黃麗達(dá)　趙歡　楊科華　劉彥

摘要：計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)是智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的核心課程，是智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)智能控制系統(tǒng)、智能機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)等后續(xù)專業(yè)課程的基礎(chǔ)。文章針對(duì)計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)教學(xué)中的實(shí)際問題，分析課程特點(diǎn)及智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，探討“大班授課+小班討論”模式如何應(yīng)用于課程的教學(xué)實(shí)際，從教學(xué)內(nèi)容、大班講授的課堂設(shè)計(jì)、小班討論的引導(dǎo)和積極計(jì)分策略、注重學(xué)習(xí)過程的成績評(píng)定方式等多個(gè)方面，闡釋教學(xué)實(shí)踐及其成果。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；注意力曲線；積極計(jì)分策略；學(xué)習(xí)過程

0引言

智能科學(xué)技術(shù)涵蓋智能科學(xué)、智能技術(shù)、智能工程3個(gè)層次的內(nèi)容，各層次分別圍繞人機(jī)結(jié)合智能系統(tǒng)的相關(guān)理論、方法以及智能技術(shù)工具創(chuàng)建應(yīng)用系統(tǒng)。因而，對(duì)于智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生，能夠從系統(tǒng)級(jí)的觀點(diǎn)考慮科學(xué)問題并進(jìn)行相關(guān)工程設(shè)計(jì)，具有重要意義。根據(jù)ACM/IEEE最新公布的相關(guān)課程指導(dǎo)文獻(xiàn)，計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)類課程群的重要組成之一，涉及系統(tǒng)基礎(chǔ)（systems fundamental，SF）、體系結(jié)構(gòu)與組成（architecture and organization，AR）、操作系統(tǒng)（operating systems，OS）等多個(gè)知識(shí)域（BoK），對(duì)于以智能科學(xué)與技術(shù)為代表的計(jì)算機(jī)工程專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)觀的培養(yǎng)以及系統(tǒng)能力的增強(qiáng)，起到關(guān)鍵作用。

隨著我國高等教育已經(jīng)從精英化向大眾化甚至普及化的轉(zhuǎn)變，對(duì)本科生的培養(yǎng)要求進(jìn)一步提高。讓最廣泛的學(xué)生獲得最基本的核心內(nèi)容學(xué)習(xí)，是教學(xué)的主要目標(biāo)，相應(yīng)的教學(xué)理念也從傳統(tǒng)的“以教師講授為中心”轉(zhuǎn)換為“以學(xué)生為中心”。為此，我們針對(duì)計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程教學(xué)所面臨的若干挑戰(zhàn)進(jìn)行了一些有益的探索和實(shí)踐。

1教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整

本課程采用國際一流大學(xué)卡耐基·梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon University，CMU）的《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》作為課程教材，該書是當(dāng)前國際上計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程的主流教材，書的整體內(nèi)容在廣度上大于之前國內(nèi)使用的傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)組成原理教材?？紤]到16周的教學(xué)周期，以及旨在讓智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生著重理解硬件、操作系統(tǒng)和編譯系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用程序的性能和正確性的影響，而不論及低層次的處理器體系結(jié)構(gòu)，我們將教學(xué)內(nèi)容限定在數(shù)據(jù)在機(jī)器內(nèi)的表示、程序的機(jī)器級(jí)表示、程序性能優(yōu)化、存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)、鏈接、異?？刂屏饕约疤摂M存儲(chǔ)器等。然而待講授的內(nèi)容仍然是極為豐富的，尤其是面對(duì)僅學(xué)習(xí)過C或C++高級(jí)程序語言的大二本科生，如何在2～3周的時(shí)間習(xí)慣Linux的命令行操作以及匯編程序的理解是本課程教學(xué)之初需要解決的重要問題。

2

教學(xué)及評(píng)判方式的轉(zhuǎn)變

目前國內(nèi)本科教學(xué)改革在課堂教學(xué)方面先后出現(xiàn)了翻轉(zhuǎn)課堂、對(duì)分課堂等新的課堂組織形式，鑒于本課程授課對(duì)象是包括智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)在內(nèi)的6個(gè)專業(yè)、逾300名全職在校本科生，同時(shí)根據(jù)本課程的院核心課程的定位、學(xué)生的前修知識(shí)基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)特點(diǎn)，以及學(xué)生數(shù)目和層次的弱差異性，課程組決定對(duì)本課程采取大班授課（64學(xué)時(shí)）+小班討論課（16學(xué)時(shí)）的形式組織教學(xué)，其中大班課的單位是所有學(xué)生，小班課則以自然班為單位（30人左右），學(xué)生作為討論主體。大班授課面臨的主要問題包括聽課學(xué)生人數(shù)眾多、講授內(nèi)容多且難度大、課程進(jìn)度快；小班討論課亟待解決的問題則是如何激勵(lì)學(xué)生討論的積極性、討論課內(nèi)容與大課內(nèi)容如何銜接等。課程實(shí)驗(yàn)即使用教材配備的CMU課程實(shí)驗(yàn)。在本門課程中，大班授課、小班討論、課程實(shí)驗(yàn)是相輔相成的。

如何評(píng)判學(xué)生的學(xué)習(xí)效果一直是本科教學(xué)中的研討重點(diǎn)。傳統(tǒng)的筆試至今依然是國內(nèi)高校使用最普遍的學(xué)習(xí)評(píng)估方式。在多年的教學(xué)實(shí)際中，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生在相應(yīng)課程的期末筆試中獲得“卷面高分”和“確實(shí)達(dá)到了課程教學(xué)目標(biāo)既定要求”這兩者并不能畫上等號(hào)。為了鼓勵(lì)學(xué)生在本門課程投入足夠的精力，激發(fā)其主動(dòng)學(xué)習(xí)和自己動(dòng)手的積極性，本課程在學(xué)生成績評(píng)判上，更關(guān)注學(xué)習(xí)過程，強(qiáng)調(diào)動(dòng)手實(shí)踐，有意弱化期末卷面成績。這與著重培養(yǎng)以智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)為代表的工程類學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的總體目標(biāo)相一致。本課程總體成績的構(gòu)成為平時(shí)作業(yè)：小班報(bào)告：小班提問：實(shí)驗(yàn)實(shí)踐：卷面筆試=1：2：1：3：3，即課程成績散布于學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程的全部過程，這樣的分?jǐn)?shù)分配對(duì)日常教學(xué)與課程實(shí)驗(yàn)起到了重要的推動(dòng)作用。

2.1大班集中式講授

大班課堂以教師講授為主要形式，其目的在于解構(gòu)課程知識(shí)體系、闡釋關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)、串聯(lián)知識(shí)點(diǎn)的關(guān)系、展示經(jīng)典實(shí)例及啟發(fā)學(xué)生思路。

學(xué)生在學(xué)習(xí)一門課之前，尤其是一門核心必修課程，通常對(duì)課程整體缺乏理解，甚至有時(shí)候整門課程學(xué)完了，不少學(xué)生對(duì)這一門課程到底講了什么、為什么所在專業(yè)需要修習(xí)這門課程仍然不了解，靠死記硬背應(yīng)付完考試，很快就不記得課程學(xué)習(xí)的內(nèi)容了。這樣的課程教學(xué)顯然并未達(dá)到預(yù)計(jì)的效果。大課的教學(xué)最重要的目標(biāo)之一就是從系統(tǒng)化的角度為學(xué)生講述這門課程的架構(gòu)。對(duì)計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)而言，學(xué)生應(yīng)該知道本門課程的內(nèi)容位于軟件和硬件的交界處，與前修的數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)比較，后者處于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)中的下層，與后續(xù)操作系統(tǒng)等軟件技術(shù)課程緊密關(guān)聯(lián)。例如數(shù)據(jù)在機(jī)器中的保存，在數(shù)字邏輯課程中已有涉及，但在本門課程中，學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)以及程序在機(jī)器中的表示是為了更好地編寫高質(zhì)量的程序代碼，通過閱讀和理解反匯編生成的代碼，學(xué)生可以一窺系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制及其對(duì)程序執(zhí)行影響。

大班一次授課時(shí)長為90分鐘。文獻(xiàn)[8]指出，當(dāng)代大學(xué)生一堂課的注意力曲線如圖1所示。即在一次課的頭5～10分鐘，學(xué)生的注意力逐漸提升，隨后出現(xiàn)下降并持續(xù)到這一次課程的結(jié)束。文獻(xiàn)[9-10]指出，從單次課程的時(shí)間進(jìn)度看，在課堂講授進(jìn)行到10～15分（甚至可能3～5分鐘），學(xué)生就會(huì)出現(xiàn)認(rèn)知超載問題。這意味著，在學(xué)生注意力可能恰好或快要達(dá)到峰值的時(shí)候，即出現(xiàn)認(rèn)知超載，這會(huì)加劇學(xué)生注意力下降的速度和程度，使得課堂教學(xué)的效果難以保證。這種認(rèn)知負(fù)荷的出現(xiàn)，其內(nèi)在原因是由學(xué)習(xí)材料引起的，比如像《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》這樣單個(gè)單元概念密集、跨度明顯的教材，以及計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程本身的特點(diǎn)也決定了這不會(huì)是一門簡單的入門課程；認(rèn)知負(fù)荷的外在原因則直接受控于教學(xué)設(shè)計(jì)者，即授課教師，外在認(rèn)知和相關(guān)認(rèn)知負(fù)荷可以很好地由授課教師來控制，對(duì)內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷的產(chǎn)生會(huì)有減緩作用。

主講教師需要根據(jù)課堂進(jìn)度、授課內(nèi)容進(jìn)行精心設(shè)計(jì)。首先，大課集中講授主要用于闡釋關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，例如第8章“異?？刂屏鳌钡牡?節(jié)，2頁的書面內(nèi)容，連續(xù)出現(xiàn)了異常、中斷、故障、陷阱、終止、內(nèi)核模式、虛擬存儲(chǔ)、頁面映射等十幾個(gè)新術(shù)語，其中虛存的概念還要在下一章才會(huì)講到，若按部就班進(jìn)行講授，需要20～30分鐘的授課時(shí)間，學(xué)生會(huì)覺得難以承受，即出現(xiàn)所謂的認(rèn)知負(fù)荷超載。因此我們在授課的時(shí)候?qū)@一部分進(jìn)行提煉，從學(xué)生之前在高級(jí)語言中學(xué)習(xí)過的“異?！毙g(shù)語開始，在比較中解釋本章更廣義的“異?！备拍睿粡膶W(xué)生熟悉的“過程調(diào)用”開始，在比較中闡釋“異常返回”的動(dòng)作；從學(xué)生相對(duì)熟悉的“斷點(diǎn)”概念開始，比較并闡述“trap”“faults”和“aborts”，而“頁故障”的典型示例僅提及而不展開，明確告訴學(xué)生在后一章節(jié)的學(xué)習(xí)中再討論。當(dāng)課程進(jìn)入“虛存”一章的“頁處理”部分，再回溯到“頁故障”的異常及其處理，使學(xué)生能夠從虛存和異常兩個(gè)角度對(duì)“缺頁處理”有完整認(rèn)識(shí)。即在大課集中講授中為學(xué)生顯式展現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以提供知識(shí)點(diǎn)地圖的方式，幫助學(xué)生理順章節(jié)之間的聯(lián)系。對(duì)學(xué)生加深理解學(xué)習(xí)內(nèi)容大有裨益。

當(dāng)然僅凝練知識(shí)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)化連接知識(shí)點(diǎn)仍然無法解決學(xué)生注意力曲線的持續(xù)下墜趨勢。在本課程教學(xué)實(shí)踐中依據(jù)90—20—8原則，調(diào)整授課節(jié)奏是一個(gè)實(shí)際有效的方案，即一次90分鐘的課堂時(shí)間，按照不超過20分鐘講授時(shí)長，將知識(shí)點(diǎn)分成相對(duì)集中的若干模塊，模塊與模塊之間以提問式反思、最新技術(shù)發(fā)展、業(yè)內(nèi)小故事等給學(xué)生以認(rèn)知負(fù)荷緩沖；而每8分鐘就要給學(xué)生一個(gè)正向刺激，這個(gè)刺激需要由實(shí)際授課老師提前做多種設(shè)計(jì)，再根據(jù)學(xué)生的現(xiàn)場狀態(tài)進(jìn)行“投放”，諸如提問式互動(dòng)，甚至小笑話等都能達(dá)到預(yù)期作用，那么相應(yīng)的大班課堂的教學(xué)效果就能獲得保證，一堂課中，較為理想的學(xué)生注意力變化曲線如圖2所示。

在大班課堂中提出來的反思式問題并不需要教師立即解答，這類問題通常也不是一兩句話就能夠解釋，而且還涉及一定的背景知識(shí)，這類問題就適合放到小班課中供學(xué)生進(jìn)行討論式學(xué)習(xí)。

2.2小班討論式教學(xué)

小班討論式學(xué)習(xí)在國外高校中早已有之，無論是教師組織的圓桌式討論課，還是學(xué)生自發(fā)形成的學(xué)習(xí)組，對(duì)于國外從幼兒園開始就鼓勵(lì)提問的教學(xué)模式下成長的學(xué)生，討論式學(xué)習(xí)是很自然的事情。相較之下，國內(nèi)從義務(wù)教育階段直至高中階段的教育仍然是以教師講授、學(xué)生記錄為主要教學(xué)模式，當(dāng)然這與國內(nèi)龐大的學(xué)生數(shù)目、歷史悠久的教學(xué)傳統(tǒng)、選拔式的學(xué)習(xí)結(jié)果考查等現(xiàn)實(shí)情況相契合，這就導(dǎo)致我國大部分學(xué)生在進(jìn)入大學(xué)后，沒有討論式學(xué)習(xí)的習(xí)慣，尤其是主動(dòng)提問表現(xiàn)的欲望相對(duì)不高。這種情況下，小班討論課可能就會(huì)流于形式，甚至仍然回到教師上面講、學(xué)生下面聽的老套路。

通過觀察與問卷可以發(fā)現(xiàn)，我們的學(xué)生并不是不會(huì)提問、不會(huì)討論。較為常見的情況是一個(gè)班學(xué)習(xí)能力較強(qiáng)的幾人之間或者同一寢室內(nèi)的課下討論，這種討論在學(xué)生之間自發(fā)進(jìn)行，通常以搞清楚一道題目如何完成為主要內(nèi)容。因此學(xué)生缺乏的不是討論式學(xué)習(xí)的能力，缺乏的是討論學(xué)習(xí)的經(jīng)驗(yàn)，這需要教師進(jìn)行引導(dǎo)。以學(xué)生報(bào)告與討論為主要形式的小班討論課，教師的角色不是弱化為聽眾，而是轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)者和激勵(lì)者。

本課程的小班討論首先要進(jìn)行分組，每組3～5人，各組從若干選題中擇其一進(jìn)行課前組內(nèi)討論，形成報(bào)告，在小班課上匯報(bào)，并在課上進(jìn)行組間討論。這種基本的小班討論課的組織存在一些問題，例如報(bào)告可能總是由組內(nèi)一兩個(gè)人來完成，其他人參與度低；一組報(bào)告完畢，沒有提問，即組間討論不足；每個(gè)組只關(guān)心自己的討論題目；報(bào)告內(nèi)容較為表面化，多從百度百科復(fù)制粘貼，完成質(zhì)量一般等。

針對(duì)上述問題，我們采用了一些計(jì)分策略及課堂引導(dǎo)，使得小班討論課的課堂活躍度和學(xué)習(xí)效果能夠得到提升。

首先在問題的設(shè)計(jì)上，嚴(yán)格和大班講授或課程實(shí)驗(yàn)掛鉤。討論課與課程實(shí)驗(yàn)是相輔相成的，尤其是與教材配套的CMU原版實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)巧妙，需要學(xué)生在不斷試錯(cuò)的“游戲闖關(guān)”式的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐過程中獲得結(jié)果，是每名學(xué)生都必須完成的內(nèi)容，然而完成的方法卻各有特色，因此相關(guān)實(shí)驗(yàn)的討論題目設(shè)計(jì)，既是實(shí)驗(yàn)過程的再現(xiàn)也是實(shí)驗(yàn)成果的交流，會(huì)在學(xué)生中引發(fā)強(qiáng)烈共鳴，不論是組內(nèi)報(bào)告的質(zhì)量，還是報(bào)告時(shí)組間聆聽的沉浸度都會(huì)有明顯提升。題目設(shè)計(jì)與大班講授式的反思式提問關(guān)聯(lián)，也有類似的效果。

為了進(jìn)一步推進(jìn)組內(nèi)在課前報(bào)告準(zhǔn)備階段的討論，需要由教師在小班課堂進(jìn)行引導(dǎo)。例如，由教師在課上隨機(jī)指定報(bào)告人，采用一人報(bào)告全組共同計(jì)分的方式，能有效確保全組在既定選題上的學(xué)習(xí)成果處于同一個(gè)較高的水平，從而避免一個(gè)組內(nèi)只有少數(shù)學(xué)生真正學(xué)習(xí)并準(zhǔn)備報(bào)告的情況。隨機(jī)指定的報(bào)告人進(jìn)行報(bào)告的情況，是當(dāng)次全組學(xué)生的得分依據(jù)，因而課前組內(nèi)每一名學(xué)生都會(huì)積極準(zhǔn)備。無論是擔(dān)任組內(nèi)“領(lǐng)袖式”角色的理解能力或動(dòng)手能力較強(qiáng)的同學(xué)出于確保個(gè)人成績的原因，會(huì)更為主動(dòng)地和組內(nèi)其他同學(xué)交流；還是相對(duì)理解能力較為一般的同學(xué)，均能從課前討論中真正獲得進(jìn)步，很多時(shí)候還能迸發(fā)出對(duì)實(shí)驗(yàn)和課程內(nèi)容的新理解。這也進(jìn)一步促進(jìn)了學(xué)生報(bào)告質(zhì)量的提升。

小班討論課的特點(diǎn)一方面在于學(xué)生自主報(bào)告展示課前討論成果，另一方面就在于課堂報(bào)告后組間的提問互動(dòng)。我國學(xué)生的主動(dòng)提問意識(shí)需要加以引導(dǎo)，可以先從教師對(duì)報(bào)告進(jìn)行引導(dǎo)式提問開始，無論報(bào)告正在進(jìn)行中還是結(jié)束后均可以進(jìn)行相關(guān)提問，一般而言一旦有一個(gè)提問開頭，接下來的提問就自然發(fā)生了；同時(shí)，可以將提問按次計(jì)人報(bào)告成績和個(gè)人成績以鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行提問，推進(jìn)討論課互動(dòng)，還可以將報(bào)告成績交由組間進(jìn)行互評(píng)，這在鼓勵(lì)討論課課堂討論的同時(shí)，也促使了報(bào)告組課前的充分準(zhǔn)備和報(bào)告質(zhì)量的進(jìn)一步提升。

采用了前述題目設(shè)計(jì)策略和積極計(jì)分方式之后，學(xué)生討論課上的活躍程度有了明顯改善，許多學(xué)生會(huì)主動(dòng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，使得報(bào)告的廣度和深度均得到拓展，甚至PPT的精美程度都有了飛躍式的變化。以單次報(bào)告平均得分、單次討論課內(nèi)平均提問人次以及一學(xué)期內(nèi)各班提問人數(shù)為主要衡量指標(biāo)，與未采用前述小班設(shè)計(jì)時(shí)比較曲線如圖3所示，可見，通過與大班課及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容強(qiáng)相關(guān)的討論題設(shè)計(jì)并采用積極的計(jì)分策略確實(shí)使小班討論課的質(zhì)量更高。

3結(jié)語

“大班授課+小班討論”模式的課程組織應(yīng)用到該門課程實(shí)際教學(xué)操作中，我們對(duì)大班授課內(nèi)容、大班授課節(jié)奏、小班討論題目、計(jì)分評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等多方面進(jìn)行了有益的探索和實(shí)踐，獲得了良好的效果。好的課程源于精心的設(shè)計(jì)，以學(xué)生為中心的教學(xué)能夠讓最廣泛的學(xué)生習(xí)得課程的核心內(nèi)容。隨著每屆學(xué)生的特性變化，如何讓本門課程的教與學(xué)有效、有趣、有意義是我們持續(xù)探討和實(shí)踐本課程教學(xué)改革下一步工作。

（編輯：彭遠(yuǎn)紅）