面向“兴趣、基础、能力、素养”四位一体的“计算机系统”课程教学研究

葛永新 杨正益 范琪琳 蔡斌 熊庆宇

摘要：文章分析了“计算机系统”课程教学中存在的主要问题，提出从“兴趣基础 能力 素养”的多层次课程任务入手，通过对任务组织以及教学方式和评价方式等进行改革，帮助学生掌握基础知识，培养学生的专业兴趣，提升学生的专业实践能力;同时探索课程知识点与思政元素的切入点，拓展思政建设的途径和方法，提高学生科学方法、职业规划、为人处世和道德修养等方面的素养。

关键词：“计算机系统”课程;教学方式;思政元素

中图法分类号：TP316

文献标识码：A

Teaching research on "computer system" course oriented to

four-in-one of¨interest， foundation， ability and literacy"

GF Yongxin， YANG Zhengyi， FAN Qilin， CAI Bin， XIONG Qingyu

（School of Big Data&. Software Enginccring， Chongqing Univcrsity， Chongqing 40133l. China）

Abstract：The article analyzes the main problems existing in the teaching of "computer systems"course， proposes to start with the multi-level course tasks of "interestfoundation-ability-literacy"，and help students to master the basic knowledge through the reform of task organization， teachingmethods and evaluation methods， cultivate students' professional interests， improve students'professional practice ability. We also explore the entry point of course knowledge points andideological and political elements， expand the ways and methods of ideological and politicalconstruction， and improve students' scientific methods， career planning， life and moral cultivation，etc. aspects of literacy.

Key words ： "computer system" course， teaching method ，ideological and political elements

2018年，重庆大学大数据与软件学院是全国首批获批“人工智能”和“数据科学与大数据技术”专业建设资格的高校。为适应人工智能和数据科学与大数据技术专业的建设，重庆大学大数据与软件学院对新生开设“计算机系统”课程，作为两门新专业的基础必修课程。该课程是新生人校后的第一门专业课程，教学内容涵盖软件工程和计算机科学的重要基础理论和核心概念。本课程旨在使学生理解和掌握计算机的底层结构和运行机制。从底层基础知识开始，逐步上升到操作系统和高级语言的接口层，以便能理解真实计算机的工作原理。其日的是让学生在进人大学校门的时候就对计算机有深入理解，为以后的课程学习打下坚实的基础[1]。

学生学习“计算机系统”课程中需要实现以下几点基本目标：（1）兴趣贡献。使学生掌握计算机底层工作原理，激发学生的学习兴趣和热情，从而具备较强的软件工程领域的自学能力。（2）基础贡献。使学生具备基于位（ bit）的算术和逻辑运算操作。（3）能力贡献。使学生理解计算机底层运作的基本理论和流程，提升学生高级语言的编程能力。（4）素养贡献。通过传授计算机系统的基本概念，使学生站在更高的角度去适应软件工程行业的快速发展，这对于有志成为计算机科学家或计算机工程师的学生而言至关重要。

1 “计算机系统”课程教学中存在的问题

在“计算机系统”课程教学过程中，通过对学生学习效果进行分析，发现存在以下问题。

（1）教学过程枯燥，教师讲解抽象。在实际的教学中，由于传统的“计算机系统”课程课时少、内容多，涉及知识广，尤其是作为学生进入大学的第一门专业课程，大部分学生都是首次接触相关知识，因此教学中容易使学生感到枯燥，且教师讲解抽象，从而在学习中产生消极、怠慢的情绪。

（2）教学内容理论性过强且较陈旧。教学内容知识点多而杂，导致学生只顾记忆知识点，却忽视了对人工智能和数据科学专业学科知识体系和核心内容的理解。此外，“计算机系统”作为人工智能和数据科學与大数据技术专业学生入学的第一门专业基础课程，不仅要求学生熟练掌握计算机底层和程序设计相关的基础知识，还要求教师关注对学生在人工智能和数据科学与大数据技术专业领域科学精神和科学方法的培养，以为学生大学阶段探索能力、实践能力和创新能力的培养打下坚实的基础[2]。

2 “计算机系统”课程教学改革的思考

“计算机系统”课程在原有课程内容的基础上，贯彻教育部新修订的《普通高等学校学生管理规定》中“以学生为本”的教育原则，根据学生的实际情况和需要，从“兴趣一基础一能力一素养”的多层次课程任务人手（图1），通过多层次任务帮助学生掌握基础知识，培养学生的专业兴趣、科学精神和科学方法。为了实现该目标，笔者通过近几年的教学实践，认为在该课程教学中应从任务组织、教学方式及评价方式等多方面人手。

（1）将情境教学法引入“计算机系统”教学中，充分激发学生的学习兴趣。情境教学法是指教师在课堂上有目的地创设或引入具有一定情绪色彩的、生动具体的、以形象为主题的场景[3]。通过营造这样的氛围，学生在可感知的、立体式的、易于理解的知识体验中进行学习。例如，对于内存这部分内容，由于其理论性和逻辑性较强，如果按照教材为学生进行讲解，学生可能会感到枯燥，毫无学习兴趣甚至厌学。所以，在课堂上可以设计一个生活的实例，如在介绍内存的结构过程中，基于其逻辑电路图的结构，我们设计了这样的情景：将内存比作一栋宿舍楼，具体类比如表l所列。通过该类比的情景设计，学生自然很顺利地理解了这个知识点。另外，对于从内存巾装载数据，就可以类比于去宿舍楼找学生;向内存中存储数据，就可以类比于给宿舍的床铺安排新的学生：内存的管理室就相当于内存的MDR和MAR。因此，情境教学法的目的在于充分挖掘学生主动参与学习的潜力，提升学生自我汲取知识的能力，从而打破传统教育“满堂灌”的现象。

（2）将计算创造性思维能力的培养引入“计算机系统”课程教学中，培养学生的专业素养。“计算创造性思维”是计算思维和创造性思维的结合，是一种在新的环境或合作的场景中，通过融合这两种思维，拓宽问题解决方案的认知手段。比如，对于二进制补码部分内容，如果直接给学生讲解补码是最适合计算机运算的，学生肯定很难理解。但如果结合探寻二进制表示的历史过程，学生不仅会很轻松理解二进制补码部分内容，而且还能学习到解决问题的一种创新思维[4]。

为了更好地在课堂教学中引入“计算创造性思维”，我们还提出了理论授课与专题讲座、研讨相结合的互动教学模式。该模式主要通过教师的引导，培养学生探索计算机系统技术的能力，增强学习和研究的综合能力，带领学生研究讨论前沿技术，包括大数据和人工智能前沿学术研究成果，主要以项目和论文的形式为主：适当介绍和课程相关的工业成果以及最新的且市场上普遍采用的智能产品研讨。通过介绍、分析和讨论最新的大数据和人工智能成果，尤其是和“计算机系统”课程相关的成果，培养学生在了解人工智能和大数据高速发展的背景下，计算机系统的最新发展及趋势，培养学生对“计算机系统”课程学习的兴趣，增强独立解决实际问题的能力，提高学生的科研素养与创新意识[5]。

将“计算创造性思维”的训练与“计算机系统”课程有机融合，将知识的传授升级为基于知识的思维传授，让学生在课堂教学巾充分体验到“计算创造性思维”的价值，将对学生大学四年的人丁智能和数据科学与大数据技术专业课程的学习具有良好的启发作用，从而提高对人工智能和数据科学与大数据技术专业的专业认同感和专业素养。

（3）“计算机系统”课程思政元素的融人：为把课程思政元素自然、无缝地融人课程知识点的教学中，需要通过关联和类比等方式将职业规划、处事方式、道德修养等思政内容与课程知识点的切人进行精心设计。比如，指令处理的七个步骤分别是取指令、译码、地址计算、取操作数、执行和存放结果，但并不是每条指令都要经历这七个步骤。在讲解该知识点时，可以类比大学生自身的职业规划，如大家可以选择公司实习、考研、考公务员、参军入伍等。教师进一步和学生探讨，不同的职业规划，可以如何做出相应的选择，而不是去经历得越多越好，并且根据控制指令的思想，有时职业规划也需要基于不同的选择，做跳跃式的选择。此外，在讲解数据搬移指令时，指出不同的寻址模式是分别借助不同的中间数据完成的，如寄存器、指令地址和内存地址。同时，可以适当启发学生，在平时解决问题或与他人相处时，应该根据具体问题或对象，选择合适的处理方式，提升个人的道德修养[6]。

（4）侧重兴趣和素养的考核方式：“笔试成绩+平时成绩+课程汇报”。考核成绩累计方式主要从“笔试成绩+平时成绩（包括平时作业和课堂情境讨论）+课程汇报”等几个方面对学生面对问题求解的能力进行综合考查。其中，课堂情境讨论是指教师在设置情境讨论的时候，应适当设置学生参与环节，通过评估学生的参与情况，对学生進行打分。课程汇报是指主要考查学生在相关课程的学习过程中，对“计算创造性思维”和思政教育的理解。可以结合书本、课程甚至课外的实例，让学生分享在“计算创造性思维”和思政教育方面的一个或多个收获。

（5）立足实时情况调查的教学任务迭代改进。在教授完课程的重难点或讲解完重点章节的全部习题后，每学期对学生做2-3次问卷调查，根据学生反馈的信息，对下一年的教学任务进行调整，以更好地满足学生的需求。

3 结束语

本文针对传统“计算机系统”课程教学中存在的教学过程枯燥、教师讲解抽象、教学内容理论性过强等问题，剖析其背后原因，从多层次课程任务人手，探索“兴趣一基础一能力一素养”互促互进的新教学模式。围绕该模式，从提升学生学习兴趣和专业素养的层面出发，将情景设计、“计算创造性思维”设计和课程思政教育很好地融人课程的知识点教学中，并不断接收学生的反馈，迭代更新教学日历，取得了显著成效，2019年和2020年课程学生教评均名列前茅，为大一专业基础类课程的教学改革实践提供了参考。

参考文献：

[1]陆枫.面向大数据时代的计算机系统能力培养改革与实践[J].计算机教育，2017（3）：33-36.

[2]吴强，彭蔓蔓.计算机系统结构课程在线研讨式教学实践[J].计算机教育，2021（10）：72-75.

[4]艾明晶.大学计算机课程的研讨式教学模式探索[J].计算机教育，2019（4）：56-60.

[5]施青松，陈文智.强化计算机课程贯通教学深入面向系统能力培养[J].中国大学教学，2014（12）：61-65.

[6]边玲燕，史海涛.基于案例教学的“计算机系统基础”课程教学研究[J].科技与创新，2021（19）：99-100.

作者简介：

葛永新（1981-），博士，副教授，研究方向：计算机视觉、机器学习和大数据智能等。