“三步走”的計算機專業(yè)實踐教學方法.doc

“三步走”的計算機專業(yè)實踐教學方法 王煒，井靖，焦建華 （信息工程大學計算機學院，河南鄭州450001） 摘要：提升計算機實踐教學的質(zhì)量對于培養(yǎng)和造就高水平計算機科學與技術(shù)專業(yè)人才具有重要意義。文章結(jié)合多年教學實踐，探討計算機實踐教學中容易出現(xiàn)的現(xiàn)象和問題，提出“引入門、扶上馬、撒開手”的“三步走”計算機專業(yè)實踐教學方法，并介紹一些具體措施。 關鍵詞：實踐教學；教學方法；本科生教育；三步走 第一作者簡介：王煒，男，副教授，研究方向為計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、信息安全，wang.weimeac-skl.。 0引言 實踐教學是通過理論聯(lián)系實際的方式培養(yǎng)學生掌握科學方法和提高實踐能力的重要平臺。從教學功能上講，實踐教學與理論教學相輔相成，理論教學是實踐教學的基礎，實踐教學是在理論教學基礎上的融會貫通。實踐教學是計算機專業(yè)教學的重要環(huán)節(jié)，能夠幫助學生深入理解計算機專業(yè)的理論知識。同時，由于計算機專業(yè)的實踐性很強，實踐教學環(huán)節(jié)對于培養(yǎng)和鍛煉學生的動手能力、拓展專業(yè)思維具有重要意義。實踐教學的質(zhì)量和水平對于計算機專業(yè)人才培養(yǎng)至關重要。與其他實踐教學一樣，計算機專業(yè)實踐教學的目的是在引導學生動手的基礎上，進一步加深對理論知識的理解和掌握，同時培養(yǎng)和鍛煉分析問題、解決問題的能力。 1重視“引入門”，激發(fā)學習動力 長期的教學經(jīng)驗告訴我們，實踐教學能不能順利開展下去、能不能達到教學目的，學生的學習興趣和動力至關重要。所謂“引入門”，就是在實踐教學的初始階段，通過具體指導，手把手地幫助學生完成一個基礎實驗，讓學生熟悉實驗的軟、硬件環(huán)境，充分了解和掌握實驗的基本方法和基本步驟，簡單體驗實驗成功的“快感”，激發(fā)學生進一步開展實踐項目的欲望和激情。 “引入門”階段要實現(xiàn)兩個目的：一是激發(fā)學生的興趣，讓學生覺得即將進行的實踐項目“有用”“有意思”；二是打消學生的顧慮，讓學生感覺到“我能”，避免出現(xiàn)因“妄自菲薄”或“望而卻步”而放棄的現(xiàn)象。 對處在入門階段的學生而言，實踐項目往往具有一定難度。例如，在計算機組成原理課程的實踐教學環(huán)節(jié)，我們要求學生用硬件描述語言設計實現(xiàn)一個控制器，并在實驗臺上調(diào)試通過；在操作系統(tǒng)課程的實踐教學環(huán)節(jié)，我們要求學生基于一段教學用操作系統(tǒng)源碼片段，通過添加或完善其中的某些模塊，實現(xiàn)一個小型的操作系統(tǒng)。這些項目不僅要求學生比較透徹地了解相關專業(yè)課程的知識，而且對其他相關知識和技能的要求也比較高，工程實踐的工作量也比較大。在布置這些實踐項目時，學生的第一反應往往是驚訝、惶恐，擔心做不出來。 引導學生敢于嘗試，不能簡單地靠說教，要通過一定的步驟、方法。在教學實踐過程中，我們通常的做法是設計一個與最終要求緊密聯(lián)系但又相對簡單的實踐項目，引導學生動手完成。 例如，在計算機組成原理課程實踐教學過程中，針對硬布線控制器設計這一實踐教學內(nèi)容，我們首先要求學生設計一個算術(shù)邏輯單元，實現(xiàn)簡單的加、減、與、或、移位等運算。為了減輕學生的壓力，我們首先給學生一個設計樣例，其中已經(jīng)實現(xiàn)了“加”操作，引導學生利用EDA平臺完成樣例的調(diào)試，觀察設計結(jié)果的實驗現(xiàn)象；然后要求學生根據(jù)自己的設計，增加其他操作，并嘗試調(diào)試。通過這樣的方式，學生不僅進一步熟悉和掌握了硬件描述語言、EDA設計等實踐項目必需的技能，同時，通過設計實現(xiàn)基本的算術(shù)邏輯單元，讓學生相信自己通過一定的努力也可以順利實現(xiàn)。 通過逐步導引，讓學生在不斷的實踐中獲得成就感，從而保持對整個實踐項目、整個課程的濃厚興趣和不斷探究的動力，為順利完成教學任務打下堅實的基礎。 2強調(diào)“扶上馬”，指導實踐方法 所謂“扶上馬”，是通過對實驗內(nèi)容和實驗要求的合理組織，利用一定的步驟、手段和方法，引導學生綜合運用所學的知識與技能，分解實驗內(nèi)容，設計實驗步驟，掌握實驗方法，創(chuàng)造性地完成實驗項目。在該階段，學生雖然對實驗環(huán)境、實驗方法和實驗步驟有所了解，但對如何分析解決實驗中碰到的各種問題和現(xiàn)象不得其法，因此，老師需要結(jié)合具體問題，協(xié)助解決?！耙腴T”是為了讓學生“愿意做”“敢去做”，“扶上馬”則是幫助學生學會“怎么做”。 好的計算機專業(yè)實踐教學項目是將理論知識與實際工作相結(jié)合的典范。在教學過程中，教師一方面要引導學生深入理解和掌握相關理論知識的本質(zhì)內(nèi)容，避免就事論事，將實驗現(xiàn)象與理論知識脫離開來；另一方面，需要老師有目的、有步驟地引導學生學習和運用各種實踐技能，以便學生能夠脫離老師的指導獨立開展相關工作。恰當?shù)闹笇軌驇椭鷮W生快速掌握實施實踐項目的方法，并在不斷實踐中積累知識、鍛煉能力、增長才干，從而事半功倍。 例如在匯編語言程序設計實踐教學過程中，為了引導學生理解短轉(zhuǎn)移跳轉(zhuǎn)指令的靈活使用，我們先給學生展示一段乍看起來肯定不能正常結(jié)束的程序，要求學生通過上機實驗驗證該程序能否正常結(jié)束。當學生通過編譯、連接、執(zhí)行后，發(fā)現(xiàn)程序居然能夠正常結(jié)束，此時，引導學生使用調(diào)試工具進行反匯編，并觀察反匯編后顯示的機器碼與匯編代碼的對應關系，體會短轉(zhuǎn)移指令中包含的并不是轉(zhuǎn)移的目標地址（段地址+偏移地址），而是當前地址到目標地址的偏移這一本質(zhì)內(nèi)涵。最后再讓學生利用單步跟蹤仔細觀察跳轉(zhuǎn)指令跳轉(zhuǎn)的真正目標地址與相關標識位以及機器碼之間的關系，分析不同情況下短轉(zhuǎn)移指令最終轉(zhuǎn)移目標的合理性和必然性。 在“扶上馬”階段，老師要跟蹤學生的項目進展情況，及時發(fā)現(xiàn)學生在實踐過程中出現(xiàn)的各種問題，并做出相應的指導。但要注意的是，這一階段的教學指導重心是“幫扶”，而不是“包辦”，要盡量避免直接告訴學生“應該怎么樣”“不應該怎么樣”或者“是什么”“不是什么”之類的結(jié)論，而是要想方設法引導學生探尋解決問題的方法。在教學實踐過程中，為了避免直接告知學生問題的解決方案，我們在教學中采取“迂回”指導方式，給學生提示一些解決問題的線索，引導學生發(fā)現(xiàn)問題的本質(zhì)并尋求解決方案。 例如，計算機組成原理課程的實踐教學基于TEC-8計算機硬件綜合實驗平臺，這是一個8位的模型計算機，其指令都是8位的。但是在“CPU與程序執(zhí)行”實驗項目中，一段程序中涉及條件轉(zhuǎn)移指令，其中的轉(zhuǎn)移地址是由當前程序計數(shù)器PC的值與一個帶符號的4位短轉(zhuǎn)移偏移地址相加得到。在實驗過程中，部分同學往往沒注意這個偏移地址只有4位，且最高位是符號位，而誤將它看成一個8位的轉(zhuǎn)移地址，造成實驗結(jié)果與預期結(jié)果不一致。針對這個問題，我們并不是直接指出他們錯在哪里了，而是要求學生一方面從模型機的指令系統(tǒng)入手，具體分析與條件轉(zhuǎn)移相關的各條指令的功能與執(zhí)行流程；另一方面觀察每一條指令具體執(zhí)行過程，通過實驗臺上給出各相關信號（數(shù)據(jù)、地址、微操作信號），反向分析機器的實際執(zhí)行情況，從而發(fā)現(xiàn)問題所在，并最終解決問題。 通過“扶上馬”的實踐教學指導方式，學生不僅學到知識、鍛煉能力，而且由于解決方案是“自己”發(fā)現(xiàn)的，成就感很強烈，更激發(fā)了他們自主探究解決其他問題的興趣和動力。 3落實“撒開手”，強化動手能力 培養(yǎng)和訓練學生的目的是使他們能夠?qū)⑺鶎W的知識、技能變成自身的能力，為以后參加實際工作做好準備。因此，學生能不能做到脫離具體案例，真正學會分析問題、解決問題的思路和方法，就成為我們教學的落腳點。為了實現(xiàn)最終“撒開手”這一目標，在順利“引入門”、成功“扶上馬”之后，需要通過一定的方法逼迫學生主動思考，將知識與技能轉(zhuǎn)化為自身的能力與素養(yǎng)。 在這一階段，老師可以結(jié)合技術(shù)的最新進展或自身的科研實踐，設計一些綜合程度更高甚至難度稍稍超出學生能力和水平的實踐項目，或者有針對性地創(chuàng)設一些問題，讓學生嘗試解決。當學生在實踐過程中出現(xiàn)困難時，老師不要簡單地告訴他應該怎么做，而是告訴他可以到哪里尋找思路，或者僅給他提出一點提示。在具體的教學實踐過程中，我們主要通過靈活多變的實踐教學考核方式引導學生主動思考，落實“撒開手”這一階段目標。 為了避免學生實驗過程中簡單模仿他人的操作過程，或者拷貝他人程序，我們一般不通過簡單的實驗操作或程序運行演示的方式驗收實驗項目，一定要結(jié)合相關理論知識和實驗目的問出幾個為什么：為什么這樣，為什么不那樣？在回答這些問題的過程中，學生往往會出現(xiàn)這樣或者那樣的偏差，基于這些偏差，暴露出學生可能存在的認識不到位的問題。通過這種“窮追猛打”的方式，逼迫學生嘗試思考實驗過程中的各種現(xiàn)象和問題，尋求問題的解決方案。未進行項目驗收的學生，通過搜集其他同學的驗收情況，了解了項目驗收的方法、要求后，也會在驗收之前主動思考，做好相應準備。通過這種方式，即便某些同學模仿過他人的操作過程、參考了他人的程序，至少需要將這些操作過程弄清楚、把程序搞明白，這也很大程度上保證了實踐教學的質(zhì)量和水平。 除了提出問題逼迫學生主動思考外，我們還通過“設計故障”的方式給學生制造困難，引導學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題并尋求解決問題的方法。 例如，在計算機組成原理實踐教學過程中，我們會在學生短暫離開的過程中，通過更改連線方式、更換芯片內(nèi)容、變更開關狀態(tài)以及更改程序或數(shù)據(jù)內(nèi)容等方式改變模型機的運行狀態(tài)，然后要求學生在不進行芯片與程序內(nèi)容測試、不進行連線方式或開關狀態(tài)比對的前提下，通過查看地址、數(shù)據(jù)微操作命令等檢查模型機的運行狀態(tài)，并將當前的運行狀態(tài)與期望的運行狀態(tài)作比較，定位模型機的故障信息，并詳細說明判斷的條件與依據(jù)。這種情況下，學生不僅要熟悉實驗內(nèi)容，而且要比較深入地了解計算機的組織與結(jié)構(gòu)、計算機的工作原理，還要具有足夠的細心和耐心。實踐效果證明，這種“搗亂式”實驗項目驗收方式對于逼迫學生主動思考，追尋實驗現(xiàn)象本質(zhì)，提高學生分析問題、解決問題的能力，具有很好的效果。 當然，“撒開手”是我們對學生提升自身能力的期望，絕不是為難學生的借口。如果在落實“撒開手”過程中遇到學生實在無法圓滿回答或解決老師提出的問題，老師需要回退到“扶上馬”甚至“引入門”階段，引導、幫助學生把問題徹底弄明白。 4結(jié)語 實踐教學是計算機專業(yè)教學的重要組成部分。實踐結(jié)果表明，“引入門”“扶上馬”“撒開手”三步走方式既適合一門課程實踐教學的組織，也可以運用于某一個實驗項目的具體指導過程。下一步，我們將加大對“三步走”實踐教學模式的研究和實踐，爭取更大程度提升計算機專業(yè)實踐教學的質(zhì)量和水平。 參考文獻： 1霍學慧.改革實驗教學模式提高學生綜合素質(zhì)J.實驗室研究與探索,xx(3):