關的工業(yè)成果以及最新的且市場上普遍采用的智能產品研討。通過介紹、分析和討論最新的大數據和人工智能成果，尤其是和“計算機系統(tǒng)”課程相關的成果，培養(yǎng)學生在了解人工智能和大數據高速發(fā)展的背景下，計算機系統(tǒng)的最新發(fā)展及趨勢，培養(yǎng)學生對“計算機系統(tǒng)”課程學習的興趣，增強獨立解決實際問題的能力，提高學生的科研素養(yǎng)與創(chuàng)新意識[5]。

將“計算創(chuàng)造性思維”的訓練與“計算機系統(tǒng)”課程有機融合，將知識的傳授升級為基于知識的思維傳授，讓學生在課堂教學巾充分體驗到“計算創(chuàng)造性思維”的價值，將對學生大學四年的人丁智能和數據科學與大數據技術專業(yè)課程的學習具有良好的啟發(fā)作用，從而提高對人工智能和數據科學與大數據技術專業(yè)的專業(yè)認同感和專業(yè)素養(yǎng)。

（3）“計算機系統(tǒng)”課程思政元素的融人：為把課程思政元素自然、無縫地融人課程知識點的教學中，需要通過關聯和類比等方式將職業(yè)規(guī)劃、處事方式、道德修養(yǎng)等思政內容與課程知識點的切人進行精心設計。比如，指令處理的七個步驟分別是取指令、譯碼、地址計算、取操作數、執(zhí)行和存放結果，但并不是每條指令都要經歷這七個步驟。在講解該知識點時，可以類比大學生自身的職業(yè)規(guī)劃，如大家可以選擇公司實習、考研、考公務員、參軍入伍等。教師進一步和學生探討，不同的職業(yè)規(guī)劃，可以如何做出相應的選擇，而不是去經歷得越多越好，并且根據控制指令的思想，有時職業(yè)規(guī)劃也需要基于不同的選擇，做跳躍式的選擇。此外，在講解數據搬移指令時，指出不同的尋址模式是分別借助不同的中間數據完成的，如寄存器、指令地址和內存地址。同時，可以適當啟發(fā)學生，在平時解決問題或與他人相處時，應該根據具體問題或對象，選擇合適的處理方式，提升個人的道德修養(yǎng)[6]。

（4）側重興趣和素養(yǎng)的考核方式：“筆試成績+平時成績+課程匯報”。考核成績累計方式主要從“筆試成績+平時成績（包括平時作業(yè)和課堂情境討論）+課程匯報”等幾個方面對學生面對問題求解的能力進行綜合考查。其中，課堂情境討論是指教師在設置情境討論的時候，應適當設置學生參與環(huán)節(jié)，通過評估學生的參與情況，對學生進行打分。課程匯報是指主要考查學生在相關課程的學習過程中，對“計算創(chuàng)造性思維”和思政教育的理解。可以結合書本、課程甚至課外的實例，讓學生分享在“計算創(chuàng)造性思維”和思政教育方面的一個或多個收獲。

（5）立足實時情況調查的教學任務迭代改進。在教授完課程的重難點或講解完重點章節(jié)的全部習題后，每學期對學生做2-3次問卷調查，根據學生反饋的信息，對下一年的教學任務進行調整，以更好地滿足學生的需求。

3 結束語

本文針對傳統(tǒng)“計算機系統(tǒng)”課程教學中存在的教學過程枯燥、教師講解抽象、教學內容理論性過強等問題，剖析其背后原因，從多層次課程任務人手，探索“興趣一基礎一能力一素養(yǎng)”互促互進的新教學模式。圍繞該模式，從提升學生學習興趣和專業(yè)素養(yǎng)的層面出發(fā)，將情景設計、“計算創(chuàng)造性思維”設計和課程思政教育很好地融人課程的知識點教學中，并不斷接收學生的反饋，迭代更新教學日歷，取得了顯著成效，2019年和2020年課程學生教評均名列前茅，為大一專業(yè)基礎類課程的教學改革實踐提供了參考。

參考文獻：

[1]陸楓.面向大數據時代的計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)改革與實踐[J].計算機教育，2017（3）：33-36.

[2]吳強，彭蔓蔓.計算機系統(tǒng)結構課程在線研討式教學實踐[J].計算機教育，2021（10）：72-75.

[4]艾明晶.大學計算機課程的研討式教學模式探索[J].計算機教育，2019（4）：56-60.

[5]施青松，陳文智.強化計算機課程貫通教學深入面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)[J].中國大學教學，2014（12）：61-65.

[6]邊玲燕，史海濤.基于案例教學的“計算機系統(tǒng)基礎”課程教學研究[J].科技與創(chuàng)新，2021（19）：99-100.

作者簡介：

葛永新（1981-），博士，副教授，研究方向：計算機視覺、機器學習和大數據智能等。