教学模型在计算机硬件基础课程中的探索和实践分析

教学模型在计算机硬件基础课程中的探索和实践分析计算机硬件基础课程是我院部分非计算机专业开设的一门必修课，课程以信息在计算机内部的加工、处理为主线，介绍微型计算机的硬件结构、工作原理和功能特性以及系统内部各部件之间的互连;指令及程序在计算机内部的执行过程;主机和外部设备之间的连接和数据交换方法。但是教学效果总是不尽如人意，我们对课程教学特点进行分析，并尝试运用新的教学模型。1计算机硬件基础课程教学特点(1)先导知识要求高。学习计算机硬件基础课程，要求学生学习过高级语言程序设计，对计算机基本工作原理有所了解，掌握数据在计算机内部的存储表示，对计算机科学中常用思维方式有所了解。目前对于非计算机专业的学生，在学习计算机硬件基础课程之前一般仅开设了大学计算机基础和计算机程序设计两门课程，对于课程所要求的先导知识虽然有所涉及，但是学生学习情况并不理想，有待进一步加强。(2)概念抽象难理解。计算机硬件基础课程包含CPU、存储器、输入输出接口及设备和总线四个方面，有很多抽象枯燥的概念，比如寻址方式、指令流水线、存储器分段、总线仲裁、总线握手、I/O同步控制和中断等，对于非计算机专业的学生而言，确实较难理解。而且，课程还涉及众多算法思想，对于仅从大学计算机基础和计算机程序设计两门课程建立起来的编程思想是远不够用的。(3)实验效果不明显。计算机硬件基础课程开设了实验，实验内容主要包含汇编语言程序设计和输入输出接口。汇编语言程序设计部分的实验，侧重于指令的应用，因为有源代码很多实验题目演变为验证性质的实验，学生只是输入代码然后运行，可能代码本身都不理解，更不用说调试程序和理解CPU的工作原理了。而输入输出接口部分的实验，主要采用试验箱进行实验，大部分学生只是在进行连线的工作，对计算机硬件工作原理的理解帮助甚微。(4)思维方式待提高。计算机科学包括其独有的思维方式，而且该思维方式贯穿于计算机相关课程的学习，经过大学计算机基础和计算机程序设计两门课程不到120学时的学习培养起来的计算思维，对于计算机硬件基础课程的学习略显单薄。从以上几点不难看出，对于计算机硬件基础课程的教学，还有很多方面值得任课教师取探讨和研究。本文尝试将BOPPPS教学模型应用到计算机硬件基础课程的教学中。2BOPPPS教学模型BOPPPS教学模型由加拿大教师技能培训工作坊(InstructionalSkillsWorkshop，ISW)创建，目前已被全世界超过33个国家引进采用，在全球超过100所大学和培训机构实施[1]，近两年开始引入中国大陆地区。BOPPPS教学模型[2]将教学过程分为6个阶段：导入(Bridge-in)、目标(Objective)、前测(Pre-assessment)、参与式学习(ParticipatoryLearning)、后测(Post-assessment)和 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf (Summary)，其名称来源于各阶段英文单词首字母缩写。2.1B导入(Bridge-in)导入就是帮助学生专注于即将要介绍的内容，从而引起学生的学习兴趣。可以由问题或案例引出，或者讲述一个与主题相关的故事，或者其他方式。2.2O目标(Objective)目标是让学生了解到通过内容的学习要达到何种学习效果。为了方便学生有效实施，对于目标的描述要求具体明确，最好是可量化、可观察、可操作的。可以采用布鲁姆(B.S.Bloom)等人于1956年提出的认知领域教育目标分类系统[3]。2.3P前测(Pre-assessment)前测是正式学习之前进行的一种测试，目的是通过测试了解学生的兴趣、能力和当前知识结构，从而帮助教师适当调整内容的深度和进度。可以采用小测验、正式考试、作业或非正式提问等，甚至开展讨论、头脑风暴等形式。2.4P参与式学习(ParticipatoryLearning)参与式学习是具体进行学习的环节，包括师生之间以及生生之间进行的参与式学习。可以是小组讨论教材中的问题;或者教师讲解，不时在讲课中停顿一下，进行学生反思(文字记录、讨论、解决问题等);或者个人或小组报告;或者进行个案研究、情景模拟等。2.5P后测(Post-assessment)了解学生学了什么，是否达成教学目标。知识理解类可以采用选择题、简答题的形式;实际操作类可以采用演示、操作等形式。2.6S总结(Summary)总结课堂内容，以帮助学生整合学习内容，并预告下堂课的内容。可以是内容复习、回顾活动：或者表扬学生的努力和学习成果;或者评价学生演示情况。总之，需要灵活应用BOPPPS教学模型。可以根据课程特点，结合教师自身情况和学生学情状况综合考虑确定出适合教师、学生和课程的有效的BOPPPS教学模型。3BOPPPS教学模型在计算机硬件基础课程中的应用在上学期的计算机硬件基础课程中，我们尝试应用了BOPPPS教学模型。这里以8086/8088微处理器[4]部分的教学为例。3.1教学内容分析微型计算机的硬件组成包含微处理器、存储器、I/O接口及设备和总线四个部分，其中微处理器是微型计算机的运算和指挥控制中心，是微型计算机的核心部分。而Intel80X86系列微处理器就是其中的典型代表。作为现代微处理器基础的8086/8088微处理器，虽然结果简单，现在也不再使用，但是它已经具备现代微处理器的典型结构，对于理解现代微处理器的结构和工作原理很有帮助。这部分内容将详细介绍8086/8088微处理器的内部结构和工作过程，特别是从其开始引入的两个重要的结构概念：指令流水线和存储器分段。3.2教学过程设计B(导入)：由于学生全部使用过计算机，都清楚微处理器是计算机最重要的核心部件之一，采用提问的方式直接导入：如果大家要购买一台计算机，首先要考虑的就是如何选择一款适合的CPU，那么你知道CPU内部包含哪些部件吗?CPU又是如何工作的呢?今天我们就一起来看一款很有代表性的微处理器8086/8088微处理器。O(目标)：提出问题后，给出本节课的教学目标：通过对8086/8088微处理器的学习，要求大家：1)能说出8086/8088微处理器的各个组成部件。2)能描述清楚8086/8088微处理器的工作过程。3)能说出8086/8088微处理器内部寄存器的名字和基本功能。4)能描述指令流水线和存储器分段的含义。5)会进行物理地址和逻辑地址之间的转换。P(前测)：前一次课已经布置预习任务，以填空题或选择题形式进行前测，对学生预习情况有所了解，可根据前测结果对教学内容进行微调，已经达到教学目标的内容少讲或不讲，未达标的内容详讲。题目如下：1)8086/8088微处理器由______和______两部分组成。2)8086/8088微处理器内部寄存器包含8个通用寄存器______、______、______、______、______、______、______、______，4个段寄存器______、______、______、______，1个指令指针寄存器______和1个标志寄存器。3)8086/8088微处理器内部寄存器中，有4个通用寄存器可以将高、低8位分别作为两个独立的8位寄存器使用，它们是______、______、______、______。4)8086/8088微处理器的两个独立部件可以并行工作，是因为有______的存在。5)8086/8088微处理器有20根地址线，所以物理地址是______位的，可寻址的存储空间为______，但是内部寄存器都是______位的，其最大寻址空间只有______，为了解决之一矛盾，8086/8088微处理器采用了______的方法。P(参与式学习)：本节教学内容描述性的内容比较多，采用问题教学法进行参与式教学。问题如下：1)结合8086/8088微处理器的内部结构图，描述执行单元和总线接口单元两个功能部件如何工作?2)结合8086/8088微处理器的指令流水操作示意图，描述8086/8088两级指令流水线如何工作?3)为了实现16位寄存器能寻址1MB存储空间，8086/8088采用了存储器分段的方法。请问：①对每个段有什么要求?②分段后如何寻址?P(后测)：检验学生学习情况，采用小测验的形式。题目如下：1)假设用一个字节表示整数，已知X=01000011，Y=01000001，计算X+Y后各状态标志位的值。2)某逻辑代码段的段地址为21ABH，该逻辑段的最大地址范围是多少?某条指令所在的偏移地址是1678H，该指令所在的物理地址是多少?3)学习了8086/8088微处理器，你认为现代微处理器在哪些方面还需改进呢?S(总结)：对本节课教学内容及学生学习情况进行总结，并布置下一次课的预习任务。4结论通过对计算机硬件基础课程教学特点的分析，我们尝试将BOPPPS教学模型引入到课程教学中，学生真正参与到课堂教学，教学效果有所改善。但是也遇到一些问题值得深入思考和进一步研究：1)教学目标是否应该显式呈现给学生?是否可以调整其顺序，可以放在后测后面吗?2)课堂开展参与式学习的前提是学生课前的学习，即所谓的翻转课堂，这是需要时间的，特别是多门课程同时开展翻转课堂，对学生而言是否构成负担?3)BOPPPS教学模型各个阶段采用何种形式开展，该如何选择?