基于問題驅(qū)動法的計算機組成原理教學研究

邱寶林，劉德喜

（江西財經(jīng)大學信息管理學院，江西南昌 330013）

0 引言

在教育行業(yè)發(fā)展過程中，圍繞教師角色構(gòu)建而來的教學模式起到重要作用，但也存在不少問題與不足。在傳統(tǒng)教學模式中，教師的講授貫穿始終，學生成為被動接受者。這一教學特征非常不利于學生自主學習能力、創(chuàng)新能力等重要素質(zhì)的發(fā)掘與培養(yǎng)。因此，有必要探索能充分調(diào)動學生自主學習、自主思考積極性的以學生為中心的新型教學思路。

作為工科屬性明顯的計算機科學與技術(shù)專業(yè)，對所培養(yǎng)專業(yè)人才的自主學習能力、問題求解能力及創(chuàng)新能力等具有更高要求，而傳統(tǒng)教學模式無法很好地滿足其需求。近年來，計算機組成原理課程在計算機科學與技術(shù)專業(yè)中一直處于核心地位，且計算機組成原理與計算機系統(tǒng)等課程承擔著建立計算機系統(tǒng)觀的角色。在課程教學大綱中，在對硬件內(nèi)容進行簡化的同時，加強了知識之間，包括課程間知識的聯(lián)系，并強化了對原理的理解與掌握等。因此，有必要探索適用于具有大量難度高且抽象的知識點，且邏輯性強的計算機組成原理課程的高效教學模式。

1 相關(guān)研究

從傳統(tǒng)教學模式到翻轉(zhuǎn)課堂，教育教學的方法、理念均得到了持續(xù)進步。祝智庭等［1］對熱點教學模式翻轉(zhuǎn)課堂及其在國內(nèi)的應用實踐進行了深入分析與反思。現(xiàn)如今，翻轉(zhuǎn)課堂教學模式在藥劑學［2］、化學［3］、生物［4］、計算機［5］等學科領(lǐng)域得到了廣泛研究與應用。但計算機組成原理課程具有其自身的特點與難點，需要結(jié)合課程特征進行深入研究。如張文宇等［6］基于CDIO 教學模式構(gòu)建系統(tǒng)觀，培養(yǎng)學生的系統(tǒng)設(shè)計能力，對計算機組成原理教學改革進行研究；高美春［7］針對計算機組成原理教學過程中存在的問題，采用不同方法進行教學，形成多種教學方式混合的教學思路。

翻轉(zhuǎn)課堂模式以學生為中心，幫助其培養(yǎng)高階思維能力。因此，將翻轉(zhuǎn)課堂思想引入計算機組成原理教學的探索成為關(guān)注熱點。如張策等［8］提出以學生為中心的教改方案，在教師教學“過三關(guān)”的基礎(chǔ)上，從3 個層面實施教改方案；蘭勇等［9］在分析本課程難學、難教原因的基礎(chǔ)上，提出通過進一步凝練關(guān)鍵知識點進行教學方法創(chuàng)新的探索。

這些已有的教學探索具有十分積極的意義，而對于計算機組成原理這類難學、難教、難掌握的課程，需要繼續(xù)進行多方位、多思路的探索。因此，本研究在剖析課程本身及其教學難題的同時，進一步考慮人才培養(yǎng)、成長的根本目標，以期構(gòu)建有效而系統(tǒng)化的教學模式，培養(yǎng)具有優(yōu)異問題求解能力的計算機人才。

1.1 計算機組成原理難學原因分析

計算機組成原理內(nèi)容涉及面較廣，且知識點之間具有強耦合性，無法割裂、離散地各個擊破課程內(nèi)容，因此要求教師采用體系化、“瞻前顧后”的策略授課。通過回顧、分析課程實施情況，可簡要總結(jié)出如下幾方面課程難學的原因：①課程內(nèi)容繁多；②知識內(nèi)部關(guān)聯(lián)性極強；③先行知識儲備欠缺；④知識內(nèi)容趣味性不強；⑤學生投入時間難保證。

1.2 傳統(tǒng)教學模式在計算機組成原理教學中的弊端

（1）傳統(tǒng)教學模式的教與學。在該模式下，教師處于絕對的主體地位與中心。其教案設(shè)計是“批量化產(chǎn)出”思路下的產(chǎn)物，既要考慮促優(yōu)，又要顧全隊尾的學生。而且教師的有效教學活動主要集中于課堂內(nèi)，以教師主講的形式貫穿始終，學生則處于被動獲取知識的狀態(tài)。全班學生即使基礎(chǔ)水平參差不齊，也只能以相同的節(jié)奏、速度完成知識的掌握、積累與升華。這種教學方式不利于調(diào)動學生主動思考、自主探究的積極性，從而降低了教學效率。

（2）傳統(tǒng)教學模式考核。傳統(tǒng)教學模式下的考核機制呈現(xiàn)“滯后檢視，非與時俱進”的特征。這種為考而考的方式可實現(xiàn)教學結(jié)果展示，卻無法實現(xiàn)教學過程的即時矯正。傳統(tǒng)課堂開始前，通常以學生自發(fā)預習、自主找題自檢為主，一般不組織課前考核，教學效果主要通過平時成績和期末考試進行量化，例如平時成績和期末成績四六開或三七開。但對平時學習任務(wù)完成情況的考核遠不及期末考試規(guī)范，且與所采用的教學模式耦合度不高，無法很好地體現(xiàn)該教學模式的長處與不足。由于傳統(tǒng)教學模式下的考核體系以期末考試為重心，其分值占比較大，導致學生平時不重視學習，產(chǎn)生等期末臨時抱佛腳蒙混過關(guān)的僥幸心理，這也很好地解釋了為什么部分同學感覺結(jié)課后收獲不大。

1.3 經(jīng)典翻轉(zhuǎn)課堂教學理念在計算機組成原理教學中的弊端

翻轉(zhuǎn)課堂模式（Flipped Class Model，F(xiàn)CM）是一種重點培養(yǎng)學生自主學習與探究、協(xié)作、創(chuàng)新等能力的有效教學方案［10］。翻轉(zhuǎn)課堂與傳統(tǒng)教學模式最顯著的區(qū)別在于FCM 致力于構(gòu)建“以學生為中心”的主動式學習氛圍，以期獲得更佳的教學效果［11-12］。

計算機組成原理課程內(nèi)容具有一定的特殊性，因此已有學者開始審視在該課程教學實踐中單純采用FCM 的弊端［13］。由于計算機組成原理知識點抽象、邏輯性強且相互具有較強的耦合性和系統(tǒng)性，此外在單純的翻轉(zhuǎn)課堂教學模式中，學生的課前學習效果取決于學生本身，但學生的自主學習在未進行有效導引的情況下具有較強的盲目性。若采用不合理的教學方案將導致學生學習效果不佳，甚至進入惡性循環(huán)，將持續(xù)影響學生后續(xù)課程內(nèi)容的學習。因此，計算機組成原理課程不適合采用單純的FCM 教學。

2 問題導向的翻轉(zhuǎn)課堂教學模式

基于問題導向的教學模式可較好地降低自主學習過程中的盲目性，進而實現(xiàn)幫助學生培養(yǎng)問題求解能力、主動學習能力與創(chuàng)新能力的教學目標［14-15］。因此，綜合考慮計算機組成原理課程特性及教學模式需求，從兩個環(huán)節(jié)進行優(yōu)化改進：一是問題陣列設(shè)計：著力增強引導的有效性與合理性，深入分析課程涉及的知識脈絡(luò)后設(shè)計知識點體系，剖析各知識點的本質(zhì)問題，捋清問題之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系；二是教學模式優(yōu)化：著力增強教學模式的交互性、內(nèi)容具象性與反饋的暢通性，構(gòu)建以問題為驅(qū)動力的翻轉(zhuǎn)課堂改進教學模式。

在構(gòu)建問題導向的翻轉(zhuǎn)課堂教學模式（Problem-Based Flipped Class Model，PBFCM）過程中，問題蘊含于知識點中，問題陣列設(shè)計的合理性、耦合性與系統(tǒng)化將直接影響學生對知識的掌握情況。在教學模式執(zhí)行過程中，可根據(jù)實際需求適當引入仿真手段與輔助技術(shù)實現(xiàn)抽象知識的具象化展示，并設(shè)計課程反饋渠道與適合的考核模式。

2.1 教學模式

教學活動執(zhí)行包括以下5個組成部分：

（1）問題設(shè)計。在翻轉(zhuǎn)課堂教學模式下，學生的自主學習具有一定盲目性，需要教師進行適當?shù)囊龑c驅(qū)動。但如果教師提供的引導內(nèi)容事先未經(jīng)過嚴謹?shù)脑O(shè)計與思考，則極有可能適得其反。因此，課程問題的設(shè)計是否合理、有效，將直接關(guān)系到學生的學習效率與效果。

為了使學生的知識學習具有較強的系統(tǒng)性，并使前后知識保持較強的耦合度，首先對學生需要掌握的課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)進行深入分析（見圖1），然后從中凝練出蘊含相關(guān)知識點的一系列問題。學生通過分析與解決問題能較好地學習其中包含的知識點。

Fig.1 Analysis of curriculum knowledge structure圖1 課程知識結(jié)構(gòu)分析

可見，用于改進教學模式的系列問題設(shè)計需要考慮多方面情況，如學生的感興趣程度、學生學習當前知識點的基礎(chǔ)情況、問題難度、問題與知識點之間的關(guān)聯(lián)性等。因此，以下以“原碼一位乘法算法”知識點的教學為例進行說明。

設(shè)X=– 0.110 1，Y=0.101 1，計算X×Y。考慮設(shè)計如下問題供學生課前進行自主學習：

問題1：結(jié)合乘法運算規(guī)則分析X×Y的詳細步驟，然后在紙上完整寫出詳細的筆算過程。

問題2：筆算中乘積的符號位如何處理？

問題3：筆算中根據(jù)什么決定是否加被乘數(shù)？

問題4：筆算產(chǎn)生的4 個部分積相加是幾位加法？物理實現(xiàn)時是否方便？

問題5：計算機執(zhí)行計算時通常是兩個數(shù)同時進行運算，而筆算中兩個4 位乘數(shù)相乘會涉及4 個部分積同時相加，計算機實現(xiàn)運算時該如何解決這一問題？

問題6：考慮使用3 個寄存器分別存儲被乘數(shù)、乘數(shù)、部分積。相比X和Y，乘積位數(shù)擴大一倍將增加物理實現(xiàn)開銷，思考一下是否可將筆算中某些數(shù)據(jù)適當移位來實現(xiàn)計算機的原碼一位乘法？基于該思路，使用提供的課前學習素材自主學習由筆算改進的原碼一位乘法。

（2）基于問題導向的課前素材設(shè)計。課前自主學習需要有效資源的輔助才能使學習效果事半功倍，因此學生使用的素材資源并不是隨意提供的，需要基于設(shè)計的導向問題精心組織，以便學生在清晰問題的導引下結(jié)合相應學習素材方便地進行學習。

科學、合理、精心設(shè)計的課前素材不僅能對導向問題進行各個擊破，而且有利于學生將其與相關(guān)聯(lián)的知識點串聯(lián)起來，為將來系統(tǒng)掌握計算機組成原理內(nèi)容打下基礎(chǔ)。學生課前通過對知識點相關(guān)問題的自主分析與查閱資料等，最終解決導向問題或凝練疑問以便課堂進行提問與討論。

（3）自主學習設(shè)計。自主學習以學生自律為主，教師干預相對較弱，因此對一部分自律性不強、學習無規(guī)劃的學生具有一定挑戰(zhàn)性。但是，學生課前的自主學習情況將直接關(guān)聯(lián)后期教學活動的開展，并影響學生對課程內(nèi)容的最終掌握情況。因此，在改進的FCM 教學模式中需要隱性設(shè)計一些干預措施，使學生的自主學習具有更強的可控性。

結(jié)合本課程情況，在本環(huán)節(jié)中設(shè)計一些與導向問題、知識點相關(guān)的前期自主學習小測試，測試中的試題類型主要分為“按圖索驥”型和“發(fā)散思維”型。所謂“按圖索驥”型試題是一些鞏固知識點的基礎(chǔ)題，不需要太苛求深度和難度，但需要注意廣度，盡量使學生在課前全面掌握概念性基礎(chǔ)知識；“發(fā)散思維”型試題則不一定需要標準答案，可考慮通過該類型試題發(fā)人深思或綜合掌握關(guān)聯(lián)知識點，使學生開放地思考當前知識點相關(guān)內(nèi)容，如當前知識點的前沿研究、應用該知識點的新興技術(shù)等。

該測試教師不直接參與批改，而是由不同小組之間進行交換評閱批改，以期引起學生之間更大范圍的討論交流，既能調(diào)動學生積極性，又能激發(fā)學生的自主思考，甚至迸發(fā)創(chuàng)新性想法。

（4）課堂執(zhí)行。在課堂執(zhí)行方式方面，可根據(jù)教學內(nèi)容靈活選擇傳統(tǒng)板書教學、多媒體教學、實物教學、虛擬現(xiàn)實教學等方式，不同的課堂執(zhí)行方式適合不同內(nèi)容的教學。例如，虛擬現(xiàn)實教學方式可給學生以身臨其境、沉浸式的學習體驗，從而使枯燥的學習變得生動有趣，也使學生能夠更加直觀、深刻地學習對應知識點。

在課堂執(zhí)行過程中，能否做好師生互動、生生互動，能否真正讓學生投入到課堂中也會影響學習效果。因此，為了更好地激發(fā)學生的興趣和互動積極性，可靈活使用調(diào)查問卷、投票、分組任務(wù)、隨機選人、搶答等多種線上教學手段，以便更好地滿足課程教學需求。

針對計算機組成原理課程，設(shè)計以下課堂活動：首先進行成果匯報，各小組匯報本小組的自主學習情況及相關(guān)疑問；然后進行問題討論，教師結(jié)合各小組的自主學習情況與學生互動，引導學生自主分析課前問題，找到解決問題的思路，同時指出當前課程內(nèi)容的難點與要點；最后進行分組交流，各小組交流評閱自主學習小測試情況，教師也可以安排適當?shù)姆治霭咐W生交流討論；最后在回顧知識的基礎(chǔ)上對課程內(nèi)容進行總結(jié)提升，并對各個小組的表現(xiàn)進行點評、建議。

（5）教學效果溝通。學生以“課課報”的形式簡單匯報自己在本次課程中的收獲，同時針對教學方式、素材資源、改進意見等提交簡短的文字匯報。通過該環(huán)節(jié)可對教學模式進行持續(xù)改進，以實現(xiàn)更好的教學效果。

2.2 考核模式

對于基于問題導向的翻轉(zhuǎn)課堂改進教學模式而言，要翻轉(zhuǎn)的不僅僅是教與學的順序，還需要有與之對應的效果評估與考核機制。因此，在計算機組成原理考核模式中設(shè)計個人表現(xiàn)考評、階段測試、期中考核、期末考核，各部分比例分別為課程最終總成績的25%。其中，個人表現(xiàn)考評由自評、組內(nèi)他評、教師考評構(gòu)成，占比分別為30%、30%、40%。自評分數(shù)由學生結(jié)合自己的表現(xiàn)給出；組內(nèi)他評由同組其他組員根據(jù)其在團隊中的任務(wù)承擔情況、問題分析和討論情況及任務(wù)完成情況等給出，然后取平均分；教師考評則由教師根據(jù)學生的課堂表現(xiàn)、交流互動情況判斷學生的表達能力、問題分析能力、創(chuàng)新能力及應用能力等，然后綜合進行評分。

階段測試是根據(jù)章節(jié)教學的推進靈活安排多次考核，以持續(xù)掌握學生學習效果。階段測試在線上完成，測試題目為客觀題時直接由平臺評閱打分，如本課程使用的超星平臺；如果有較多主觀分析題時，則采用分組之間交叉評閱的方式打分。

表1、表2 為采用基于問題驅(qū)動法的翻轉(zhuǎn)課堂教學前后課程考核結(jié)果對比。由表中展示的考核數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，高分分數(shù)段占比得到了較大提升，特別是［100-90］分數(shù)段人數(shù)百分比由1.89%提升至13.89%；及格率由90.57%提升至97.22%，不及格率明顯下降；平均成績由69.53 分提升至78.03 分。說明設(shè)計合適的自主學習問題，并輔以與其相適應的學習資源，通過改進翻轉(zhuǎn)課堂教學方式可達到提升學生成績的基本目標，并能有效培養(yǎng)學生的問題發(fā)現(xiàn)、分析、求解能力與創(chuàng)新思維。

Table 1 Examination results of the course before problem-oriented FCM improved teaching model表1 采用基于問題驅(qū)動法的翻轉(zhuǎn)課堂教學前課程考核結(jié)果

Table 2 Examination results of the course after problem-oriented FCM improved teaching model表2 采用基于問題驅(qū)動法的翻轉(zhuǎn)課堂教學后課程考核結(jié)果

3 結(jié)語

對于具有理論抽象、邏輯性強、知識點難等特征的計算機組成原理課程，本文基于問題驅(qū)動法探索該課程的教學模式改革，其教學效果的實現(xiàn)也要求有效、暢通的督導以及豐富多樣的興趣激勵手段。因此，后續(xù)將從該角度出發(fā)繼續(xù)發(fā)掘此方案的不足，以培養(yǎng)具有良好問題分析與解決能力、創(chuàng)新能力的計算機人才為目標，進一步完善相關(guān)教學模式。