運用PBL模式解決《計算機組成原理》課程教學(xué)困境

吳晶晶，張凱，曹領(lǐng)

（安陽工學(xué)院，河南安陽 455000）

《計算機組成原理》課程是計算機專業(yè)本科生的核心基礎(chǔ)課，通過本門課程的學(xué)習(xí)，可以使學(xué)生建立一個完整的計算機系統(tǒng)架構(gòu)的概念，掌握計算機硬件系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)以及各組成部分的工作原理，培養(yǎng)學(xué)生對計算機硬件部分的分析、應(yīng)用、設(shè)計及開發(fā)能力[1]。安陽工學(xué)院自2002年開設(shè)《計算機組成原理》以來，主要以課堂講授的教學(xué)形式為主，這種傳統(tǒng)教學(xué)形式盡管讓這門課程按照教學(xué)大綱發(fā)揮了其應(yīng)有的作用，但在長期教學(xué)中，大多學(xué)生對該門課程印象是“理論性太強，基本概念抽象，教學(xué)內(nèi)容信息量大，與實踐脫節(jié)”，這已經(jīng)成為該“老經(jīng)典”課程發(fā)展的困境。由此看來，有必要引入新的教學(xué)模式對《計算機組成原理》課程進行教學(xué)改革。

基于問題的學(xué)習(xí)(Problem Based Learning，簡稱PBL)是在教師的引導(dǎo)下，以學(xué)生為中心，把學(xué)習(xí)設(shè)置到復(fù)雜的，有意義的問題情境中，通過采用小組分組討論的形式，學(xué)生圍繞問題合作收集資料，解決問題，從而學(xué)習(xí)隱含在問題背后的科學(xué)知識，形成解決問題的技能和自主學(xué)習(xí)的能力[2-4]。本文將探討將PBL教學(xué)模式引入到《計算機組成原理》課程的日常教學(xué)中，以此來解決傳統(tǒng)計算機專業(yè)基礎(chǔ)課程面臨的困境。

1 教學(xué)困境分析

1.1 知識點多而難，學(xué)生基礎(chǔ)薄弱，興趣不高

《計算機組成原理》教材包含10個章節(jié)，知識點非常多，在講授計算機的硬件電路和工作原理時，經(jīng)常用到數(shù)字電路、數(shù)字邏輯等先修課程相關(guān)知識，而這些知識在上述課程中本身也是難點，學(xué)生對這些知識掌握不夠牢固，基礎(chǔ)薄弱，在新的課程上運用時顯得更加吃力，久而久之，會失去興趣[5]。

1.2 概念抽象，無法與實踐相結(jié)合

《計算機組成原理》課程包含的很多知識，大多在芯片內(nèi)部發(fā)生，例如存儲芯片的讀寫時序、Cache與主存的地址映射方式、數(shù)值在計算機內(nèi)如何進行加減乘除，控制器是如何取指令、分析指令、執(zhí)行指令的，這些過程都是看不見摸不著的，抽象內(nèi)容無法與實踐結(jié)合。

1.3 課程內(nèi)容陳舊，教學(xué)方法單一

《計算機組成原理》課程開設(shè)以來，教材內(nèi)容已遠遠滯后于目前電子技術(shù)的發(fā)展，這就很難激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性[6]。該課程主要采取“教師滿堂灌，學(xué)生囫圇吞”的教學(xué)方式，課程內(nèi)容多，教學(xué)方法單一，課堂氣氛沉悶，無法充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，更不能體現(xiàn)學(xué)生在教與學(xué)中的主體角色。

2 PBL模式在組成原理日常課程教學(xué)中的實踐

PBL教學(xué)法把問題作為學(xué)習(xí)的起點，學(xué)習(xí)活動圍繞核心問題展開，通過學(xué)生分組合作來學(xué)習(xí)與問題相關(guān)聯(lián)的課程知識，研究結(jié)果可以采用多種形式展現(xiàn)。在實施過程中大概包括以下幾個階段：教師提出問題、組建學(xué)習(xí)小組、收集資料并探究問題，課堂展現(xiàn)研究結(jié)果與交流討論，提交探究報告與反饋評價。

2.1 提出問題、組建學(xué)習(xí)小組、收集資料并探究問題階段

問題的設(shè)置應(yīng)以教學(xué)目標(biāo)為基礎(chǔ)，把握好深度和廣度，并且難易度要適中，能夠和實際問題相結(jié)合[7]。提出的問題要與學(xué)生之前所學(xué)知識、原理有機聯(lián)系起來，讓學(xué)生根據(jù)自己原有儲備，通過收集資料，思考探究，獲得新的概念和理論知識。在實際教學(xué)過程中，筆者將唐朔飛編著的《計算機組成原理》教材梳理出20多個問題[8]，貫穿整學(xué)期教學(xué)目標(biāo)，具體見表1所示。

表1 基于PBL模式的組成原理課程問題設(shè)置

在整個教學(xué)活動開始前，要對班級成員進行分組。以20級物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)為例，教材共10個章節(jié)，我們將79名同學(xué)分為10組，每組分配6-9名不同特點，不同學(xué)習(xí)層次的同學(xué)，分別負(fù)責(zé)一個章節(jié)的課程內(nèi)容。為了便于PBL教學(xué)的實施，開始上課前一周就把所要探討問題發(fā)給負(fù)責(zé)小組，學(xué)生拿到問題后，分工合作，通過圖書館、網(wǎng)絡(luò)、教材或咨詢教師等渠道查找相關(guān)資料，進行自主學(xué)習(xí)；最后小組成員之間相互探討溝通，找到解決問題的思路和方法，并結(jié)合老師制定出恰當(dāng)?shù)恼n堂展現(xiàn)形式。

2.2 課堂展現(xiàn)研究結(jié)果與交流討論階段

小組成員在自主探究并與老師確定好展現(xiàn)形式后，可在課堂上利用多種形式來報告自己的探究結(jié)果以及解決問題的過程。在20級物聯(lián)網(wǎng)工程班的實踐教學(xué)中，各小組同學(xué)都采用了豐富多彩的課堂展現(xiàn)形式，部分課堂展現(xiàn)實例如下所列：

1）形象類比法

在講授系統(tǒng)總線章節(jié)時，將計算機的各個硬件比作各公交站點，乘客像傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，使用公交車運輸乘客得出使用總線的好處，既簡化了硬件部件間相互的連接，又有利于硬件的增加和刪除。

在講授數(shù)據(jù)尋址方式時，數(shù)據(jù)尋址過程相當(dāng)于去圖書館借書，操作數(shù)是書，存儲器就是圖書館，跟管理員說要借某書時可能會遇到以下情況：他直接把架子上書遞給你，即立即尋址；他告訴你書的地址，你根據(jù)地址取書，即直接尋址；他告訴你自助機的地址，你去自助機查到書的地址，再去取書，即間接尋址。

2）理論聯(lián)系實際法

在講授存儲器章節(jié)內(nèi)容時，除了硬盤的存儲原理外，還可以介紹當(dāng)前最新的硬盤產(chǎn)品，如固化硬盤，將固化硬盤和傳統(tǒng)機械硬盤進行對比，引起學(xué)生的興趣；在講授CPU芯片時，介紹國內(nèi)外主流CPU芯片，重點講解國產(chǎn)龍芯，讓同學(xué)們了解中美芯片大戰(zhàn)，引入思政。

3）虛實結(jié)合法

為了讓學(xué)生理解計算機工作過程，組成原理課題組設(shè)計了計算機系統(tǒng)模擬軟件，學(xué)生可以通過模擬軟件，直觀了解指令執(zhí)行時的數(shù)據(jù)流走向。

4）情景劇展現(xiàn)法

在講解流水線時，設(shè)置這樣的場景：小餐館原來僅有一個大廚，做一道菜上一道菜，類似于一條指令執(zhí)行完再執(zhí)行另一條指令，餐館生意越來越好，老板就將廚房分成四個區(qū)域，洗菜區(qū)、切菜區(qū)、炒菜區(qū)、裝盤區(qū)，一個大廚換成四個小廚，采用流水線制作菜品，如此僅用原來做一道菜時間的1/4就可以上一道菜。這個劇情會讓學(xué)生更深刻理解為什么流水技術(shù)可以提高處理機的速度。

多樣又極具趣味性的知識點展現(xiàn)形式，增強了學(xué)生學(xué)習(xí)枯燥硬件理論的興趣，大大提高了課堂學(xué)習(xí)效果。課堂展現(xiàn)時，教師和其他組成員可以進行提問和評審。在課堂交流的過程中，教師要引導(dǎo)學(xué)生提出疑問，對問題進行擴展延伸，發(fā)現(xiàn)新問題，并解決新問題，這樣會使學(xué)生的思路更加開闊，對問題理解得更加透徹。

2.3 提交探究報告與反饋評價

課堂教學(xué)結(jié)束后，學(xué)生要對課堂中所學(xué)到的知識點進行歸納和總結(jié)，有意識地對教學(xué)過程、對所解決的問題進行反思，分析問題背后知識點之間的邏輯聯(lián)系，完善知識體系。最后提交探究報告，以此來幫助全班其他同學(xué)鞏固所學(xué)知識。

為了能全方位反映學(xué)生的真實表現(xiàn)，筆者采用期末卷面成績和PBL教學(xué)模式考核評價相結(jié)合的方式，各占期末總成績的50%。其中PBL教學(xué)模式考核評價包括4部分，小組成員互評占30%，組間互評占30%，教師評價占30%，探究報告占10%。為了保證所有環(huán)節(jié)評價的公平性，4部分評價都要有相應(yīng)的評分細(xì)則，學(xué)生與教師都要客觀打分。

3 效果評價

為了考證PBL模式的教學(xué)效果，通過任課的2個教學(xué)班進行實踐，一個班采用常規(guī)教學(xué)模式授課，稱為常規(guī)教學(xué)班，另一個班采用PBL教學(xué)模式進行授課，稱為教改實驗班，課程結(jié)束后，以無記名形式進行了課程改革問卷調(diào)查，調(diào)查結(jié)果如表2。調(diào)查結(jié)果顯示，采用PBL模式教學(xué)，教改實驗班的學(xué)生在各方面滿意度均較好，同時學(xué)生的期末卷面成績也優(yōu)于常規(guī)教學(xué)班。

表2 傳統(tǒng)教學(xué)模式與PBL教學(xué)模式對比

4 結(jié)論

《計算機組成原理》作為計算機專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法機械死板，課堂枯燥，學(xué)生被動式學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)效果差。將PBL教學(xué)模式引入到《計算機組成原理》的教學(xué)中，使沉悶無趣的課堂充滿了活力，學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主動性和積極性大大增強，對教師的依賴性大大減小，學(xué)習(xí)效果也得到了明顯提高。