計算機系統教學設計研究

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摘要：分析計算機系統在大學計算機基礎教學中的重要性以及它與計算思維之間的內在聯系，針對目前國內大多數高校在進行該部分內容教學時普遍存在的問題，從計算思維的本質特征出發，以計算思維的過程為軸線將教學內容整合為一個有機的整體，遵從建構主義理論，根據不同的教學內容設計恰當的教學方法并付諸實踐，以期使學生在掌握計算機科學基礎知識的同時，培養主動運用計算思維解決問題的能力。

關鍵詞：計算思維；計算機系統；BOPPPS；實例化教學法；模擬器構建

計算思維的概念由美國卡內基•梅隆大學的周以真(JeannetteM.Wing)教授首先提出。周教授認為，計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動[1]。大學計算機基礎課程作為大學生入校第一門信息類課程，其教學目的就是從使用計算機、理解計算機系統和計算思維3個方面培養學生的計算機應用能力?！坝嬎銠C系統”作為該課程內容的重要組成部分，以計算機系統程序員的視角，闡述計算機系統的組成、結構及工作原理。課程教學目標，是以訓練學生將計算思維應用于各領域求解問題的能力為突破口，從系統的思想和創新意識的角度培養學生的創造性。因此，計算思維為我們提供了一種改革計算機系統教學設計的新思路。

1問題分析

在實際教學中，大部分高校制定的針對計算機系統部分內容的教學大綱雖然明確了教學目標及教學手段，但是因為缺乏合適的實驗題目或實驗環境，多數情況下教師只能在課堂上向學生灌輸諸如計算機硬件的組成部件及各部件功能、計算機硬件之間協同工作的過程以及操作系統的功能等知識性內容。學生被動地接受知識，但對于隱藏在這些知識背后的思維過程訓練，如計算機硬件結構為什么設計成這樣，而不是另外的形式等問題，幾乎未曾涉及。具體到計算機系統能力，即將計算機系統中軟件和硬件作為整體進行理解與設計的能力的培養，更是收效甚微。一是教學內容碎片化、結構偏理論化。一個完整的計算機系統由硬件系統和軟件系統兩大部分組成，但目前國內大部分計算機基礎課程的教材中卻將這兩部分內容完全割裂開來，分為單獨的兩章，分別對硬件和操作系統的內容進行泛泛的講解，這樣的編排方式使得學生對于計算機系統這一內容體系的整體觀難以把握，甚至在學習基礎知識時無法有效貫通。至于馮氏體系結構的誕生背后蘊藏的科學探索史及科學精神，則會因教師授課過程中輕描淡寫地一帶而過而被學生忽略，而這正是通過對專業知識的講授，培養學生科學探索精神，進而進行思想政治教育的最佳途徑。二是教學方法以講授為主，學生參與度不高。學生可能學習了大量被認為是正確的、標準化的計算機科學基礎概念，但無法深入到問題求解、系統設計的過程中去體驗，不知這些知識是怎么得來的，學了這些知識有什么用，自然也就不會在各領域中主動運用所學知識解決實際問題了，計算思維的培養更是紙上談兵。

2計算機系統教學內容分析

一個的好的教學設計能夠設法以計算思維為導向，將教學內容整合成一個有機的整體，努力發現內容之間的聯系，形成知識脈絡，使知識活化。為培養學生的信息素養，必須在計算機基礎課程中重視“系統觀”，內容的整合應以廣度優先，并且能夠作為媒介為分立知識點建立邏輯聯系[2]。就計算機系統一章而言，需要對教學內容進行有機整合，形成“從兩頭到中間、從簡單到復雜、從框架到細節”的螺旋式上升的內容體系；同時，可設計一些案例，使其能夠將硬件層面的內存、I/O外設、處理器基本組件和軟件層面的設備驅動程序、通用程序庫、應用程序等知識點綜合覆蓋[3]。學習計算思維，就是學習如何“構造”某種事物。結合計算機系統一章的內容，遵循計算思維的方法過程，就需要首先建立計算環境，然后創建基于計算環境的問題求解過程，最后構造對問題求解過程的驗證方法?？蓪⑦@3個構造過程分別命名為：對象構造、過程改造、驗證構造。因此，以計算思維的3類構造為模板，可將本章內容與這3個模板一一對應起來，如圖1所示。2.1計算機硬件系統。該部分首先對計算機系統進行概述，通過對“計算”概念的理解和計算裝置的發展過程的回顧，引出馮•諾依曼體系結構，并以此為依據，介紹計算機系統的硬件構成。圍繞該體系結構各部件，介紹它們如何進行信息表示、信息傳遞和信息處理，偏重于介紹各部件核心構成以及基本工作原理。該部分內容對應計算思維中的“對象構造”環節，即計算環境的構造，主要從對“計算”概念的理解出發追本溯源，重點突出馮•諾依曼體系結構的形成過程及抽象層次[4]。2.2操作系統。操作系統是實現計算思維本質之一的自動化（程序自動執行）的軟件基礎。該部分內容主要介紹現代計算機操作系統的基本概念、基本原理、設計方法和實現技術及當今主流操作系統的管理方法。由于操作系統主要解決基于已有計算機硬件體系的計算資源管理問題，因此可視為是構造基于計算環境的問題求解過程，即過程改造環節。因此可與計算思維中的綁定、按空間排序、按時間排序、重用、折中等方法相呼應。2.3計算機模擬器構建。為使學生更好地理解計算機的工作原理，便于從整體上理解計算機系統的實質，可借助計算思維對馮•諾依曼體系結構機器進行建模和模擬。通過指導學生對計算機硬件系統和操作系統功能進行模擬，使學生關注大問題的復雜性、一致性、完備性、效率、安全性等計算思維的基本要素，而通過這種“驗證構造”的訓練過程，能培養學生利用計算手段對社會/自然問題進行求解的基本思維模式，訓練其利用典型計算思維進行計算系統構造的初步能力。上述三大模塊內容均是“計算+”思維的核心，是構造/應用各專業相關計算系統的基礎。

3計算機系統教學方法設計

3.1運用BOPPPS模型進行計算機硬件系統教學。以建構主義和交際法為理論依據提出的“BOPPPS”模型是北美高校教師技能培訓過程中推崇的一個教學模型，該模型從教學組織和實施角度，將教學過程分為6個模塊，即導入（Bridge-in）、學習目標或結果（ObjectiveorOutcome）、前測（Pre-assessment）、參與式學習（ParticipatoryLearning）、后測（Post-assessment）和總結（Summary）等，簡稱BOPPPS模型[5]。將BOPPPS模型運用到計算機硬件系統一節的課堂教學設計中，目的是創造一種“生生互動”和“師生互動”為主要組織形式的新型課堂教學結構，有效提升課堂授課質量和學生的學習成效。根據BOPPPS模型將“計算機硬件系統”一節的教學設計劃分為圖2所示的幾個環節。圖2所示的“CPU中寄存器角色游戲”即是參與式教學的具體體現，教師可首先講解指令的結構及其執行過程，然后將全班學生分成幾個小組，由各組每名學生分別扮演如CPU、指令寄存器、程序計數器、內存等不同的硬件角色，通過執行一段匯編語言代碼來更新每種硬件的值。通過這個游戲來模擬計算機指令執行的過程，使學生在主動參與學習的過程中，加深對計算機工作方式的理解，同時可培養其團隊協作精神?！敖虒W有法但無定法”，采用BOPPPS模型進行教學設計時不應拘泥于其6個模塊的結構和順序，教師需要按照授課內容將BOPPPS模型融于教學設計中。3.2基于實例化教學法講授操作系統。操作系統一節內容理論性強、原理多且抽象，不便于學生理解、掌握與應用。在教學過程中引入實例化教學，與操作系統的抽象概念和原理進行類比，闡釋這些概念和原理，能取得較好的教學效果[6]。實例化教學法由哈佛大學提出的案例教學法發展而來，采用與傳統講授方法相反的教學思路，即“實例、概念、理論”模式。按照這種模式，筆者對該部分內容的教學活動采取以問題求解為引導，將基礎知識穿插在求解問題的過程中講解的策略。課堂講核心知識，外延知識學生自學，再加入一些輔助教學手段和學習渠道，則會達到更好的教學效果。具體實施中，可采用計算思維中嵌入的方法，把課程的基本知識和概念適時地加入到來自實際生活的教學案例設計中，這樣不但使教師講授變得通俗易懂，學生接受知識也有豁然開朗的感覺。這樣的教學模式也恰好屬于計算思維范疇中的基于教學內容培養學生折中思維的方法。以“完成把一個AutoCAD安裝軟件下載到本機并安裝”為案例，圖3展示的是在完成任務的過程中，計算機針對用戶的每一個操作所完成的工作。通過講述這個在現實中操作簡單的實例如何被計算機操作系統完成的過程，將操作系統的各大知識板塊聯系在一起。在講解過程中，教師引導學生發現問題、總結問題，進而抽象成操作系統中的相關原理和概念。比如向學生闡明，當用戶點擊下載保存后，AutoCAD軟件被保存在計算機硬盤上，這屬于設備管理；而計算機上還會有一個圖標與其對應，這就是文件管理的一部分；用戶雙擊這個圖標，AutoCAD安裝程序就會開始執行，執行的過程中就涉及存儲器管理、CPU管理等。這樣，以問題驅動的教學設計使學生以完成任務為最終目標，通過解決一個又一個遇到的問題，一步步將操作系統這一節的知識點自然地串聯起來，學生學習興趣濃，解決問題后有成就感。同樣，在講解“進程調度”“系統調用”等內容時，可結合現實生活中同一家庭成員由于信息溝通時序差異引起的對同一種食品重復采購問題，引導學生思考解決該問題的方案，通過分析學生提出的各種方案的利弊，引入操作系統中“同步”的概念，進而可簡單介紹操作系統中采取“同步”機制的原理及意義，講解中需強調計算機與人的差異。在完成操作系統模塊的學習后，教師可以就某個武器裝備智能控制系統為例，向學生描述武器系統的背景，通過介紹該智能控制系統的組成結構，啟發學生通過類比的方式，對該武器系統的軟硬件進行劃分，總結歸納各部分的主要功能。這樣的實例化教學活動能幫助學生建立起計算機系統與裝備的聯系，促進理論知識在現實中的精準落地。3.3基于仿真的實訓教學設計。重視章節實踐項目的設計，將課程內容適當融入實訓項目的設計中，多設置綜合型的實訓項目[7]。項目案例的設計應注重學生未來任職崗位特點，挖掘典型情景，使學生能夠從自己專業領域的角度審視、體會和實踐計算機科學中的特有思維方式，以此來有效激發學生學習案例涉及的相關知識的興趣，進而實現計算思維培養的落地。在學生掌握了計算機硬件系統的基本知識和操作系統基本原理的情況下，應要求學生進行探索性的綜合設計實驗，以培養學生的創新精神。本部分要求學生用python語言編寫一個名為TOY的計算機模擬器，模擬計算機硬件完成將文件從硬盤加載到內存并逐條讀取指令，然后執行指令的過程。教師在指導學生構建該模擬器的過程中，應把握計算思維的本質，從抽象層面上引導學生對問題進行約簡，即從計算機硬件的組成角度思考，對模擬器功能進行抽象，進而確定對計算機的存儲器、CPU中的寄存器、指令的讀取和執行等4個方面進行模擬；從自動化角度考慮，編程實現4個模塊，分別與上述的4個抽象功能進行一對一的映射。表1是運用計算思維進行計算機模擬器構建過程中相關的步驟及解決方案。通過講述程序的編寫編譯過程，進一步強化“抽象”和“自動化”這兩個計算思維的本質概念，使學生具備模擬不同計算環境執行程序的初步能力。在教師指導下完成TOY計算機模擬器的設計后，教師可鼓勵學生試著利用TOY指令集中的指令編寫更為復雜的TOY程序，然后利用TOY計算機執行，也可以對TOY計算機的指令集進行擴展，使其功能更為強大，從而進一步驗證了圖靈機的計算可行性理論，與“計算與社會”一章的內容相呼應。

4實施效果及要點

為貫徹落實大學計算機基礎課程新大綱對學生計算機系統能力培養的要求，陸軍勤務學院自2017級開始按照新大綱施訓，堅持以計算思維的培養為導向，以重點課程建設為契機，從課程內容整合、章節案例設計、創新能力3個方面來看，取得了良好效果。主要包括以計算思維培養為導向，梳理課本知識點，形成體系化模塊；結合教學內容設計的具有軍事特色的教學案例，曾在軍隊院校計算機基礎課程教學案例設計競賽中獲一等獎；積極開展以賽促改豐富第二課堂培養模式的探索與實踐。實施3年來，任課教師多人次獲得軍隊、市、校級各項教學研究成果獎，學生多人次獲得藍橋杯全國軟件和信息技術專業人才大賽國賽、省賽等各項賽事的一、二、三等獎。

5結語

大學計算機基礎課程作為高校計算機基礎教育階段的核心課程，其教學成敗對于提升學生的信息素養起著至關重要的作用。要提高教學質量，就需要教師從課程內容的整體著手，仔細打磨每一章節內容的編排與教學方法。計算機基礎教學團隊的教師結合我校的實際情況，從目前面臨情況的剖析、教學內容分析、教學方法設計等方面系統地探討了在進行計算機系統一章教學中如何進行計算思維能力的培養，并經實踐證明達到了良好的效果。雖然取得了一定的成績，但距離培養學生計算思維能力的教學目標仍然有不少的差距。如何將計算思維的培養融入到教學模式、方法和手段的創新中，從而實現對學生進行創新能力、終身學習能力等核心能力培養目標的賦能教育需求，需要計算機基礎教育工作者進一步探索。

參考文獻：

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[7]呂潔,李瑛,杜晶.以計算思維為導向的大學計算機基礎課程改革的實踐與探索[J].計算機工程與科學,2019(增刊1):1-5.

作者:巨亞榮 王偉嘉 寧亞輝 陳勤 單位:陸軍勤務學院