融入“计算思维”的计算机硬件类课程改革

曹建芳　赵青杉

摘要：针对大学计算机硬件类课程的教学实际，分析计算机硬件类课程和计算思维的内在关系。从整合教学内容、改革教学方法和考核评价模式三方面着手，阐述在计算机硬件类课程中贯穿计算思维能力的可行性，为深化课堂教学改革提供了新的思路。从近年学生的考核成绩看出，取得了良好的教学效果。

关键词：计算思维；计算机硬件类课程；教学改革

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）07-1461-02

1 概述

计算机硬件类课程在高校计算机专业占据非常重要的地位，从逻辑角度和应用角度为学生阐述计算机的基本原理和使用方法，让学生在计算机硬件方面打下坚实的理论基础，并为学生今后应用技能的提升奠定基础，其应用范围非常广泛且与实际工程联系紧密[1-3]。因此，计算机硬件类课程是大学计算机专业的必修课程。然而，由于这类课程理论性较强，大多数高校的硬件类课程实践环节相对薄弱，导致硬件类课程的教学一直是计算机学科体系结构教学中一个比较薄弱的环节。

计算思维是由美国卡内基·梅隆大学的周以真教授于2006年在ACM的会刊上提出来的。他指出：计算思维是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类的行为，它包括了涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动[4，5]。计算思维使用约简、转化和仿真等方法，利用启发式推理，采用抽象和分解处理庞杂任务的手段，将一个看似极其复杂的问题转换成一个个易于处理的小问题。也就是说，计算思维就是通过人的思维进行计算，即人通过特定的思维活动使用计算机解决实际问题，计算机在解决问题过程中充当媒介的作用，它是人和机器相结合的产物[6]。

计算机硬件类课程作为计算机学科的核心基础课程，其理论性、实用性和创新性较强，面对这样知识庞杂而又抽象的课程，融入计算思维的理念，对其进行教学改革，使学生灵活的掌握计算机硬件的基本原理和应用技能成为必然。

2 教学改革思路和方法

2.1 引入关注点分离方法，整合教学内容

大学计算机硬件类课程主要涉及电工与电子技术、数字逻辑、计算机组成原理、操作系统、微机原理、计算机网络等课程，这些课程看起来比较分散、自成体系、教学内容抽象，是教师最难教、学生最难学的课程。关注点分离是计算思维的方法之一，它将复杂抽象的问题合理分解成具体的小问题，再研究各个小问题的不同侧面，形成关注点，然后汇总各个问题的结果，形成解决方案。在大学计算机硬件类课程中，引入关注点分离方法对教学内容进行整合，可以使得抽象的问题具体化，复杂的问题简单化，对教师教学起到事半功倍的效果。例如在操作系统课程的教学过程中，选择以Windows NT操作系统的功能为主线，将课程所有的知识点（进程管理、进程调度与死锁、存储器管理、设备管理和文件管理）融入到具体的实例中，避免了学生在学习过程中感觉到知识点分散零乱、难以理解，让学生在学习操作系统课程的过程中，形成一个完整的知识体系，帮助学生更好的理解知识；在微机原理课程的教学过程中，以80386CPU的指令系统及设计为主线，将主要知识点指令系统、汇编语言程序设计、中断以及接口电路设计贯穿其中，这样既浅显易懂，又形象生动，极大的增强了学生的学习兴趣。其他硬件类课程的教学也基本采用关注点分离教学法，教学效果良好。

2.2 利用启发式教学，体现计算思维

启发式教学是针对传授的知识，先提出一个源自实际生产生活的问题，然后与学生共同探討分析问题，引导学生逐步解决问题，在该过程中讲授分析问题和解决问题所需要的理论和方法。以操作系统课程中的进程同步为例，这是进程管理部分教学的重点，也是难点。在讲解这部分内容时，先以典型的司机—售票员问题导入，与学生共同探讨在公共汽车上司机与售票员的相互合作关系以及合作的先后次序关系，分析两者的相互制约关系，从而得出使用信号量机制解决进城同步的方法；在计算机网络课程中，局域网组建是教学的重点，在讲授这部分内容时，首先以日常实验室局域网的组建情况为例，与学生一起分析实验室局域网的工作原理，共同探讨一般局域网的组建方法，从而得出在实验室组建虚拟局域网和实际局域网的实施方法。这样既加深了学生对知识点的掌握理解，也培养了学生的计算思维能力。

2.3 使用任务驱动教学模式，训练计算思维

任务驱动教学模式是让教师和学生围绕任务展开教学活动。这种模式中，教师的主要工作是设计任务、呈现问题、辅助任务实施和总结评价，学生通过明确任务、分析问题、交流和反思训练计算思维，培养和增强学生分析和解决实际问题的能力。

以数字逻辑课程为例，教师根据课程特点，运用计算思维的方法呈现教学任务，要求学生分组完成一个具体的组合逻辑电路的设计与实现。学生以每组3—5人自由组合，每组选出负责人，教师通过展示往年学生的设计作品，向学生提供部分选题作为参考，学生也可通过调研自行选择一些有意义的与课程相关的电路进行设计。在教学过程中，教师使用关注点分离方法将组合逻辑电路审计分解为简单的小问题，然后以设计成果的形式要求学生完成课程任务，让学生在完成具体任务的过程中学习并应用教学内容，提高了教学效率。学生在教师的实时指导下，明确任务，分析问题，各组学生分工协作，定期交流，通过查阅资料和调研等途径探究解决问题的途径。最后，学生在教师指导下完成任务后，通过展示和自评，并交流自己的学习心得，教师总结点评，帮助学生拓展所学知识，训练学生的计算思维能力。

3 教学效果考核

考核评价是教学活动中不可或缺的重要环节，是检验教学效果的重要手段。随着计算机硬件类课程教学改革的深入，课程的考核评价模式也应随之改革。根据计算思维能力的培养要求，必须打破传统的只侧重于考查学生对理论知识点的掌握程度的考核评价模式，建立真正体现学生计算思维能力的考核评价模式。传统的考核评价方法是：学生成绩=平时成绩×20%+理论考试成绩×80%。改革之后，学生成绩=平时成绩×10%+理论考试成绩×45%+实验成绩×45%。实验成绩就是学生做实验完成具体任务的考核成绩。可以看出，改革之后的考核评价模式增加了实验成绩，重点考核学生运用计算思维能力分析问题和解决问题的能力。下表1是近几学年计算机硬件类课程改革之前和之后我系计算机科学与技术专业学生的平均考试成绩。

从表1可以看出，在计算机硬件类课程中贯穿计算思维能力的培养之后，学生的考核成绩明显提高，而且通过对两届学生的问卷调查显示，课程改革之后，学生的学习兴趣大幅度提高，动手实践能力也大大提高，教学效果良好。

4 结束语

计算思维作为人类的三大思维方式之一已受到了广泛的关注。该文给出了融入“计算思维”的大学计算机硬件类课程教学改革的新模式，围绕课程教学内容的整合，教学方法和考核评价模式的改进，让学生在解决实际问题的过程中领会并掌握计算思维方法，提高了学生独立思考解决问题的能力和团队创新协作能力，使教学效果得到明显提高。这种教学模式所传授的思想和方法，将广泛应用于计算机专业的其他专业课程中，这将为学生更好的学习计算机专业其他相关课程奠定坚实的基础。

参考文献：

[1] 教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会. 高等学校计算机科学与技术专业公共核心知识体系与课程[M]. 北京： 清华大学出版社， 2008： 50-53.

[2] 蔡启先， 蓝红莉， 阳树洪. 计算机组成与汇编语言[M]. 北京： 清华大学出版社， 2011.

[3] 蔡启先， 蓝红莉. 计算机硬件技术基础学习及实验指导[M]. 北京： 清华大学出版社， 2011.

[4] 周以真.计算思维[J].中国计算机学会通讯，2007，3（11）：83-85.

[5] 陈国良，董荣胜.计算思维与大学计算机基础教育[J].中国大学教学，2011（1）：7-11.

[6] 董荣胜.计算思维与计算机导论[J].计算机科学，2009，36（4）：50-52.

[7] 汤小丹，梁红兵，等.计算机操作系统（第三版）[M].西安：西安电子科技大学出版社，2009.