基于计算思维的计算机硬件课程教学模式改革

葛方振　刘怀愚

摘要：培养大学生的计算思维能力已经是高校计算机教育的共识。在分析当前计算机硬件课程教学模式存在的普遍问题，结合计算思维的基本原理，提出了计算机硬件课程教学模式改进的方法，为计算机硬件课程教学改革提供了一种新思路。

关键词：计算思维；计算机硬件课程；教学模式

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）13-0125-03

Abstract： The cultivation of college students' computational thinking ability is the consensus of the computer education in colleges and universities. A method to improve the teaching mode of computer hardware courses is put forward by combining with the basic principles of computational thinking and analyzing the existing problems in the teaching mode of computer hardware courses， which provides a new way for the teaching reform of computer hardware courses.

Key words： Computational Thinking； Computer Hardware Course； Teaching Mode

1 引言

随着计算机科学与技术的发展，不同的高校开设计算机专业的课程有很大的差异，因而许多高校教师面临一些困惑。如，快速发展的计算机技术，使专业课程教学内容面临取舍问题、教学内容选择问题、学时数问题、教学与实践的学时分配问题等。2006年周以真[1]提出了“计算思维”的概念，给国内外教育工作者指明了计算机教育的目标是培养学生的计算思维能力。随后计算思维在国内外计算机界引起广泛关注，计算思维迅速成为了计算机教育研究的重要问题[2-5]。2011年四川师范大学的牟琴和谭良[6]对计算思维的研究情况做了较为详细的阐述和总结，并进一步提出展望。总体看来，教育工作者们对计算思维的理解不尽相同，甚至差别较大，但普遍认为计算机教育的核心任务是培养学生的计算思维能力，是业已形成的共识[7]。然而如何将这种共识变成完整的行之有效的方法体系，仍然需要继续探讨和坚持不懈的实践。

面对大学计算机专业的“知识空间”，战德臣、聂兰顺[8]从宏观上提出了“计算之树”描述计算技术和计算系统，并给出了一个大学计算机课程改革方案。朱亚宗[9]提出了计算思维的基本原理，包括三点：一是可计算性原理，二是形理算一体原理，三是机算设计原理。我们认为这至少从计算机的产生过程方面对计算思维的基本原理有了较为深刻的理解。本文试图结合文献[9]的计算思维的基本原理，根据计算机硬件课程的特点，提出计算机硬件课程教学改革的模式。

2 计算思维的基本原理

2.1 可计算性原理的核心是递归

计算在人类社会发展中是必不可少的工具。不过，人们一直较为直观认为：计算就是按照预定的规则，将一些原始数据变换成另一些需要的数据的处理过程。那么，按照确定的规则，将给定类型问题中的任何具体问题在有限步内完成求解，便称为这类问题是可计算的。但进入20世纪，人们发现很多问题找不到算法，例如：半群的字的问题，希尔伯特第10问题等。这时人们反思，尽管通过构造出的方法能够解决一些问题，但对计算的理解依然不明确。

美国数学家Kurt Godel于1934年提出了一般递归函数的概念，并给出了重要论断：凡算法可计算的函数都是一般递归函数，反之亦然。1936年，著名的“丘奇论点”指出算法可计算函数等同于一般递归函数或λ可定义函数。就这样，经历数学教们的努力，可计算函数有了严格数学定义，但对具体的某一步运算，选用什么初始函数和基本运算仍有不确定性。为此，Turing在“论可计算数及其在判定问题中的应用”一文中，全面分析了人的计算过程，把计算归结为最简单、最基本、最确定的操作动作，并使任何机械的程序都可以归约为这些操作动作。这种方法以一种“自动机”为基础，算法可计算函数即是这种自动机能计算的函数。后来人们将这种“自动机”称为“图灵机”。

因此，“递归”的思维是可计算性原理的核心。采用一个或多个前导元素运算后续元素，从而实现求解一系列元素。周以真教授也指出递归是计算机技术的典型特征，递归使无限的功能在有限步骤内可以描述或运行。

2.2 物理机制与计算方法对应是形理算一体关键

数学能够充分地表达各种物理规律，对物理规律有明确表达，但是同一物理规律可能有多种数学表达方法，如我们在笛卡尔坐标和极坐标下描述椭圆，就可以形成不同的表达式，这样在计算上就不等效。因此，要使数学物理的离散计算步骤完全可以上溯到形象思维层次的物理模型，计算思维必须与形象思维及抽象思维融合为一体。

2.3 机算设计原理的根本是“0-1”和“程序”思维

电子计算机的基本模型应该是计算思维的根基。众所周知，计算机的根本特征是程序存储和程序的自动执行。冯·诺依曼提出的计算机的基本机构为：计算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出5个构成部分，并确定了采用二进制和存储程序，自动执行指令，这样就充分利用了逻辑学家和电子工程师的智慧。因此，计算机的基础原理离不开“0-1”思维和“程序”思维。计算机的硬件电路由晶体管等元器件实现，再进一步组合形成逻辑门电路，然后再构造复杂的电路，从而实现计算机的复杂功能。正是硬件能够存储和执行逻辑值，0和1就是逻辑值的符号，通过0和1，把所有的操作或处理都符号化为0-1序列。这就是“0-1”思维。计算机的各种复杂的操作都是由基本操作构成的，实现系统仅仅需要若干基本操作进行组合，形成基本动作的次序，也就是程序，即是“程序”思维。

3 计算机硬件课程教学模式存在的问题

计算机硬件课程主要由模拟电子技术、数字逻辑、计算机组成原理、微机原理与接口技术、计算机体系结构、嵌入式系统6门课程。这些是计算机专业课程的重要部分，多数院校都对这些课程比较重视，但大多数学生都反映对硬件知识掌握不牢，动手实践能力不强，几乎不能理解简单硬件系统的原理，更谈不上硬件系统的分析与设计等等问题。导致这一结果的原因与教学模式有很重要的关系。

3.1 课堂教学内容无新意，难激发学生的学习兴趣

如果计算机硬件课程仅仅按照教材的组织授课，整个知识的过程是填鸭式，一灌到底，最终只能是知识堆积，给学生感到内容繁杂，难以理解，学生会渐渐失去学习兴趣。

3.2 强调理论知识，不重视实践训练，难提升思维方式

很多院校对课时量压缩，教学内容大大减少，教师在课堂上只讲解基本原理，使学生的系统分析和设计能力较弱。另外，实验课内容以验证型居多，致使学生对各个知识点的联系不清楚，缺乏独立解决问题的能力，难以建立连续的、渐进的设计思想和提升计算思维能力。

4 新型教学模式构建

结合目前计算机硬件教学上存在的问题，我们希望通过具体教学模式改革，使学生在潜移默化中将计算思维能力融入到个人解决问题的备选思考方式库中。经过四年的熏陶，会主动甚至无意中运用计算思维去解决实际问题。为此，进行如下改革。

4.1 优化教学内容组织

以计算思维为指导，保持原有的教学内容，挖掘知识模块之间的联系，重新组织和优化教学内容，理出教学内容的知识体系，找出知识脉络。这里给出模块化和系统化的教学内容组织方式。

模块化，一些具有计算思维特征的教学内容可设为知识模块。如，“0-1”模块、“存储程序”模块、并行模块、递归模块等。数字逻辑的逻辑部分和计算机组成原理的数据表示方法等内容设为“0-1”模块，数字逻辑的存储电路部分、计算机组成原理的多层次存期器系统、指令系统和微机原理与接口技术的存储器部分可视为“存储程序”模块等。同时，内容组织可以与社会环境中场景类比，使学生由浅入深地理解计算思维，丰富其联想能力，促进学生形成复合型思维。

系统化，以项目驱动的方式组织系统化的教学内容，帮助学生建立知识模块之间的联系，提高学生对计算技术与计算系统的宏观认识和理解。由项目的问题为导向，逐步探寻知识结论的思维轨迹和模式，改变陈旧的教学内容呈现型教学模式，以培养学生的思维过程为重点，加强教学深度，达到训练计算思维的目的。譬如：在讲授数字逻辑课程中，以设计一个复杂数字系统为例，为完成给定的系统，首先需要进行系统总体功能分析设计和各个部件的设计，然后分析数制与码制、逻辑门、逻辑电路设计及优化等相关主题，最后再总结归纳设计思想。

4.2 改进教学方法

教学模式改革，不仅是教学内容的优化和更新，更重要的是采用怎样的方法来实现教学目标，即是教学方法上改革。下面是我们已经过在实践应用的两种教学方法。

4.2.1 加强学生自主探究学习能力

当今，计算机网络的发展和普及，网络上的学习资源已经相当丰富，大学生有能力利用网络资源，学习并理解一部分知识。同时，翻转课堂教学是当前较好的教学方法，高校教师也应当合理地借鉴，将其融入自主探究式学习中。首先让学生提前在网络上学习一些课前的基本知识，在课堂教学中不再重复学生可以方便获取、自学的东西，多留出时间让师生交流。这样，一方面，教师可以充分发挥学生的自学能力，让学生自主完成部分学习任务；另一方面，教师可以通过课堂师生交流，使学生掌握知识的全面性和系统性，引导学生形成计算思维能力。

4.2.2 促进实验课程教学改革

当今的教育理念都倡导学生做课堂的主人，充分给学生动脑和动手机会，让他们主动获取知识；而教师的作用主要是引导学生发挥主观能动性，加强学生的实践能力，帮助学生梳理知识结构，提升学生计算思维能力。为此，对实验教学方法进行如下改革：

⑴实验进课堂。计算机硬件课程的共性是实践性强，如果单纯地以理论课的形式授课，学生会感到抽象，无法完全理解。如果能将验证性实验在课堂上演示（如：计算机组成原理的存储器实验、微机原理与接口技术的定时器、数码管显示实验等），不仅解决了学生的疑问，还活跃了课堂气氛。

⑵实验平台自行设计。目前，多数院校采用购置的实验仪安排实验内容，且安排相对固定，学生只需要插入少数连线，就可以将实验做完。这样，教师无法灵活安排实验内容，难以提高学生的实践能力，更谈不上系统掌握知识，提高思维能力。为此，购买一些最小系统开发板，自制实验平台具有较多好处。一是，可以选择最适合本校学生的软硬件资源，编制难度适中的实验内容；二是，有利于锻炼教师能力，改善教师专业素质，自制实验平台以教师主导，学生参与，共同提高；三是，成本低，功能全；四是，方便维护，改变实验仪维护周期长的问题。

4.3 改进综合评价体系

考核是评估教学目标完成程度的一种手段。通常，大学计算机课程的评价体系由平时成绩和期末成绩两部分组成。平时成绩是学生课堂出缺勤情况，占30%，而期末成绩则以测试记忆性的知识考核为主，占70%。但是，在计算机硬件课程中，这样的评价体系不仅不能全面反映学生对课程知识的掌握程度，更不可能有效地反映学生的计算思维能力，原因在于计算机硬件课程带有一定的综合设计和实践能力，试卷成绩根本无法体现学生运用知识的能力，更谈不上提高计算思维的能力和创新能力。

我们对计算机硬件课程采用综合的评价系统，一门课程的评价应由平时成绩（占10%）、平时实践成绩（体现运用和创新能力，占50%）和期末成绩（占40%）。这样不仅考虑到学生出勤情况和记忆知识的考核，更重要的是体现了学生的平时实践创新能力，这样，实践考核成绩不仅容易判别学生对计算思维的理解以及其运用能力，还能反映问题求解过程或方式方法的多样性，从而鼓励学生大胆创新。

5 总结

本文根据计算机硬件课程的特点，分析了当前计算机硬件教学模式存在的问题，提出了计算机硬件教学模式改革的方法，解决了培养计算思维能力难以落实到具体课程的难题，为计算机硬件课程教学改革提供重要参考。

参考文献：

[1] Wing J M. Computational thinking [J]. Communication of the ACM， 2006， 49（3）： 33-35.

[2] CS2001 Interim Review [EB/OL] http：//wiki.acm.org/cs2001/index.php？Title=main_page， 2008.

[3] Philips P. Computational thinking： A problem-solving tool for every classroom[EB/OL] http：//www.csta.acre.org/Resources/sub/ResourceFiles/ComputationalThinking.pdf， 2008.

[4] Bundy A. Computational thinking is pervasive[J]. Journal of Scientific and Practical Computing， Noted Reviews， 2007， 1（2）： 67-69.

[5] 董荣胜， 古天龙.计算思维与计算机方法论[J].计算机科学，2009， 36（1）： 1-4， 42.

[6] 牟琴， 谭良. 计算思维的研究及其进展[J].计算机科学，2011， 38（3）： 10-15， 50.

[7] 陆汉权， 何钦铭， 徐镜春. 基于计算思维的大学计算机基础课程教学内容设计[J]. 中国大学教学， 2012（9）： 5-58.

[8] 战德臣， 聂兰顺. 计算思维与大学计算机课程改革的基本思路[J]. 中国大学教学， 2013 （2）： 56-60.

[9] 朱亚宗. 论计算思维——计算思维的科学定位、基本原理及创新路径[J]. 计算机科学， 2009， 36（4）： 53-55， 93.