PBL教學在微機原理與接口技術課程中的應用研究

【摘 要】針對工科學生創新能力較差的問題，在分析微機原理與接口技術課程特點及教學狀況的基礎上，提出將PBL教學模式引入微機原理與接口技術課程的教學中。

【關鍵詞】PBL 微機原理與接口技術 自主學習 建構主義

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2016）06C-0140-03

微機原理與接口技術課程是通信、電子、信息工程、自動化及相關專業的基礎課程。該課程的任務是，通過本課程的學習，學生從應用的角度出發，掌握微型計算機的基本組成、工作原理、匯編語言程序設計、接口電路及硬件的連接，建立系統的整體概念，最終具有微機應用系統軟、硬件開發的初步能力，以及分析解決實際問題的能力和創新意識。由于該課程涉及計算機的基本工作原理、系統組成、接口技術及基本應用等，而計算機中各部件都集中于芯片內部，看不見、摸不著，其工作原理更難于把握，因此該門課程的教與學均具有一定難度。在傳統的“一支粉筆+一塊黑板+一張嘴”的教學中，教師往往是講課的主導者，而學生則是被動的聽講者。研究表明，這種教學模式既不符合微機原理與接口技術課程的教學特點，也不符合當代學生的認知規律，教師經常反映學生上課不愛聽講，學生則普遍認為知識點多、概念抽象、課堂枯燥等，這極大地束縛了學生的創新思維及自主學習能力的培養。筆者嘗試在教授微機原理與接口技術課時，將基于問題（Problem-Based-Learning，簡稱PBL）的教學理念及教學方法應用到教學中，有效地使教師和學生的角色發生轉變，極大地引發學生的求知欲望，發揮其主觀能動性，讓學生真正明確學習的任務及方法，從而提高學生的創造性思維和解決問題的能力，實現素質教育的目標。

一、PBL教學概述

基于問題的學習是在建構主義理論指導下的以學習者為中心的一種教學模式，該教學模式是1969年由美國神經病學教授Howard Barrows在加拿大的麥克瑪斯特大學醫學院首先試行的一種新的教學模式。建構主義認為，學習者是學習過程中的主體性，學習不再是教育者將外在于個體的客觀知識經驗傳遞給學習者，而是學習者在先前的學習經驗基礎之上建構對新信息的理解。在這一過程中，教師常常需要將知識進行分解，并創設問題的環境，再一步步引導學生解決問題，最后進行問題總結。該教學模式是以指導學生自主學習為著力點，以問題為主線，組織學生課堂教學，通過教師創設問題情境，激勵引導解決問題，指導學生自主、合作、探究的學習過程。與傳統教學相比，基于問題的教學是以創新能力培養為導向；以學生課前預習并課上討論代替教師單方面地講授，以課堂中學生為主體代替傳統教學中教師為主體，以“創設問題—引導解決—遷移問題—評價總結”四個階段教學代替“組織教學—復習舊課—講授新課—鞏固新課”的傳統模式。教師按照教學要求組織教學內容，即將學習設置到有意義的、有啟發性的問題情景中，學生通過合作解決實際問題，并思考隱含于問題背后的科學知識，從而形成解決問題的技能及自主學習的能力，從而最大限度地訓練學生搜集資料獲取有效信息的能力，培養其科學和創新思維，提高分析和解決問題的能力，并提高學生的團隊合作能力，以及查找和使用合適的學習資源的能力。

探討PBL教學的文章與著作頗多，有以教為主的模式、以學為主的模式、以傳授系統學科知識為中心的模式及以問題為中心的模式。本文結合微機原理與接口技術課程的特點，主要探討以問題為核心的授課模式，該模式將教學內容用支架的方式分解為一系列的子問題，并將該思路貫穿于每個教學環節，即將基于PBL教學概括為下面四個過程：創設問題—引導解決—遷移問題—評價總結。

（一）創設問題情境。基于PBL教學的核心思想是不斷地激發學生對問題的探討，其核心問題是創設問題情境，即老師分解知識點，并通過生活的問題引出新知識，采用引導并提問的方式，不斷地激發學生去探索、思考，從而達到認知的目的；學習者則圍繞老師創設的問題不斷進行探索、思考，最后達到學習的目的，因此，創設問題情境是激發學生學習興趣、培養學生善于思維、學會學習能力的有益嘗試，問題設計的好壞直接關系到PBL 教學過程的成敗，它將學習者引入到真實的問題環境。好的問題環境是新穎、可行、開放的情境教學環境，能讓學生在情境中思考、探索、合作，養成主動學習的習慣，以達到師生之間的互動。問題環境要求具有真實性，即貼近學習者的生活，從而能夠在學習者的經驗世界中產生共鳴，一般采用多媒體環境，從學生最熟悉、最能引起共鳴的生活實例出發，引出微機原理與接口技術中的基本知識點，喚起學生對要學知識的興趣，并具有初步的微機世界認識實際經驗，然后通過多種媒體的視覺、聽覺效果刺激，步步深入主題，并進一步延伸。

（二）引導解決問題。以學生為中心的教學模式并不是不強調教師的指導作用，當學生在教師創設的環境中自主學習時，教師能及時對學生的學習給予必要的指導，則不僅可以減少錯誤，而且可以增加學習的遷移。PBL教學要求學習者自己決定解決問題的策略，但由于學習資源較多，教師在知識篩選、組織、傳遞等方面的指導作用特別重要。因此，在PBL教學模式中，教師將由講臺上的“主導者”轉變為知識海洋中的“導航者”，在學習者學習過程中，教師需要在關鍵點上對學生進行提示、啟發和引導，使學生較快進入角色和狀態，并使之朝著有利于知識建構的方向發展。啟發及引導的方法包括：提出合適的問題以激起學生的思考及討論；在討論中想方設法將問題進一步引向深入，從而加深學生對所學內容更深層的理解；循序漸進引導學生自己去發現規律，自己去糾正錯誤或補充片面的認識，等等。教師為學生的探索活動提供必要的信息上、工具上、方法上的支持，PBL教學效率將更高。

（三）遷移問題。實踐表明，一切有意義的學習都是在原有認知結構的基礎上產生的，而不受原有認知結構影響的有意義學習是不存在的。知識遷移是以認知結構為中介進行的，一般情況下，先前學習所獲得的新經驗，并不直接與后繼學習發生相互作用，而是通過影響原有認知結構的有關特征間接地影響新學習。實踐表明，知識遷移是提高和進一步升華學習的必要條件，因此，學習與遷移不可分割。學生的概括水平和分析能力是在知識的學習或不斷遷移的過程中形成發展起來的。學生通過分析解決我們精心設計的遷移問題，將剛學到的知識、技能以及經驗遷移到其他更復雜、更深層次的問題當中去是我們的教學目標。

（四）評價總結。評價總結，是問題形成結論的最后階段，也是問題解決的高潮部分。為了進一步升華所學到的知識，學習者要有意識地反思、評價問題解決的過程，即應該回過頭來想想“對于這個問題當時怎么想到這樣解決的策略或方法”，“這個問題還有幾種方法解決，每種方法的優缺點”，“從解決這個問題過程中，自己學到了什么”以及“這個問題與以前所遇到的問題的共同點與不同點”，這一思考的過程即是評價總結的過程，其可以幫助學生概括并理解新知識的應用情境，從而提升在新的環境解決問題的能力。學習者在解決所有問題后，分析解決問題過程中的成功與失誤，是形成創造性思維的重要階段，同時，它又能給出新的問題情境。評價總結的形式包括教師評價、自我評價和同伴評價。評價的內容包括自我學習能力、問題解決能力、變通能力、成員合作能力等。

二、PBL教學在課程中的應用

針對微機原理的基本原理及芯片知識點多、知識面廣及大量枯燥難懂的硬件問題，我們對不同的知識點設計了不同的背景知識引出，并要求學生事前自由組合建立學習小組進行討論，然后通過對各小組的方法進行總結分析，得出適當的結論，從而使學生加深了對相關理論的理解及芯片應用的認知。例如，在給學生講8255可編程并行I/O接口芯片時，一般老師先講芯片，然后做實驗進行驗證，在整個教學過程中，學生被大量難以理解的概念、陌生的初始化字及復雜的結構所弄得暈頭轉向，教學中無法激起學生興趣，學生感覺難學，老師感覺難教。我們采用PBL教學方法來討論該接口芯片，步驟如下：

（一）創設問題情境。從與學生日常生活息息相關的交通燈控制系統引出CPU與外設連接的中間接口電路——8255可編程并行I/O接口。該接口作為主機與外設連接的芯片，不僅具備與主機相連的3個總線接口，即數據線、地址線、控制線接口，同時有與外設相連的3個接口，即A口、B口、C口。又由于該接口可編程，因此其具有邏輯控制部分，這樣8255的內部結構包括三部分：控制部分、與CPU連接的部分及與外設連接部分。在對該芯片簡單介紹后，要求學生設計“交通燈控制系統”，該系統完成南北、東西方向十字路口的紅綠燈控制，要求實現如下功能：初始時四個路口的紅燈全亮，之后，南、北路口的綠燈亮，東、西路口的紅燈亮，南、北路口方向通車；延時一段時間后，南、北路口的綠燈熄滅，而南、北路口的黃燈開始閃爍，閃爍若干次以后，南、北路口紅燈亮，而同時東、西路口的綠燈亮，東、西路口方向通車；延時一段時間后，東、西路口的綠燈熄滅，而黃燈開始閃爍，閃爍若干次以后，再切換到南、北路口方向，之后重復上述過程。要求學生5人一組，通過查資料、組內討論等形式，最后形成解決問題的方案。

（二）引導解決問題。在8255芯片接口的學習中，引導學生根據數據的流向，理解8255芯片如何通過控制器完成CPU與外部設備之間的數據傳遞過程。既要從 CPU 的角度出發，分析數據如何在 CPU 和接口之間進行交互，又要從外設的角度出發，分析外設和接口之間的數據交換過程。只有站在這兩種高度，同時審視8255芯片的工作過程，學生才能更深入地理解該接口芯片是主機和外設之間的鏈接芯片，同時才能全面理解數據的輸入/輸出過程。

（三）遷移問題設計。在前面問題的基礎上，我們提出讓學生設計“具有倒計時功能的交通燈控制系統”，同時引導學生嘗試用不同方案來完成這任務，比如延時部分可以是硬件延時，也可以是軟件延時；數碼管可以用雙數碼管，也可用單個數碼管，等等。學生需要調整自己的認識，將已有的知識進行資源重組并延伸才能生成解決方案。

（四）評價總結。在基于PBL的課堂教學中，很多同學以為找到了問題的答案，知識就掌握了，并且問題就解決了，因而，教學和學習的過程也就結束了，不重視歸納、總結，更不善于舉一反三及靈活地從問題的發現過程中找出解決問題的規律。我們認為，最重要的知識是關于解決問題方法的知識。在問題解決后，我們點評問題解決的各種不同方案，總結好的方案，對次之的方案提出改進意見。教學實踐表明，評價總結在PBL教學中有著舉足輕重的作用，對于學生而言是提高分析能力，提升思維能力、培養創新能力及自主學習能力的重要策略；對教師而言則是邁上自我認識、自我改造、自我教育的專業發展道路。

三、結束語

PBL教學模式是一種以學習者為中心、以問題為核心的全新學習模式和教學模式，與傳統教學模式相比，PBL 教學更強調學生的知識構建，是教師引導下的真正意義上的主動學習，其有助于培養學生創造性思維，并提升其解決問題的能力。PBL教學模式的實施，不僅極大地增強了學生的主動性、積極性，提高了學生的獨創性，培養了他們的人際交往能力、團隊合作精神及綜合素質，同時也提升了學生的創新能力及信息搜索能力。實踐證明，這樣的教學改革是受學生歡迎的，收到了很好的教學效果。在微機原理與接口技術課程實施PBL教學后，聽到了有學生說越來越喜歡上這門課了，很多學生不再認為該門課程枯燥無味，相反，他們課前主動預習，課后積極查資料，真正做到自主學習。

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（責編 盧 雯）