基于问题驱动法的计算机组成原理教学研究

邱宝林，刘德喜

（江西财经大学信息管理学院，江西南昌 330013）

0 引言

在教育行业发展过程中，围绕教师角色构建而来的教学模式起到重要作用，但也存在不少问题与不足。在传统教学模式中，教师的讲授贯穿始终，学生成为被动接受者。这一教学特征非常不利于学生自主学习能力、创新能力等重要素质的发掘与培养。因此，有必要探索能充分调动学生自主学习、自主思考积极性的以学生为中心的新型教学思路。

作为工科属性明显的计算机科学与技术专业，对所培养专业人才的自主学习能力、问题求解能力及创新能力等具有更高要求，而传统教学模式无法很好地满足其需求。近年来，计算机组成原理课程在计算机科学与技术专业中一直处于核心地位，且计算机组成原理与计算机系统等课程承担着建立计算机系统观的角色。在课程教学大纲中，在对硬件内容进行简化的同时，加强了知识之间，包括课程间知识的联系，并强化了对原理的理解与掌握等。因此，有必要探索适用于具有大量难度高且抽象的知识点，且逻辑性强的计算机组成原理课程的高效教学模式。

1 相关研究

从传统教学模式到翻转课堂，教育教学的方法、理念均得到了持续进步。祝智庭等［1］对热点教学模式翻转课堂及其在国内的应用实践进行了深入分析与反思。现如今，翻转课堂教学模式在药剂学［2］、化学［3］、生物［4］、计算机［5］等学科领域得到了广泛研究与应用。但计算机组成原理课程具有其自身的特点与难点，需要结合课程特征进行深入研究。如张文宇等［6］基于CDIO 教学模式构建系统观，培养学生的系统设计能力，对计算机组成原理教学改革进行研究；高美春［7］针对计算机组成原理教学过程中存在的问题，采用不同方法进行教学，形成多种教学方式混合的教学思路。

翻转课堂模式以学生为中心，帮助其培养高阶思维能力。因此，将翻转课堂思想引入计算机组成原理教学的探索成为关注热点。如张策等［8］提出以学生为中心的教改方案，在教师教学“过三关”的基础上，从3 个层面实施教改方案；兰勇等［9］在分析本课程难学、难教原因的基础上，提出通过进一步凝练关键知识点进行教学方法创新的探索。

这些已有的教学探索具有十分积极的意义，而对于计算机组成原理这类难学、难教、难掌握的课程，需要继续进行多方位、多思路的探索。因此，本研究在剖析课程本身及其教学难题的同时，进一步考虑人才培养、成长的根本目标，以期构建有效而系统化的教学模式，培养具有优异问题求解能力的计算机人才。

1.1 计算机组成原理难学原因分析

计算机组成原理内容涉及面较广，且知识点之间具有强耦合性，无法割裂、离散地各个击破课程内容，因此要求教师采用体系化、“瞻前顾后”的策略授课。通过回顾、分析课程实施情况，可简要总结出如下几方面课程难学的原因：①课程内容繁多；②知识内部关联性极强；③先行知识储备欠缺；④知识内容趣味性不强；⑤学生投入时间难保证。

1.2 传统教学模式在计算机组成原理教学中的弊端

（1）传统教学模式的教与学。在该模式下，教师处于绝对的主体地位与中心。其教案设计是“批量化产出”思路下的产物，既要考虑促优，又要顾全队尾的学生。而且教师的有效教学活动主要集中于课堂内，以教师主讲的形式贯穿始终，学生则处于被动获取知识的状态。全班学生即使基础水平参差不齐，也只能以相同的节奏、速度完成知识的掌握、积累与升华。这种教学方式不利于调动学生主动思考、自主探究的积极性，从而降低了教学效率。

（2）传统教学模式考核。传统教学模式下的考核机制呈现“滞后检视，非与时俱进”的特征。这种为考而考的方式可实现教学结果展示，却无法实现教学过程的即时矫正。传统课堂开始前，通常以学生自发预习、自主找题自检为主，一般不组织课前考核，教学效果主要通过平时成绩和期末考试进行量化，例如平时成绩和期末成绩四六开或三七开。但对平时学习任务完成情况的考核远不及期末考试规范，且与所采用的教学模式耦合度不高，无法很好地体现该教学模式的长处与不足。由于传统教学模式下的考核体系以期末考试为重心，其分值占比较大，导致学生平时不重视学习，产生等期末临时抱佛脚蒙混过关的侥幸心理，这也很好地解释了为什么部分同学感觉结课后收获不大。

1.3 经典翻转课堂教学理念在计算机组成原理教学中的弊端

翻转课堂模式（Flipped Class Model，FCM）是一种重点培养学生自主学习与探究、协作、创新等能力的有效教学方案［10］。翻转课堂与传统教学模式最显著的区别在于FCM 致力于构建“以学生为中心”的主动式学习氛围，以期获得更佳的教学效果［11-12］。

计算机组成原理课程内容具有一定的特殊性，因此已有学者开始审视在该课程教学实践中单纯采用FCM 的弊端［13］。由于计算机组成原理知识点抽象、逻辑性强且相互具有较强的耦合性和系统性，此外在单纯的翻转课堂教学模式中，学生的课前学习效果取决于学生本身，但学生的自主学习在未进行有效导引的情况下具有较强的盲目性。若采用不合理的教学方案将导致学生学习效果不佳，甚至进入恶性循环，将持续影响学生后续课程内容的学习。因此，计算机组成原理课程不适合采用单纯的FCM 教学。

2 问题导向的翻转课堂教学模式

基于问题导向的教学模式可较好地降低自主学习过程中的盲目性，进而实现帮助学生培养问题求解能力、主动学习能力与创新能力的教学目标［14-15］。因此，综合考虑计算机组成原理课程特性及教学模式需求，从两个环节进行优化改进：一是问题阵列设计：着力增强引导的有效性与合理性，深入分析课程涉及的知识脉络后设计知识点体系，剖析各知识点的本质问题，捋清问题之间的关联关系；二是教学模式优化：着力增强教学模式的交互性、内容具象性与反馈的畅通性，构建以问题为驱动力的翻转课堂改进教学模式。

在构建问题导向的翻转课堂教学模式（Problem-Based Flipped Class Model，PBFCM）过程中，问题蕴含于知识点中，问题阵列设计的合理性、耦合性与系统化将直接影响学生对知识的掌握情况。在教学模式执行过程中，可根据实际需求适当引入仿真手段与辅助技术实现抽象知识的具象化展示，并设计课程反馈渠道与适合的考核模式。

2.1 教学模式

教学活动执行包括以下5个组成部分：

（1）问题设计。在翻转课堂教学模式下，学生的自主学习具有一定盲目性，需要教师进行适当的引导与驱动。但如果教师提供的引导内容事先未经过严谨的设计与思考，则极有可能适得其反。因此，课程问题的设计是否合理、有效，将直接关系到学生的学习效率与效果。

为了使学生的知识学习具有较强的系统性，并使前后知识保持较强的耦合度，首先对学生需要掌握的课程内容结构进行深入分析（见图1），然后从中凝练出蕴含相关知识点的一系列问题。学生通过分析与解决问题能较好地学习其中包含的知识点。

Fig.1 Analysis of curriculum knowledge structure图1 课程知识结构分析

可见，用于改进教学模式的系列问题设计需要考虑多方面情况，如学生的感兴趣程度、学生学习当前知识点的基础情况、问题难度、问题与知识点之间的关联性等。因此，以下以“原码一位乘法算法”知识点的教学为例进行说明。

设X=– 0.110 1，Y=0.101 1，计算X×Y。考虑设计如下问题供学生课前进行自主学习：

问题1：结合乘法运算规则分析X×Y的详细步骤，然后在纸上完整写出详细的笔算过程。

问题2：笔算中乘积的符号位如何处理？

问题3：笔算中根据什么决定是否加被乘数？

问题4：笔算产生的4 个部分积相加是几位加法？物理实现时是否方便？

问题5：计算机执行计算时通常是两个数同时进行运算，而笔算中两个4 位乘数相乘会涉及4 个部分积同时相加，计算机实现运算时该如何解决这一问题？

问题6：考虑使用3 个寄存器分别存储被乘数、乘数、部分积。相比X和Y，乘积位数扩大一倍将增加物理实现开销，思考一下是否可将笔算中某些数据适当移位来实现计算机的原码一位乘法？基于该思路，使用提供的课前学习素材自主学习由笔算改进的原码一位乘法。

（2）基于问题导向的课前素材设计。课前自主学习需要有效资源的辅助才能使学习效果事半功倍，因此学生使用的素材资源并不是随意提供的，需要基于设计的导向问题精心组织，以便学生在清晰问题的导引下结合相应学习素材方便地进行学习。

科学、合理、精心设计的课前素材不仅能对导向问题进行各个击破，而且有利于学生将其与相关联的知识点串联起来，为将来系统掌握计算机组成原理内容打下基础。学生课前通过对知识点相关问题的自主分析与查阅资料等，最终解决导向问题或凝练疑问以便课堂进行提问与讨论。

（3）自主学习设计。自主学习以学生自律为主，教师干预相对较弱，因此对一部分自律性不强、学习无规划的学生具有一定挑战性。但是，学生课前的自主学习情况将直接关联后期教学活动的开展，并影响学生对课程内容的最终掌握情况。因此，在改进的FCM 教学模式中需要隐性设计一些干预措施，使学生的自主学习具有更强的可控性。

结合本课程情况，在本环节中设计一些与导向问题、知识点相关的前期自主学习小测试，测试中的试题类型主要分为“按图索骥”型和“发散思维”型。所谓“按图索骥”型试题是一些巩固知识点的基础题，不需要太苛求深度和难度，但需要注意广度，尽量使学生在课前全面掌握概念性基础知识；“发散思维”型试题则不一定需要标准答案，可考虑通过该类型试题发人深思或综合掌握关联知识点，使学生开放地思考当前知识点相关内容，如当前知识点的前沿研究、应用该知识点的新兴技术等。

该测试教师不直接参与批改，而是由不同小组之间进行交换评阅批改，以期引起学生之间更大范围的讨论交流，既能调动学生积极性，又能激发学生的自主思考，甚至迸发创新性想法。

（4）课堂执行。在课堂执行方式方面，可根据教学内容灵活选择传统板书教学、多媒体教学、实物教学、虚拟现实教学等方式，不同的课堂执行方式适合不同内容的教学。例如，虚拟现实教学方式可给学生以身临其境、沉浸式的学习体验，从而使枯燥的学习变得生动有趣，也使学生能够更加直观、深刻地学习对应知识点。

在课堂执行过程中，能否做好师生互动、生生互动，能否真正让学生投入到课堂中也会影响学习效果。因此，为了更好地激发学生的兴趣和互动积极性，可灵活使用调查问卷、投票、分组任务、随机选人、抢答等多种线上教学手段，以便更好地满足课程教学需求。

针对计算机组成原理课程，设计以下课堂活动：首先进行成果汇报，各小组汇报本小组的自主学习情况及相关疑问；然后进行问题讨论，教师结合各小组的自主学习情况与学生互动，引导学生自主分析课前问题，找到解决问题的思路，同时指出当前课程内容的难点与要点；最后进行分组交流，各小组交流评阅自主学习小测试情况，教师也可以安排适当的分析案例供学生交流讨论；最后在回顾知识的基础上对课程内容进行总结提升，并对各个小组的表现进行点评、建议。

（5）教学效果沟通。学生以“课课报”的形式简单汇报自己在本次课程中的收获，同时针对教学方式、素材资源、改进意见等提交简短的文字汇报。通过该环节可对教学模式进行持续改进，以实现更好的教学效果。

2.2 考核模式

对于基于问题导向的翻转课堂改进教学模式而言，要翻转的不仅仅是教与学的顺序，还需要有与之对应的效果评估与考核机制。因此，在计算机组成原理考核模式中设计个人表现考评、阶段测试、期中考核、期末考核，各部分比例分别为课程最终总成绩的25%。其中，个人表现考评由自评、组内他评、教师考评构成，占比分别为30%、30%、40%。自评分数由学生结合自己的表现给出；组内他评由同组其他组员根据其在团队中的任务承担情况、问题分析和讨论情况及任务完成情况等给出，然后取平均分；教师考评则由教师根据学生的课堂表现、交流互动情况判断学生的表达能力、问题分析能力、创新能力及应用能力等，然后综合进行评分。

阶段测试是根据章节教学的推进灵活安排多次考核，以持续掌握学生学习效果。阶段测试在线上完成，测试题目为客观题时直接由平台评阅打分，如本课程使用的超星平台；如果有较多主观分析题时，则采用分组之间交叉评阅的方式打分。

表1、表2 为采用基于问题驱动法的翻转课堂教学前后课程考核结果对比。由表中展示的考核数据对比发现，高分分数段占比得到了较大提升，特别是［100-90］分数段人数百分比由1.89%提升至13.89%；及格率由90.57%提升至97.22%，不及格率明显下降；平均成绩由69.53 分提升至78.03 分。说明设计合适的自主学习问题，并辅以与其相适应的学习资源，通过改进翻转课堂教学方式可达到提升学生成绩的基本目标，并能有效培养学生的问题发现、分析、求解能力与创新思维。

Table 1 Examination results of the course before problem-oriented FCM improved teaching model表1 采用基于问题驱动法的翻转课堂教学前课程考核结果

Table 2 Examination results of the course after problem-oriented FCM improved teaching model表2 采用基于问题驱动法的翻转课堂教学后课程考核结果

3 结语

对于具有理论抽象、逻辑性强、知识点难等特征的计算机组成原理课程，本文基于问题驱动法探索该课程的教学模式改革，其教学效果的实现也要求有效、畅通的督导以及丰富多样的兴趣激励手段。因此，后续将从该角度出发继续发掘此方案的不足，以培养具有良好问题分析与解决能力、创新能力的计算机人才为目标，进一步完善相关教学模式。