问题引导下“计算机组成原理”任务驱动教学设计的研究

屈正庚

(商洛学院,数学与计算机应用学院， 陕西，商洛 726000)

0 引言

“计算机组成原理”是计算机相关专业的一门核心课程，属于理论性极强的计算机硬件课程。现在到处都使用计算机进行学习、办公，但是许多学生并不了解计算机硬件组成、内部结构、具体工作原理与思维方式，在实际维护、应用升级等方面存在困难，因此学习此门课程对上述问题进行解释。但是这门课程理论性比较强，有些东西在实际中看不见、摸不着，采取传统教学方法开展教学，教学效果无法达到预期目标，出现这种问题有多种原因引起，一方面教师常年教学模式和方法受到惯性思维的指导，传统的教学状态无法打破，新的教学方法需要三到四轮的实践才能有效，漫长的过程导致很多教师放弃；另一方面网络教学资源丰富，目前学生学习知识的方法很多，学生对课堂的依赖性不断减弱，如果觉得课堂枯燥乏味就失去了积极主动学习的兴趣，导致课堂教学注意力不集中；最后计算机新技术的快速发展，软件技术不断取代硬件技术，迫使学生从内心世界淡化硬件课程的学习和认知。长此以往导致课堂教学恶性循环，教学改革越来越艰难。

本文从网络工程、计算机应用技术等相关专业的“计算机组成原理”课程教学大纲出发，结合当前工程教育认证的要求，对本课程课堂教学进行初步改革与实践。由于计算机专业知识更新迅速、课程类别众多、应用性广泛，还存在交叉学科的特点，在教学改革中需要注重独立思考、探索问题、发现问题、分析问题、总结问题、归纳问题等能力培养，追求多层次、多目标、多实践的认知、理解能力。

1 问题引导下任务驱动教学的总体设计思路

1.1 问题式课堂教学设计

问题引导式教学方法是印度最早从事IT职业教育的Aptech计算机教育公司推出的培养软件程序设计人员的课程体系，提出了3W1H，北大青鸟集团于2000年引入中国。3W1H是指WHAT、WHY、WHERE、HOW，第一个W要求教师讲清楚是什么，第二个W要求教师说出来为什么，第三个W要求教师表达出在哪里用，H要求教师叙述出如何用的问题。3W1H的内涵与“计算机组成原理”课程目标与作用是一致的，既要讲解清楚计算机硬件设备的工作原理与设计思想，又要将这些原理应用于生产、生活中，这种教学方法刚好符合当前高校应用型人才培养目标。但是这种教学方法对教师提出了更高的要求，教师需要具备丰厚的专业知识，生动有趣、严谨创新的课堂教学设计，学生能否主动参与、达到预期效果就看教师在教学过程中是否融入一些新颖的教学方法、理念、思维。因此需要问题式课堂教学设计模式，其设计[1-2]如图1所示。

图1 问题引导式教学设计

1.2 任务驱动法教学设计

任务驱动法是指在教学活动中，学生紧紧围绕教师设计的任务活动，在强烈的问题动机的驱动下，通过主动学习进行自主探索和互动协作，并在规定的时间内完成任务。任务驱动教学法的关键点是设计有趣合理的任务，这决定了学生主动学习的积极性。一般情况下，任务需要遵循6个原则：目标性、合理性、趣味性、操作性、完整性、应用性。任务设计分为6个环节：确定目标导入任务，分析任务提出问题，自主探究解决任务，师生互动提升任务，结果展示取长补短，任务评价与总结。具体关系[3-4]如图2所示。

图2 任务驱动法教学设计

这种教学模式的优势在于能够让学生成为教学的真正主体，充分发挥每位学生的自主性、创新性，并积极思考、协作和沟通。具体实施的难点在于设计任务的难易程度无法兼顾到所有学生学习情况和教学目标实现[5]。

1.3 问题引导下任务驱动教学的总体设计

通过分析与总结问题式引导法和任务驱动法的优缺点，将这2种方法结合起来展开课堂教学，取长补短，既能弥补教师教学能力的不足，又能发挥学生积极性，缩小学生学习情况的差距。在课堂上设计任务引出问题，学生在完成任务的过程中采用3W1H思想进行，教师通过线上线下对问题进行解答，达到预期的教学效果和目的。保证“计算机组成原理”课程教学的完整性、流畅性，学生完成任务的实时性、有效性。根据目前情况设计总体教学流程[6-7]如图3所示。

图3 整体教学设计思路

根据上述教学总体设计流程，结合课程教学大纲，“计算机组成原理”课程一共32个讲授学时，从基础概念、计算机硬件结构、中央处理器、控制单元4个部分开展教学。围绕计算机系统组成、总线的结构及特性、存储器的结构与工作原理、高速缓冲存储器的工作原理、输入输出系统的数据传送方式、计算机的各种运算方法、计算机操作指令的工作原理、CPU结构及工作原理、控制器的结构及设计原理等知识点进行讨论[8]。结合课程重难点知识，课程设定7个教学任务。第一，通过计算机系统组成明白如何衡量1台计算机性能指标，目的在于使用计算机时如何去保养和维护、购买时需要注意哪些方面，建立一个整机的概念。第二，通过系统总线明白总线是干什么的，是如何设计和控制总线的，目的在于理解总线在计算机硬件结构与组成中的作用和地位。第三，学习存储器、高速缓冲的工作原理明白计算机是如何存储程序代码、键盘输入的信息是如何存放与显示的，目的在于明白存储器进行信息输入输出是如何实现的，以及和其他部件如何链接工作的。第四，通过计算机的运算方法明白各种数据在机器中是如何存储的，如何进行四则运算的，目的在于明白计算机在自动解题过程中数据加工处理流程原理。第五，通过计算机操作指令的工作原理明白为什么计算机会自动化处理数据，而且精度高、效率快、记忆力强，目的在于体会指令与机器硬件之间的密切关系。第六，通过CPU结构及工作原理明白一条机器指令执行的全过程是什么，涉及哪些硬件设备，硬件设备是如何配合的，目的在于进一步深刻理解CPU在计算机中的地位和作用。第七，了解控制器的结构及工作原理，明白不同指令所发出的各种命令为什么能有条不紊地完成相应操作，而且安全、可靠、稳定，目的在于体会控制器在计算机运行中所起的核心作用[9]。

教师将教学任务提前进行线上发布，每个任务都应有一个明确的目的，同时给出3～4个思考题；学生采用3W1H的思想，分组查阅资料、积极讨论、认真设计方案、及时提交完成结果；教师在线统计学生完成情况，总结学生知识掌握情况，随时调整课堂教学进度、深度、难度，更有针对性、目标性地完成课堂教学任务，达到事半功倍的效果。课后对课堂讲解的知识点给出一些测试题，用时需10分钟左右的题量，主要以选择、判断、填空、解释题为主，学生随机抽取题目进行作答，将作答的成绩纳入平时成绩考核当中。

2 教学设计应用实例

以存储器的教学内容为例，采用问题式引导法进行教学设计。存储器的教学一共分为4部分内容：存储器基本概念、主存储器的结构及工作原理、辅助存储器的结构及工作原理、高速缓冲存储器的结构及工作原理。重点以主存储器的结构及工作原理的知识点设定任务，具体设计如下。

任务目标：掌握静态和动态随机存储器结构、读写数据的过程。

完成内容：

(1) 静态随机存储器的结构及原理;

(2) 静态随机存储器读写数据的过程;

(3) 动态随机存储器的结构及原理;

(4) 动态随机存储器读写数据的过程;

(5) 静态和动态随机存储器的区别。

引导问题：

(1) 寄存器和主存储器都是用来存放信息的，它们有什么不同;

(2) 只读存储器和随机存储器是一样的随机存取存储器吗;

(3) 静态随机存储器和动态随机存储器的结构是否一样;

(4) 静态随机存储器和动态随机存储器数据读写过程是否相同;

(5) 刷新和重写是一回事吗？

第一个问题讲授主存储器的作用和意义，第二个问题引出存储器的分类、特性，第三个问题指出静态随机存储器与动态随机存储器的内部结构各自有哪些特征，第四个问题说明静态随机存储器与动态随机存储器的外部特性有何不同，第五个问题讲述静态随机存储器和动态随机存储器异同点。

课程内容结束后，围绕问题和讲解的知识设计不同的测试题，通过线上发布及时督促学生作答，促进学生对课堂知识的及时巩固，加强教师课堂教学状态的及时反馈[10]。

课后十分钟测试题：

(1) 主存储器的特点是(容量小)、(价格高)、(速度快);

(2) 静态随机存储器由(双稳态触发器)组成，动态随机存储器由(电容)组成;

(3) 动态随机存储器的3种刷新方式：(集中式)、(分散式)、(异步式)，刷新的原因是(电荷漏电);

(4) 随机存储器可进行数据(读)、(写)、(删除)操作，只读存储器只能进行数据(读)操作;

(5) 静态随机存储器地址只有(行地址)，动态随机存储器地址分为(行地址)、(列地址);

(6) 随机存储器进行数据写操作时，需要(CS=0)、(WR=0);

(7) 刷新是(定时的)，重写是(随机的);

(8) 主存储器可以和(辅助存储器)、(CPU)、(高速缓冲存储器)交换信息;

(9) 主存储器和辅助存储器指标的不同点。

课程考核机制采取多元化模式，学生线下任务完成、线上测试题完成、分组课堂展示、期末考试成绩等多个部分组成，注重学生自主学习性、积极参与度，打破传统的期末考试成绩单一评定机制，开发学生爱学习、想学习、勤思考的习惯。

3 总结

本文以“计算机组成原理”课程为例，从章节知识入手，采取任务驱动法展开教学，结合实际情况设计学习任务，学生在完成任务中激发学习兴趣、获取成就感、使命感，再利用问题式引导法提出理论知识点，以学生为主体展开线上线下混合式教学模式，运用灵活多样的教学手段丰富课堂气氛，提高学生主动学习能力，培养学生分析问题、解决问题的能力，团队合作、沟通、协调的能力。改变传统教学模式和方法，激发学生学习兴趣、以追求学生独立思考、自主创新能力为目标，建立对课程系统化的认识、对专业深层次的理解。