计算机系统教学设计研究

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摘要：分析计算机系统在大学计算机基础教学中的重要性以及它与计算思维之间的内在联系，针对目前国内大多数高校在进行该部分内容教学时普遍存在的问题，从计算思维的本质特征出发，以计算思维的过程为轴线将教学内容整合为一个有机的整体，遵从建构主义理论，根据不同的教学内容设计恰当的教学方法并付诸实践，以期使学生在掌握计算机科学基础知识的同时，培养主动运用计算思维解决问题的能力。

关键词：计算思维；计算机系统；BOPPPS；实例化教学法；模拟器构建

计算思维的概念由美国卡内基•梅隆大学的周以真(JeannetteM.Wing)教授首先提出。周教授认为，计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动[1]。大学计算机基础课程作为大学生入校第一门信息类课程，其教学目的就是从使用计算机、理解计算机系统和计算思维3个方面培养学生的计算机应用能力。“计算机系统”作为该课程内容的重要组成部分，以计算机系统程序员的视角，阐述计算机系统的组成、结构及工作原理。课程教学目标，是以训练学生将计算思维应用于各领域求解问题的能力为突破口，从系统的思想和创新意识的角度培养学生的创造性。因此，计算思维为我们提供了一种改革计算机系统教学设计的新思路。

1问题分析

在实际教学中，大部分高校制定的针对计算机系统部分内容的教学大纲虽然明确了教学目标及教学手段，但是因为缺乏合适的实验题目或实验环境，多数情况下教师只能在课堂上向学生灌输诸如计算机硬件的组成部件及各部件功能、计算机硬件之间协同工作的过程以及操作系统的功能等知识性内容。学生被动地接受知识，但对于隐藏在这些知识背后的思维过程训练，如计算机硬件结构为什么设计成这样，而不是另外的形式等问题，几乎未曾涉及。具体到计算机系统能力，即将计算机系统中软件和硬件作为整体进行理解与设计的能力的培养，更是收效甚微。一是教学内容碎片化、结构偏理论化。一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成，但目前国内大部分计算机基础课程的教材中却将这两部分内容完全割裂开来，分为单独的两章，分别对硬件和操作系统的内容进行泛泛的讲解，这样的编排方式使得学生对于计算机系统这一内容体系的整体观难以把握，甚至在学习基础知识时无法有效贯通。至于冯氏体系结构的诞生背后蕴藏的科学探索史及科学精神，则会因教师授课过程中轻描淡写地一带而过而被学生忽略，而这正是通过对专业知识的讲授，培养学生科学探索精神，进而进行思想政治教育的最佳途径。二是教学方法以讲授为主，学生参与度不高。学生可能学习了大量被认为是正确的、标准化的计算机科学基础概念，但无法深入到问题求解、系统设计的过程中去体验，不知这些知识是怎么得来的，学了这些知识有什么用，自然也就不会在各领域中主动运用所学知识解决实际问题了，计算思维的培养更是纸上谈兵。

2计算机系统教学内容分析

一个的好的教学设计能够设法以计算思维为导向，将教学内容整合成一个有机的整体，努力发现内容之间的联系，形成知识脉络，使知识活化。为培养学生的信息素养，必须在计算机基础课程中重视“系统观”，内容的整合应以广度优先，并且能够作为媒介为分立知识点建立逻辑联系[2]。就计算机系统一章而言，需要对教学内容进行有机整合，形成“从两头到中间、从简单到复杂、从框架到细节”的螺旋式上升的内容体系；同时，可设计一些案例，使其能够将硬件层面的内存、I/O外设、处理器基本组件和软件层面的设备驱动程序、通用程序库、应用程序等知识点综合覆盖[3]。学习计算思维，就是学习如何“构造”某种事物。结合计算机系统一章的内容，遵循计算思维的方法过程，就需要首先建立计算环境，然后创建基于计算环境的问题求解过程，最后构造对问题求解过程的验证方法。可将这3个构造过程分别命名为：对象构造、过程改造、验证构造。因此，以计算思维的3类构造为模板，可将本章内容与这3个模板一一对应起来，如图1所示。2.1计算机硬件系统。该部分首先对计算机系统进行概述，通过对“计算”概念的理解和计算装置的发展过程的回顾，引出冯•诺依曼体系结构，并以此为依据，介绍计算机系统的硬件构成。围绕该体系结构各部件，介绍它们如何进行信息表示、信息传递和信息处理，偏重于介绍各部件核心构成以及基本工作原理。该部分内容对应计算思维中的“对象构造”环节，即计算环境的构造，主要从对“计算”概念的理解出发追本溯源，重点突出冯•诺依曼体系结构的形成过程及抽象层次[4]。2.2操作系统。操作系统是实现计算思维本质之一的自动化（程序自动执行）的软件基础。该部分内容主要介绍现代计算机操作系统的基本概念、基本原理、设计方法和实现技术及当今主流操作系统的管理方法。由于操作系统主要解决基于已有计算机硬件体系的计算资源管理问题，因此可视为是构造基于计算环境的问题求解过程，即过程改造环节。因此可与计算思维中的绑定、按空间排序、按时间排序、重用、折中等方法相呼应。2.3计算机模拟器构建。为使学生更好地理解计算机的工作原理，便于从整体上理解计算机系统的实质，可借助计算思维对冯•诺依曼体系结构机器进行建模和模拟。通过指导学生对计算机硬件系统和操作系统功能进行模拟，使学生关注大问题的复杂性、一致性、完备性、效率、安全性等计算思维的基本要素，而通过这种“验证构造”的训练过程，能培养学生利用计算手段对社会/自然问题进行求解的基本思维模式，训练其利用典型计算思维进行计算系统构造的初步能力。上述三大模块内容均是“计算+”思维的核心，是构造/应用各专业相关计算系统的基础。

3计算机系统教学方法设计

3.1运用BOPPPS模型进行计算机硬件系统教学。以建构主义和交际法为理论依据提出的“BOPPPS”模型是北美高校教师技能培训过程中推崇的一个教学模型，该模型从教学组织和实施角度，将教学过程分为6个模块，即导入（Bridge-in）、学习目标或结果（ObjectiveorOutcome）、前测（Pre-assessment）、参与式学习（ParticipatoryLearning）、后测（Post-assessment）和总结（Summary）等，简称BOPPPS模型[5]。将BOPPPS模型运用到计算机硬件系统一节的课堂教学设计中，目的是创造一种“生生互动”和“师生互动”为主要组织形式的新型课堂教学结构，有效提升课堂授课质量和学生的学习成效。根据BOPPPS模型将“计算机硬件系统”一节的教学设计划分为图2所示的几个环节。图2所示的“CPU中寄存器角色游戏”即是参与式教学的具体体现，教师可首先讲解指令的结构及其执行过程，然后将全班学生分成几个小组，由各组每名学生分别扮演如CPU、指令寄存器、程序计数器、内存等不同的硬件角色，通过执行一段汇编语言代码来更新每种硬件的值。通过这个游戏来模拟计算机指令执行的过程，使学生在主动参与学习的过程中，加深对计算机工作方式的理解，同时可培养其团队协作精神。“教学有法但无定法”，采用BOPPPS模型进行教学设计时不应拘泥于其6个模块的结构和顺序，教师需要按照授课内容将BOPPPS模型融于教学设计中。3.2基于实例化教学法讲授操作系统。操作系统一节内容理论性强、原理多且抽象，不便于学生理解、掌握与应用。在教学过程中引入实例化教学，与操作系统的抽象概念和原理进行类比，阐释这些概念和原理，能取得较好的教学效果[6]。实例化教学法由哈佛大学提出的案例教学法发展而来，采用与传统讲授方法相反的教学思路，即“实例、概念、理论”模式。按照这种模式，笔者对该部分内容的教学活动采取以问题求解为引导，将基础知识穿插在求解问题的过程中讲解的策略。课堂讲核心知识，外延知识学生自学，再加入一些辅助教学手段和学习渠道，则会达到更好的教学效果。具体实施中，可采用计算思维中嵌入的方法，把课程的基本知识和概念适时地加入到来自实际生活的教学案例设计中，这样不但使教师讲授变得通俗易懂，学生接受知识也有豁然开朗的感觉。这样的教学模式也恰好属于计算思维范畴中的基于教学内容培养学生折中思维的方法。以“完成把一个AutoCAD安装软件下载到本机并安装”为案例，图3展示的是在完成任务的过程中，计算机针对用户的每一个操作所完成的工作。通过讲述这个在现实中操作简单的实例如何被计算机操作系统完成的过程，将操作系统的各大知识板块联系在一起。在讲解过程中，教师引导学生发现问题、总结问题，进而抽象成操作系统中的相关原理和概念。比如向学生阐明，当用户点击下载保存后，AutoCAD软件被保存在计算机硬盘上，这属于设备管理；而计算机上还会有一个图标与其对应，这就是文件管理的一部分；用户双击这个图标，AutoCAD安装程序就会开始执行，执行的过程中就涉及存储器管理、CPU管理等。这样，以问题驱动的教学设计使学生以完成任务为最终目标，通过解决一个又一个遇到的问题，一步步将操作系统这一节的知识点自然地串联起来，学生学习兴趣浓，解决问题后有成就感。同样，在讲解“进程调度”“系统调用”等内容时，可结合现实生活中同一家庭成员由于信息沟通时序差异引起的对同一种食品重复采购问题，引导学生思考解决该问题的方案，通过分析学生提出的各种方案的利弊，引入操作系统中“同步”的概念，进而可简单介绍操作系统中采取“同步”机制的原理及意义，讲解中需强调计算机与人的差异。在完成操作系统模块的学习后，教师可以就某个武器装备智能控制系统为例，向学生描述武器系统的背景，通过介绍该智能控制系统的组成结构，启发学生通过类比的方式，对该武器系统的软硬件进行划分，总结归纳各部分的主要功能。这样的实例化教学活动能帮助学生建立起计算机系统与装备的联系，促进理论知识在现实中的精准落地。3.3基于仿真的实训教学设计。重视章节实践项目的设计，将课程内容适当融入实训项目的设计中，多设置综合型的实训项目[7]。项目案例的设计应注重学生未来任职岗位特点，挖掘典型情景，使学生能够从自己专业领域的角度审视、体会和实践计算机科学中的特有思维方式，以此来有效激发学生学习案例涉及的相关知识的兴趣，进而实现计算思维培养的落地。在学生掌握了计算机硬件系统的基本知识和操作系统基本原理的情况下，应要求学生进行探索性的综合设计实验，以培养学生的创新精神。本部分要求学生用python语言编写一个名为TOY的计算机模拟器，模拟计算机硬件完成将文件从硬盘加载到内存并逐条读取指令，然后执行指令的过程。教师在指导学生构建该模拟器的过程中，应把握计算思维的本质，从抽象层面上引导学生对问题进行约简，即从计算机硬件的组成角度思考，对模拟器功能进行抽象，进而确定对计算机的存储器、CPU中的寄存器、指令的读取和执行等4个方面进行模拟；从自动化角度考虑，编程实现4个模块，分别与上述的4个抽象功能进行一对一的映射。表1是运用计算思维进行计算机模拟器构建过程中相关的步骤及解决方案。通过讲述程序的编写编译过程，进一步强化“抽象”和“自动化”这两个计算思维的本质概念，使学生具备模拟不同计算环境执行程序的初步能力。在教师指导下完成TOY计算机模拟器的设计后，教师可鼓励学生试着利用TOY指令集中的指令编写更为复杂的TOY程序，然后利用TOY计算机执行，也可以对TOY计算机的指令集进行扩展，使其功能更为强大，从而进一步验证了图灵机的计算可行性理论，与“计算与社会”一章的内容相呼应。

4实施效果及要点

为贯彻落实大学计算机基础课程新大纲对学生计算机系统能力培养的要求，陆军勤务学院自2017级开始按照新大纲施训，坚持以计算思维的培养为导向，以重点课程建设为契机，从课程内容整合、章节案例设计、创新能力3个方面来看，取得了良好效果。主要包括以计算思维培养为导向，梳理课本知识点，形成体系化模块；结合教学内容设计的具有军事特色的教学案例，曾在军队院校计算机基础课程教学案例设计竞赛中获一等奖；积极开展以赛促改丰富第二课堂培养模式的探索与实践。实施3年来，任课教师多人次获得军队、市、校级各项教学研究成果奖，学生多人次获得蓝桥杯全国软件和信息技术专业人才大赛国赛、省赛等各项赛事的一、二、三等奖。

5结语

大学计算机基础课程作为高校计算机基础教育阶段的核心课程，其教学成败对于提升学生的信息素养起着至关重要的作用。要提高教学质量，就需要教师从课程内容的整体着手，仔细打磨每一章节内容的编排与教学方法。计算机基础教学团队的教师结合我校的实际情况，从目前面临情况的剖析、教学内容分析、教学方法设计等方面系统地探讨了在进行计算机系统一章教学中如何进行计算思维能力的培养，并经实践证明达到了良好的效果。虽然取得了一定的成绩，但距离培养学生计算思维能力的教学目标仍然有不少的差距。如何将计算思维的培养融入到教学模式、方法和手段的创新中，从而实现对学生进行创新能力、终身学习能力等核心能力培养目标的赋能教育需求，需要计算机基础教育工作者进一步探索。

参考文献：

[1]李暾.计算思维导论:一种跨学科的方法[M].北京:清华大学出版社,2016:30-32.

[2]艾广燚.系统性知识整合在计算机类教育中的实践初探[J].计算机工程与科学,2019（增刊1）:182-185.

[3]袁春风,陶先平,汪亮,等.面向计算机系统能力培养的课程实验体系构建[J].实验技术与管理,2018(6):12-16.

[4]李暾,毛晓光,刘万伟,等.大学计算机基础[M].3版.北京:清华大学出版社,2018:130-135.

[5]曹丹平,印兴耀.加拿大BOPPPS教学模式及其对高等教育改革的启示[J].实验室研究与探索,2016(2):196-200,249.

[6]袁红丽,李艳,谢志英.以计算思维为导向的计算机操作系统教学设计[J].计算机工程与科学,2014(增刊1):205-207.

[7]吕洁,李瑛,杜晶.以计算思维为导向的大学计算机基础课程改革的实践与探索[J].计算机工程与科学,2019(增刊1):1-5.

作者:巨亚荣 王伟嘉 宁亚辉 陈勤 单位:陆军勤务学院