运用PBL模式解决《计算机组成原理》课程教学困境

吴晶晶，张凯，曹领

（安阳工学院，河南安阳 455000）

《计算机组成原理》课程是计算机专业本科生的核心基础课，通过本门课程的学习，可以使学生建立一个完整的计算机系统架构的概念，掌握计算机硬件系统的组成结构以及各组成部分的工作原理，培养学生对计算机硬件部分的分析、应用、设计及开发能力[1]。安阳工学院自2002年开设《计算机组成原理》以来，主要以课堂讲授的教学形式为主，这种传统教学形式尽管让这门课程按照教学大纲发挥了其应有的作用，但在长期教学中，大多学生对该门课程印象是“理论性太强，基本概念抽象，教学内容信息量大，与实践脱节”，这已经成为该“老经典”课程发展的困境。由此看来，有必要引入新的教学模式对《计算机组成原理》课程进行教学改革。

基于问题的学习(Problem Based Learning，简称PBL)是在教师的引导下，以学生为中心，把学习设置到复杂的，有意义的问题情境中，通过采用小组分组讨论的形式，学生围绕问题合作收集资料，解决问题，从而学习隐含在问题背后的科学知识，形成解决问题的技能和自主学习的能力[2-4]。本文将探讨将PBL教学模式引入到《计算机组成原理》课程的日常教学中，以此来解决传统计算机专业基础课程面临的困境。

1 教学困境分析

1.1 知识点多而难，学生基础薄弱，兴趣不高

《计算机组成原理》教材包含10个章节，知识点非常多，在讲授计算机的硬件电路和工作原理时，经常用到数字电路、数字逻辑等先修课程相关知识，而这些知识在上述课程中本身也是难点，学生对这些知识掌握不够牢固，基础薄弱，在新的课程上运用时显得更加吃力，久而久之，会失去兴趣[5]。

1.2 概念抽象，无法与实践相结合

《计算机组成原理》课程包含的很多知识，大多在芯片内部发生，例如存储芯片的读写时序、Cache与主存的地址映射方式、数值在计算机内如何进行加减乘除，控制器是如何取指令、分析指令、执行指令的，这些过程都是看不见摸不着的，抽象内容无法与实践结合。

1.3 课程内容陈旧，教学方法单一

《计算机组成原理》课程开设以来，教材内容已远远滞后于目前电子技术的发展，这就很难激发学生学习的积极性[6]。该课程主要采取“教师满堂灌，学生囫囵吞”的教学方式，课程内容多，教学方法单一，课堂气氛沉闷，无法充分调动学生的主观能动性，更不能体现学生在教与学中的主体角色。

2 PBL模式在组成原理日常课程教学中的实践

PBL教学法把问题作为学习的起点，学习活动围绕核心问题展开，通过学生分组合作来学习与问题相关联的课程知识，研究结果可以采用多种形式展现。在实施过程中大概包括以下几个阶段：教师提出问题、组建学习小组、收集资料并探究问题，课堂展现研究结果与交流讨论，提交探究报告与反馈评价。

2.1 提出问题、组建学习小组、收集资料并探究问题阶段

问题的设置应以教学目标为基础，把握好深度和广度，并且难易度要适中，能够和实际问题相结合[7]。提出的问题要与学生之前所学知识、原理有机联系起来，让学生根据自己原有储备，通过收集资料，思考探究，获得新的概念和理论知识。在实际教学过程中，笔者将唐朔飞编著的《计算机组成原理》教材梳理出20多个问题[8]，贯穿整学期教学目标，具体见表1所示。

表1 基于PBL模式的组成原理课程问题设置

在整个教学活动开始前，要对班级成员进行分组。以20级物联网工程专业为例，教材共10个章节，我们将79名同学分为10组，每组分配6-9名不同特点，不同学习层次的同学，分别负责一个章节的课程内容。为了便于PBL教学的实施，开始上课前一周就把所要探讨问题发给负责小组，学生拿到问题后，分工合作，通过图书馆、网络、教材或咨询教师等渠道查找相关资料，进行自主学习；最后小组成员之间相互探讨沟通，找到解决问题的思路和方法，并结合老师制定出恰当的课堂展现形式。

2.2 课堂展现研究结果与交流讨论阶段

小组成员在自主探究并与老师确定好展现形式后，可在课堂上利用多种形式来报告自己的探究结果以及解决问题的过程。在20级物联网工程班的实践教学中，各小组同学都采用了丰富多彩的课堂展现形式，部分课堂展现实例如下所列：

1）形象类比法

在讲授系统总线章节时，将计算机的各个硬件比作各公交站点，乘客像传输的数据，使用公交车运输乘客得出使用总线的好处，既简化了硬件部件间相互的连接，又有利于硬件的增加和删除。

在讲授数据寻址方式时，数据寻址过程相当于去图书馆借书，操作数是书，存储器就是图书馆，跟管理员说要借某书时可能会遇到以下情况：他直接把架子上书递给你，即立即寻址；他告诉你书的地址，你根据地址取书，即直接寻址；他告诉你自助机的地址，你去自助机查到书的地址，再去取书，即间接寻址。

2）理论联系实际法

在讲授存储器章节内容时，除了硬盘的存储原理外，还可以介绍当前最新的硬盘产品，如固化硬盘，将固化硬盘和传统机械硬盘进行对比，引起学生的兴趣；在讲授CPU芯片时，介绍国内外主流CPU芯片，重点讲解国产龙芯，让同学们了解中美芯片大战，引入思政。

3）虚实结合法

为了让学生理解计算机工作过程，组成原理课题组设计了计算机系统模拟软件，学生可以通过模拟软件，直观了解指令执行时的数据流走向。

4）情景剧展现法

在讲解流水线时，设置这样的场景：小餐馆原来仅有一个大厨，做一道菜上一道菜，类似于一条指令执行完再执行另一条指令，餐馆生意越来越好，老板就将厨房分成四个区域，洗菜区、切菜区、炒菜区、装盘区，一个大厨换成四个小厨，采用流水线制作菜品，如此仅用原来做一道菜时间的1/4就可以上一道菜。这个剧情会让学生更深刻理解为什么流水技术可以提高处理机的速度。

多样又极具趣味性的知识点展现形式，增强了学生学习枯燥硬件理论的兴趣，大大提高了课堂学习效果。课堂展现时，教师和其他组成员可以进行提问和评审。在课堂交流的过程中，教师要引导学生提出疑问，对问题进行扩展延伸，发现新问题，并解决新问题，这样会使学生的思路更加开阔，对问题理解得更加透彻。

2.3 提交探究报告与反馈评价

课堂教学结束后，学生要对课堂中所学到的知识点进行归纳和总结，有意识地对教学过程、对所解决的问题进行反思，分析问题背后知识点之间的逻辑联系，完善知识体系。最后提交探究报告，以此来帮助全班其他同学巩固所学知识。

为了能全方位反映学生的真实表现，笔者采用期末卷面成绩和PBL教学模式考核评价相结合的方式，各占期末总成绩的50%。其中PBL教学模式考核评价包括4部分，小组成员互评占30%，组间互评占30%，教师评价占30%，探究报告占10%。为了保证所有环节评价的公平性，4部分评价都要有相应的评分细则，学生与教师都要客观打分。

3 效果评价

为了考证PBL模式的教学效果，通过任课的2个教学班进行实践，一个班采用常规教学模式授课，称为常规教学班，另一个班采用PBL教学模式进行授课，称为教改实验班，课程结束后，以无记名形式进行了课程改革问卷调查，调查结果如表2。调查结果显示，采用PBL模式教学，教改实验班的学生在各方面满意度均较好，同时学生的期末卷面成绩也优于常规教学班。

表2 传统教学模式与PBL教学模式对比

4 结论

《计算机组成原理》作为计算机专业的核心基础课程，采用传统的教学方法机械死板，课堂枯燥，学生被动式学习，学习效果差。将PBL教学模式引入到《计算机组成原理》的教学中，使沉闷无趣的课堂充满了活力，学生自主学习的主动性和积极性大大增强，对教师的依赖性大大减小，学习效果也得到了明显提高。