研究性教学在计算机专业硬件类课程改革中的实践

王风华 郑秋梅

摘要：本文介绍了计算机专业硬件类课程研究性教学的改革理念及思路，从“以问题为导向”的教学内容的组织，启发式、参与式等教学方法的采用，创新性实验环节的保证和多元化考核方式的配套等方面着重阐述了硬件类课程的研究性教学的实践过程，最后给出了实践效果。

关键词：研究性教学；硬件类课程；问题为导向

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）51-0219-02

一、引言

计算机专业硬件类课程通常包括计算机组成原理、汇编语言、计算机系统结构、接口技术及嵌入式微处理器等课程。目的是让学生掌握计算机各部分的工作原理，具备一定的计算机硬件开发设计能力，但是该类课程具有理论及实践性强、概念抽象、技术更新快的特点，因此教学难度大，学生学习兴趣低，导致计算机专业学生大多“喜软怕硬”。如何改变这一现象，一直是困扰任课教师的难题。

目前，研究性教学备受关注。研究性教学在国外始于20年前，是一种在教师的组织指导下学生自主学习、自主实践的教学[1]，注重培养学生研究和创新能力的新教育理念。目前已被国际、国内教育界普遍认同并付诸实践[2]。近年来，本文作者所在的计算机硬件课程组，结合硬件类课程的特点，突破传统的“传输—接受”式教学框架，也尝试在硬件类课程的教学中引入以问题探索为基础的研究性教学理念，并取得了令人满意的效果。本文以计算机专业硬件类核心课程“计算机组成原理”为例，介绍研究性教学的应用与实践。

二、研究性教学改革的理念及思路

研究性教学是教师为指导和培养学生进行研究性学习，模拟科学研究活动所设计和组织的一种课堂教学。包括教与学两方面：一方面教师要创设良好的研究性教学环境，给学生提供必要的指导与帮助；另一方面学生积极主动地进行探究式学习[3]。要推行研究性教学，关键是教学理念的改革，即传统教学理念到研究性教学理念的转变。具体实施时，主要完成以下转变：教学思路，由传统的“知识点讲解型”向“问题导向型”转变；教师角色，由“知识灌输者”向“问题引导者”转变；学生角色，由“被动接受者”向“自主学习者”转变；考核方式，由“应试型”向“多元考核型”转变。

依据研究性教学理念，结合硬件类课程特点，课题组建立了一种课堂讲授辅以专题讨论课、创新性实验等多种形式相结合的研究性教学体系，以培养学生对计算机硬件系统的分析与设计能力，提高学生的自主学习及创新能力。具体思路是：在教学内容上，“以问题为导向”对讲授内容进行结构性调整、重组和更新，以激发学生主动学习知识的兴趣。在教学方法上，坚持启发式、参与式教学。在教师讲授的同时，辅以专题讨论、学生参与式教学、创新性实验等多种形式。在考核方法上，不再以笔试为唯一考核方式，而是采取笔试结合专题讨论、调研报告、实验设计等多元化的考核方式。

三、研究性教学改革的实施

1.创设问题情境，“以问题为导向”组织课程教学内容。组织教学内容时，要遵循“讲学科不讲教材”的原则。首先让学生清楚课程在整个学科中的地位和作用以及它与前导课和后续课的关系。其次，针对硬件课程理论性、实践性强的特点，引入研究性教学模式，通过创立问题情境，以问题为导向引导学生主动探索。“以问题为导向”提炼每章内容主线，比如在计算机组成原理课程运算方法和运算器一章中，提出：“各自算术运算和逻辑运算在计算机中如何实现的？”引起学生兴趣并对章节内容主線初步掌握。对每章相关知识模块还要按照“以问题为导向”的原则，设计出具体的细节问题。如：乘法运算的研究性问题设计如下：

（1）手算乘法运算是怎样的？——锻炼学生的观察和总结能力

引导学生给出手算乘法规则并得到结论：手算乘法是通过移位和加法来实现的。

（2）为什么不能直接在计算机中采用？——锻炼学生发现问题的能力

引导学生给出总结手算乘法的缺点。

（3）如何调整才能应用到计算机中？——锻炼学生解决问题的能力

引导学生想出改进上述方法的妙招。

（4）机内乘法运算规则是怎样的？——锻炼学生概括能力和举一反三能力

通过原码一位乘案例，引导学生自己总结出机内原码一位乘规则，并由此推出机内原码两位乘规则。

（5）现在的CPU中乘法是如何实现的？——锻炼学生主动学习能力

预先告知学生现在计算机中广泛采用的指令并行执行及流水线等概念，说明这些概念在以后的章节中会详细讨论，并要求感兴趣的同学上网查阅相关资料。

这样设计后，一个简单的机内乘法运算规则，经过一系列问题的探究，将原本枯燥无味的0，1运算，转变成了学生有兴趣去寻求答案的一个个具体问题。按照“以问题为导向”设计的教学内容，学生在整个学习过程中，一直处于思考如何解决问题的状态，既能做到有兴趣地全身心投入，又能比较扎实地掌握计算机内部的乘法运算方法，还能使他们对计算机的新技术有所了解和掌握。

2.启发式、参与式等教学方法的采用。课堂教学中坚持启发式教学。运用启发式教学方法不仅可使学生对课程知识的掌握有深刻的理解，而且还可以培养学生主动学习和独立思考的能力[4]。在课堂教学中通过实际问题引出理论知识点，通过一系列问题启发学生进行思维，引导学生主动探索、学习。例如，在学习存储器时，做了如下启发设计：（1）通过实际问题引出理论知识点：存放在内存和优盘中的信息在计算机关机后，有什么不同？——引导学生带着问题课下预习，主动查阅资料，寻求答案。（2）内存和优盘的存取机制有什么不同？——引出讲解点：RAM和ROM存储器概念。（3）RAM为什么又分为静态和动态？——引导学生带着问题对比静态和动态存储器的工作原理及区别。（4）在教学过程中，安排学生分组讨论，然后发言总结。

这样，由表及里、由浅入深、环环相扣地启发学生思考，并让学生们充分讨论，进行课堂交流，最后结合有关知识点进行分析和概括。实践证明：启发式教学是科学、成效的教学方法。

实施参与式教学。对内容多、理论性强、学生理解有难度的运算器、存储器和中央处理器三个章节设置专题讨论课，每次专题讨论课安排2学时，共6学时。专题讨论课的题目提前公布，让学生自由组合分组做准备。在讨论课上，各组选代表上台主讲，由教师和其他同学发问和争论，最后由教师进行总结与点评。通过专题讨论，学生能了解最新的技术与发展趋势，扩展课堂所学知识，学会对原理的灵活运用。在这种环境下，学生的作用是双重的，既学习新知识，又传授新知识，在掌握知识的同时，也有助于提高各自能力。

3.研究性教学的创新性实验环节的保证。为保证研究性教学的实施，建立了“验证型—设计型—综合型—探索型”的多层次实踐教学模式。在课程部件实验中，适当开设“验证型”和“设计型”实验，在后续模型机设计课程中，开设“综合型”和“探索型”实验，形成“验证型—设计型—综合型—探索型”的多层次实践教学模式，以强化学生的综合设计和硬件动手能力。（1）变“实验指导书”为“实验任务书”。每次实验只给出实验任务、要求及实验条件等，具体如何设计和实现全部由学生自主完成，锻炼学生独立分析问题、解决问题的能力，激发他们的创新思维。（2）重新设计实验内容，保证实验内容的综合性、设计性和研究性。让学生通过自学和查阅有关文献，自行设计实验方案，自行搭接实验线路，自己进行实验，观察实验现象，发现问题并分析产生问题的原因，提出相应对策，最后撰写研究报告。整个过程把主动权完全交给学生，教师只是启发引导和做好组织工作。充分发挥主观能动性，调动学习积极性，培养自主学习和获取知识的能力。

4.研究性教学多元化考核方式的配套。传统考核方式以期末笔试为主，导致很多学生平时学习主动性差，知识掌握不牢固。本课程组建立了一种硬件类课程多元化考核模式。在多元化考核模式中，平时成绩比重达到50%，平时成绩包括课堂表现、专题报告、实验设计及操作、文献查询、作业等多个环节。使得学生更加注重平时的学习过程，对调动学生的学习积极性及培养学生自主学习能力、动手能力和创新能力起到积极作用。

四、结论

本文以计算机组成原理为例介绍了计算机专业硬件类研究性教学的实施，基于以上理念，本文作者所在的硬件课程组也在其他硬件类课程进行了研究性教学的实践，通过几年的探索，教学效果显著并取得了丰硕成果。学生学习的积极性高涨，参与计算机硬件课题组或创新活动的人数大增，硬件动手能力和创新意识有了明显提高。2009年至2014年期间，历届授课专业每年均有二十多名学生积极参加智能车大赛和嵌入式设计大赛等硬件类竞赛，获国家级一、二等奖及山东省一等奖等三十多项奖项。

参考文献：

[1]曾广录.论研究性教学改革中的评价机制建设[J].当代教育理论与实践，2012，（4）：82-84.

[2]王立欣，等.基于研究性教学的电子创新基地建设与教学实践[J].中国大学教学，2010，（4）：73-74.

[3]许晓东，等.本科工程教育研究性教学探索与实践——以华中科技大学为例[J].高等工程教育研究，2014，（2）：43-49

[4]刘晓阳，武晓华.基于启发式与目标教学模式的“计算机基础”课程教学研究[J].南通航运职业技术学院学报，2011，（10）：114-115.