航天工程大學(xué) 王 琳 張學(xué)波 李晉麗

1 課程現(xiàn)狀

新一輪的課程改革對(duì)《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》課程提出了新的要求，從內(nèi)容上，改變以往陳舊的計(jì)算機(jī)教學(xué)理念和知識(shí)結(jié)構(gòu)；從目標(biāo)角度，更加重視學(xué)生信息素養(yǎng)的培養(yǎng)，把信息素養(yǎng)放在學(xué)生基本素養(yǎng)培養(yǎng)的首要位置；從理念上，將計(jì)算思維的培養(yǎng)作為課程的最終目標(biāo)。進(jìn)而，在知識(shí)結(jié)構(gòu)上，改革后的《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》將基礎(chǔ)的操作知識(shí)作為學(xué)生自學(xué)的內(nèi)容，大幅度增加計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)，選擇Python作為編程語(yǔ)言，覆蓋“算法”、“信息編碼”、“計(jì)算機(jī)組成原理”、“操作系統(tǒng)”、“數(shù)據(jù)庫(kù)”和“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”等計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的綜合知識(shí)。

雖然改革后課程為學(xué)生提供了廣泛的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)，但同時(shí)存在知識(shí)面廣、難度大，層次多等問(wèn)題，尤其Python程序設(shè)計(jì)對(duì)初學(xué)者絕非易事，而且課時(shí)較少。要想在有限的時(shí)間內(nèi)，掌握眾多的計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)，并形成相應(yīng)的編程能力，對(duì)很多學(xué)生來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一次的艱難的挑戰(zhàn)。

課程組從2018年開始進(jìn)行課程建設(shè)，并承擔(dān)課程改革任務(wù)。在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，實(shí)際教學(xué)沒(méi)有從傳統(tǒng)的教學(xué)模式中脫離出來(lái)。為了讓學(xué)生掌握更多的知識(shí)，課堂仍然采取滿堂灌，填鴨式的傳統(tǒng)教學(xué)方法；課堂節(jié)奏快，內(nèi)容多，組織形式單一?；趥鹘y(tǒng)模式，在授課時(shí)，采取講細(xì)講透的原則，尤其在對(duì)教材中程序示例的講解時(shí)，從而忽略了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，沒(méi)有給足學(xué)生內(nèi)化吸收知識(shí)的時(shí)間。由于沒(méi)有重視學(xué)生的主體地位，導(dǎo)致學(xué)生的積極性提不上來(lái)。學(xué)生計(jì)算思維塑造慢，程序設(shè)計(jì)水平提高緩慢，對(duì)于一些基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生，或者編寫程序沒(méi)有思路，或者導(dǎo)致程序執(zhí)行錯(cuò)誤；進(jìn)而容易產(chǎn)生畏難情緒，學(xué)習(xí)一直處于被動(dòng)狀態(tài)。

2 對(duì)分課堂教學(xué)模式

從承擔(dān)課程改革任務(wù)開始到至今，已講授了三期本科班，期間不斷組織議教等活動(dòng)，教師之間也不斷的進(jìn)行探討交流，不斷嘗試創(chuàng)新，獲得一些突破。

對(duì)分課堂是復(fù)旦大學(xué)心理學(xué)教授張學(xué)新提出的新型教學(xué)模式，是在整合了講授式課堂和討論式課堂各自優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上提出的。對(duì)分課堂的核心理念是把一半課堂時(shí)間分配給教師講授，另一半時(shí)間分配給學(xué)生以討論的形式進(jìn)行交互學(xué)習(xí)。在講授過(guò)程中，對(duì)分強(qiáng)調(diào)“精講留白”，即教師只講授框架、重點(diǎn)和難點(diǎn)，將那些通過(guò)課后復(fù)習(xí)就能夠理解的知識(shí)，留給學(xué)生課后自學(xué)。在時(shí)間上，“對(duì)分課堂”劃分為三個(gè)清晰分離的過(guò)程，分別為講授、內(nèi)化和吸收、討論。

無(wú)論對(duì)學(xué)生還是對(duì)教師來(lái)說(shuō)，學(xué)習(xí)最好的效果就是會(huì)提問(wèn)題，提出高水平的問(wèn)題，并學(xué)會(huì)解決問(wèn)題。而這一切的前提是：必須做到對(duì)知識(shí)足夠的內(nèi)化和吸收，進(jìn)而能夠思考討論，利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。

將對(duì)分課堂模式引入《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》課程，可以有效地改變學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，化被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，從滿堂灌到自主消化吸收，從被動(dòng)接受知識(shí)到主動(dòng)思考問(wèn)題。把課堂劃分為講授、內(nèi)化吸收、討論三個(gè)階段，將師生角色進(jìn)行重新定位，給予學(xué)生充足的自主學(xué)習(xí)和思考的時(shí)間，降低學(xué)生的畏難情緒，提升學(xué)生的積極性和參與度，促進(jìn)學(xué)生之間、師生之間的互動(dòng)交流，提高學(xué)生利用計(jì)算思維解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

3 對(duì)分課堂在《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》實(shí)驗(yàn)課中的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

在《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》課程中，第五章計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)部分被安排了4學(xué)時(shí)，其中理論2學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)2學(xué)時(shí)。這一章要求學(xué)生在了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成、理解系統(tǒng)各部分作用和馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，能夠利用Python構(gòu)建馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)模擬器，進(jìn)而理解馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的工作機(jī)制。該章節(jié)對(duì)學(xué)生而言，理論知識(shí)抽象，實(shí)踐難度較大，要求學(xué)生在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成及工作原理有一個(gè)較為全面的認(rèn)知，并在此基礎(chǔ)上編寫Python程序。

下面以Python構(gòu)建馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)模擬器實(shí)驗(yàn)為例，將對(duì)分課堂引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，從講授、內(nèi)化吸收、討論、實(shí)踐四個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)課堂進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，并應(yīng)用于實(shí)際的教學(xué)中。

3.1 講授

該實(shí)驗(yàn)是利用Python構(gòu)建馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)模擬器，首先要求學(xué)生理解馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)，理解現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的工作原理，然后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的任務(wù)和要求，設(shè)計(jì)程序思路并編寫Python程序，最后上機(jī)實(shí)踐加以驗(yàn)證。在前期的課堂中，已經(jīng)講授了兩學(xué)時(shí)的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的理論知識(shí)，為了讓學(xué)生打好實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，上課前的10min，教師首先對(duì)該部分知識(shí)進(jìn)行回顧，再利用10min發(fā)布雨課堂進(jìn)行隨堂測(cè)試，鞏固所學(xué)知識(shí)。接下來(lái)的10min，以精講+留白的方式進(jìn)行講解，考慮到是實(shí)驗(yàn)，精講時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較為抽象，所以重難點(diǎn)內(nèi)容講到位，并且提出留白問(wèn)題，讓留白顯化，從而引導(dǎo)學(xué)生對(duì)“寄存器”、“存儲(chǔ)器”、“指令”、“指令集”等重要概念的掌握，以及對(duì)“指令執(zhí)行過(guò)程”、“模擬器工作原理”的理解。

3.2 內(nèi)化和吸收

知識(shí)的內(nèi)化需要一個(gè)過(guò)程，簡(jiǎn)單的知識(shí)可以在課堂的講解過(guò)程中內(nèi)化，但抽象復(fù)雜的知識(shí)如果說(shuō)在課堂上已被內(nèi)化，那僅僅停留在表面，并不能被真正的吸收。因此，這個(gè)環(huán)節(jié)給了學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)、獨(dú)立思考、獨(dú)自解惑的時(shí)間，教師在精講+留白后，學(xué)生在這個(gè)時(shí)間段結(jié)合精講要點(diǎn)，通過(guò)仔細(xì)閱讀教材，對(duì)馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)模擬器的結(jié)構(gòu)有了整體的認(rèn)識(shí)，理解了該模擬器下的指令集中指令的含義及用法，并完成教師提出的留白問(wèn)題，學(xué)會(huì)利用該指令集獨(dú)立設(shè)計(jì)一段程序?qū)崿F(xiàn)一定的功能。

完成以上任務(wù)后，知識(shí)進(jìn)階，難度加大，學(xué)生需要學(xué)會(huì)利用Python構(gòu)建模擬器的工作過(guò)程，首先需要為該模擬器建模，包括對(duì)內(nèi)存、寄存器和顯示器的建模，建模的過(guò)程也是利用Python組織數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的過(guò)程。接下來(lái)，需要利用建模后的計(jì)算機(jī)模擬程序的運(yùn)行機(jī)理，包括如何將文件中的程序讀入內(nèi)存、將程序計(jì)數(shù)器指向內(nèi)存中的第一條指令、并取指令到指令寄存器，完成譯碼、執(zhí)行的過(guò)程。這部分知識(shí)作為重難點(diǎn)需要教師在前期的精講中加以引導(dǎo)，給學(xué)生指出設(shè)計(jì)的方向，學(xué)生才能在內(nèi)化環(huán)節(jié)梳理Python程序的架構(gòu)和編寫思路，當(dāng)然，還需要進(jìn)入討論環(huán)節(jié)對(duì)每個(gè)細(xì)節(jié)性的問(wèn)題逐一解決，才能最終完成程序的編寫。

3.3 討論

學(xué)生梳理完程序思路后，教師將學(xué)生進(jìn)行分組，對(duì)程序各部分功能進(jìn)行討論與設(shè)計(jì)，可以采取提問(wèn)、抽查、引導(dǎo)的方式監(jiān)督各小組的進(jìn)展情況和討論結(jié)果。

期間，教師通過(guò)提問(wèn)如何利用Python對(duì)內(nèi)存、顯示器進(jìn)行建模等問(wèn)題，了解到學(xué)生對(duì)列表的運(yùn)用比較熟練，但在如何利用Python將文件中的程序讀入內(nèi)存時(shí)進(jìn)展緩慢，此時(shí)就需要教師加以引導(dǎo)。因此，在討論環(huán)節(jié)，教師需要及時(shí)掌控課堂情況，對(duì)共性問(wèn)題統(tǒng)一講解，個(gè)性問(wèn)題單獨(dú)輔導(dǎo)，既要充分了解學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)能力和個(gè)體差異，又要善于觀察學(xué)生的課堂表現(xiàn)和學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)，才能在討論環(huán)節(jié)與學(xué)生進(jìn)行有效的互動(dòng)，為學(xué)生布置難度適中的學(xué)習(xí)任務(wù)。

3.4 實(shí)踐

作為實(shí)驗(yàn)課，實(shí)踐環(huán)節(jié)必不可少，當(dāng)然，這個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)不是獨(dú)立于前面的三個(gè)階段，它融入于前面三個(gè)階段，但分量又大于前面三個(gè)階段。相比于理論課，學(xué)生需要在講授、內(nèi)化吸收、討論后，形成一套完整的程序設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方法，并用Python語(yǔ)言加以實(shí)踐，這個(gè)過(guò)程需要花費(fèi)更多的時(shí)間和精力。通過(guò)編寫該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生借助Python重新構(gòu)建了一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并在此系統(tǒng)上模擬了計(jì)算機(jī)工作的過(guò)程，把抽象的理論與復(fù)雜的實(shí)踐進(jìn)行有效的結(jié)合，在理解理論的基礎(chǔ)上構(gòu)建了實(shí)踐體系，反過(guò)來(lái)實(shí)踐體系更好的詮釋了理論的根基。

教師可以因勢(shì)利導(dǎo)，依托Educoder平臺(tái)下達(dá)實(shí)訓(xùn)任務(wù)，設(shè)置積分和關(guān)卡，以闖關(guān)形式吸引學(xué)生完成實(shí)訓(xùn)任務(wù)，任務(wù)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)的難易程度設(shè)置1-3關(guān)，進(jìn)一步鞏固該部分知識(shí)，并達(dá)到靈活運(yùn)用、舉一反三的效果。實(shí)訓(xùn)中，闖關(guān)成功的學(xué)生可獲得相應(yīng)的積分和經(jīng)驗(yàn)值，闖關(guān)困難的學(xué)生可以尋求參考答案，但平臺(tái)會(huì)扣除相應(yīng)的積分。學(xué)生通過(guò)積分排行榜查看自己的排名，促使每個(gè)人不僅要認(rèn)真對(duì)待每一次的實(shí)驗(yàn)，而且要善于思考、積極討論，高質(zhì)量的完成每一次的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，不斷提高利用計(jì)算思維解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

總結(jié)：將對(duì)分課堂教學(xué)模式有效的運(yùn)用到《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》課程中，尤其是運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師利用對(duì)分課堂理念對(duì)課堂進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)課的特點(diǎn)，將課堂劃分為講授、內(nèi)化吸收、討論、實(shí)踐四個(gè)階段，不僅給學(xué)生一個(gè)真正的自主學(xué)習(xí)、獨(dú)立思考、獨(dú)自解惑的空間，而且有效地提高了學(xué)生的參與度和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。后續(xù)，課程組將會(huì)繼續(xù)開展《大學(xué)計(jì)算基礎(chǔ)》教學(xué)的“對(duì)分課堂”實(shí)踐，通過(guò)不斷的探討實(shí)踐，把“對(duì)分課堂”方法靈活運(yùn)用到《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，并通過(guò)教學(xué)反饋，不斷修改和完善基于“對(duì)分課堂”的《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》課堂教學(xué)設(shè)計(jì)，使之更加合理有效，切實(shí)提升學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的主動(dòng)性和教師的授課質(zhì)量。