運用PBL模式解決《計算機組成原理》課程教學困境

吳晶晶，張凱，曹領

（安陽工學院，河南安陽 455000）

《計算機組成原理》課程是計算機專業本科生的核心基礎課，通過本門課程的學習，可以使學生建立一個完整的計算機系統架構的概念，掌握計算機硬件系統的組成結構以及各組成部分的工作原理，培養學生對計算機硬件部分的分析、應用、設計及開發能力[1]。安陽工學院自2002年開設《計算機組成原理》以來，主要以課堂講授的教學形式為主，這種傳統教學形式盡管讓這門課程按照教學大綱發揮了其應有的作用，但在長期教學中，大多學生對該門課程印象是“理論性太強，基本概念抽象，教學內容信息量大，與實踐脫節”，這已經成為該“老經典”課程發展的困境。由此看來，有必要引入新的教學模式對《計算機組成原理》課程進行教學改革。

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

1 教學困境分析

1.1 知識點多而難，學生基礎薄弱，興趣不高

《計算機組成原理》教材包含10個章節，知識點非常多，在講授計算機的硬件電路和工作原理時，經常用到數字電路、數字邏輯等先修課程相關知識，而這些知識在上述課程中本身也是難點，學生對這些知識掌握不夠牢固，基礎薄弱，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，無法與實踐相結合

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

1.3 課程內容陳舊，教學方法單一

《計算機組成原理》課程開設以來，教材內容已遠遠滯后于目前電子技術的發展，這就很難激發學生學習的積極性[6]。該課程主要采取“教師滿堂灌，學生囫圇吞”的教學方式，課程內容多，教學方法單一，課堂氣氛沉悶，無法充分調動學生的主觀能動性，更不能體現學生在教與學中的主體角色。

2 PBL模式在組成原理日常課程教學中的實踐

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

2.1 提出問題、組建學習小組、收集資料并探究問題階段

問題的設置應以教學目標為基礎，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合[7]。提出的問題要與學生之前所學知識、原理有機聯系起來，讓學生根據自己原有儲備，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]，貫穿整學期教學目標，具體見表1所示。

表1 基于PBL模式的組成原理課程問題設置

在整個教學活動開始前，要對班級成員進行分組。以20級物聯網工程專業為例，教材共10個章節，我們將79名同學分為10組，每組分配6-9名不同特點，不同學習層次的同學，分別負責一個章節的課程內容。為了便于PBL教學的實施，開始上課前一周就把所要探討問題發給負責小組，學生拿到問題后，分工合作，通過圖書館、網絡、教材或咨詢教師等渠道查找相關資料，進行自主學習；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，并結合老師制定出恰當的課堂展現形式。

2.2 課堂展現研究結果與交流討論階段

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

1）形象類比法

在講授系統總線章節時，將計算機的各個硬件比作各公交站點，乘客像傳輸的數據，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。

在講授數據尋址方式時，數據尋址過程相當于去圖書館借書，操作數是書，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）理論聯系實際法

在講授存儲器章節內容時，除了硬盤的存儲原理外，還可以介紹當前最新的硬盤產品，如固化硬盤，將固化硬盤和傳統機械硬盤進行對比，引起學生的興趣；在講授CPU芯片時，介紹國內外主流CPU芯片，重點講解國產龍芯，讓同學們了解中美芯片大戰，引入思政。

3）虛實結合法

為了讓學生理解計算機工作過程，組成原理課題組設計了計算機系統模擬軟件，學生可以通過模擬軟件，直觀了解指令執行時的數據流走向。

4）情景劇展現法

在講解流水線時，設置這樣的場景：小餐館原來僅有一個大廚，做一道菜上一道菜，類似于一條指令執行完再執行另一條指令，餐館生意越來越好，老板就將廚房分成四個區域，洗菜區、切菜區、炒菜區、裝盤區，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。這個劇情會讓學生更深刻理解為什么流水技術可以提高處理機的速度。

多樣又極具趣味性的知識點展現形式，增強了學生學習枯燥硬件理論的興趣，大大提高了課堂學習效果。課堂展現時，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，教師要引導學生提出疑問，對問題進行擴展延伸，發現新問題，并解決新問題，這樣會使學生的思路更加開闊，對問題理解得更加透徹。

2.3 提交探究報告與反饋評價

課堂教學結束后，學生要對課堂中所學到的知識點進行歸納和總結，有意識地對教學過程、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鞏固所學知識。

為了能全方位反映學生的真實表現，筆者采用期末卷面成績和PBL教學模式考核評價相結合的方式，各占期末總成績的50%。其中PBL教學模式考核評價包括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%。為了保證所有環節評價的公平性，4部分評價都要有相應的評分細則，學生與教師都要客觀打分。

3 效果評價

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

表2 傳統教學模式與PBL教學模式對比

4 結論

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