基于PBL的“计算机系统基础”课程教学改革策略

王雪

摘要：“计算机系统基础”是计算机专业的基础类课程，专门培养我国计算机专业系统能力的人才。问题式教学法（PBL，Problem-based learning）是一种新兴教学模式，按照目前高校“计算机系统基础”课程的教学现状，对课程教学中暴露出的学生积极性较低与知识点分散等问题进行分析，探索以PBL为基础的“计算机系统基础”课程教学改革策略，希望激发学生的学习兴趣，提高学生的系统思维能力。

关键词：改革策略；PBL教学模式；课程改革；计算机系统基础

一、前言

“计算机系统基础”不仅是计算机系统能力培养的重要课程，还是计算机专业学生必修课程。但是计算机内部系统工作原理的非直观性给该课程带来了许多困难，如过度依赖程序设计语言、难学难教等。以往的理论课程多采用讲授式教学模式，忽视了学生主观能动性的发挥。而PBL教学模式以问题为驱动，结合案例的实践性与可操作性，把实践和理论有机结合起来，实现了由抽象知识向形象、生动实践应用的转化目标。

二、基于PBL的“计算机系统基础”课程

（一）“计算机系统基础”课程

“计算机系统基础”课程包含有数据的表示与运算、程序的链接、程序转换、虚拟存储器、程序的运行、I/O操作的实现、存储器层次结构等内容。该课程的主要目标是为了培养学生具备系统思维能力，形成扎实的计算机系统概念与基础，同时可以从系统方面对程序移植、程序调试与性能提高等方面来分析问题。

（二）PBL教学模式

PBL教学模式以问题为导向，突出学生的主体地位，着重培养学生的创造性。其基本应用过程为：1.先分析具体场景，建立实际的项目任务，而后以小组为单位对学生进行分组，让他们收集资料，找出解决问题的方法和途径，编写针对性的计划。2.不同小组以自己编写的计划为根本，深入探讨项目内容[1]。3.不同小组进行思想交流，分享自己的想法与实现途径，同时根据需要解决的问题，做好反馈评估，这样能够帮助不同小组快速完成任务，更好地在实践中成长、发展。PBL教学模式是以问题或者项目引导学生有计划地分析与求解谜底，其系统性较强。所以，倘若将PBL教学模式融入“计算机系统基础”课程教学中，通过单独具体的问题分析把计算机系统每个部分的知识内容连接起来，能够有效促进学生系统思维能力的提高。

三、在“计算机系统基础”课程中融入PBL教学模式的优势

（一）优化知识结构

在以往授课教学模式下，每个知识点都是单个存在的，与其他课程中的相关知识点联系并不大，给学生总体的系统认知增加了很大的难度。PBL教学模式可以帮助培养学生的系统思维能力。优质的教学项目或教学问题能将知识的完整结构体现出来，有目的地建立系统化的教学项目，开发知识背后的内容，利用具体的教学项目帮助学生梳理和理解不同知识点的关系，从而不断提升学生计算机系统技能。

（二）实现抽象到具象的转变

“计算机系统基础”课程教学涉及全面的计算机系统基本原理，比如，程序链接、存储架构与处理器架构等。在以往教学方式下，“计算机系统基础”理论知识的教学通常比较单一，学生很难理解其中知识。而且该课程还涉及计算机原理芯片部分，包括指令执行等，这种知识内容晦涩难懂且抽象。如果教师在教学中运用了PBL教学模式，再结合多媒体教学手段，学生就能直观地了解所学知识的实际应用过程[2]。那些具备较强可操作性的教学项目实现了抽象知识向具象知识的转变，让课堂教学变得生动、形象，有利于调动学生的学习积极性。

四、“计算机系统基础”课程教学存在的问题

第一，此课程需要从程序员的角度来规划教学内容，很多高校以C语言为切入点，所以学生对该程序语言的理解对课程的学习效果造成了直接的影响。大部分学生在上大学前从来没有接触相关的程序设计，在学习C语言时仅仅是初步认知，课后训练也不多。倘若教师直接向学生讲C语言程序设计或者通过C语言程序设计的问题导入相关知识内容，学生不一定能够充分吸收。第二，很多教师在规划和安排这门课程的过程中，不但初步阐述了第一章的整个计算机系统，还单独讲解了后续程序转换和数据表示等知识内容，无法有效衔接各知识点。比如，部分教师先讲程序优化，再讲存储系统，致使学生在学习系统优化期间不明白和存储有关的优化知识，以存储系统为基础的优化又是程序优化的重要部分[3]。第三，项目案例不完整。因“计算机系统基础”课程内容较为基础，主要为本科低年级学生设立，所以要想激发学生的学习热情，大多数教师将PBL教学模式应用在了授课过程中。然而此类项目案例一般是围绕单独知识点加以设计，整体的案例问题缺少连贯性。比如，教师在讲解程序转换时，习惯沿用X86的系统架构案例，而在讲解指令流水线的过程中，采用ARM架构指令集的案例内容，极易让学生单纯地看待某个知识点，而忘记了从整体上把握计算机系统，无法获取理想的学生系统思维培养效果。

五、“计算机系统基础”课程改革要求

与传统的工科人才相比，未来产业的转型与升级离不开技术高端、实践能力强、创新能力强的技术型人才。基于PBL的“计算机系统基础”课程教学改革有利于提高人才培养质量与建设质量。首先，在该课程开课之前，教师必须深入了解学生的计算机水平与学习特点，分离基础较好的学生和基础薄弱的学生，分别为甲班与乙班，甲班学生在学习基本教学任务的同时可增加技能提升的任务，比如增加算法与程序设计模块的内容，或者基于软硬件部分增加桌面系统的安装及磁盘恢复，也可以在办公软件部分增添表格的函数计算等内容。针对各层次的学生设计不同侧重点的任务；其次，教师要不断探索多元化的教学模式，依靠智慧学习平台，给学生提供视频、练习题及课件等资源，引导学生自主学习，再在线下进行系统性讲解，重构课程知识体系，重点攻克疑难知识点。同时，利用讨论式、情境式等教学模式实施改革策略，在一定程度上融入德育理念，以增强学生的动手操作能力，给未来的学习与发展奠定基础；再次，在“计算机系统基础”课程中插入部分讲授与训练板块，适当地增加实践课时，从而夯实技能关键点；最后，教师还应立足于PBL新教学模式培养计算机专业人才，体现出因材施教、因时制宜的特征。基于统筹规划计算机程序设计教学，将各种计算机相关的课程在全校展开，从而满足各层次与各专业学生的需求，拓展学生选修计算机课程的空间和广度。

六、基于PBL的“计算机系统基础”课程教学改革策略

（一）教学案例设计

按照“计算机系统基础”课程的教学大纲及教学目标，设计并归纳出该课程的知识重、难点。良好案例的设计需要教师整体把握课程内容和课外项目案例间的关联性以及是否可以和其他相关理论知识相融合。同时，优秀的案例设计还应当注重案例的形象性与可行性，以减少学生学习课程的困难。在设置相应的问题时，要求简单、便于学生理解，尽可能地避免计算机方面的专业问题。对于问题的求解，必须涵盖计算机系统的核心知识点。打破计算机固有的概念与定义，结合问题与已知条件，给学生分组，引导其讨论、探究，逐步解析问题思路，编写针对性的解决方案。然后，按照所编写的解决方案，提取必需的技术要点，为后期和计算机系统知识点的融合提供可靠依据；此外，按照探究的初步解决方案，教师引导学生把它反映至课程相关的组成部分，使学生潜移默化地接受课程知识点，建构成一套自己的思维框架；最后，利用新增条件深入探究初步解决方案，寻找完善途径，进一步引进计算机网络与程序优化等深层次的知识点，不断夯实学生的计算机系统基础[4]。

（二）教学实践

对于各知识点难度不一，以抽象内容“数据的大小端存储方式”为例，并通过以往的知识积累对结果进行分析。此案例将高级语言编程和硬件基础理论加以融合，满足理论联系实践的要求，体现出计算机系统的完整性。针对和其他课程关联性强的知识点“算术逻辑单元的构成”，如图1所示，要想确保学生更好地理解算术逻辑单元的内部构成，通过把复杂知识拆解成各个小任务，如可控加减法器的建立、一位加法器的建立及四位串行加法器的建立等。按照这些算术逻辑单元的自然发展顺序，循序渐进逐层分解，帮助学生掌握算术逻辑单元的发展过程，防止缺失必要的系统知识。

1.方法应用

例如，在讲解一个基础的计算问题时，教师要阐明怎样采用PBL教学法贯穿计算机系统各部分的知识，帮助学生建立计算机系统思维。如设置“13×8233+130.56÷28”这一问题，引导学生仔细思考计算思路。对于此问题，分步骤进行计算比较直观，第一步对12×8233进行计算，第二步对130.56÷28进行计算，第三步把第一步和第二步的结果加起来即可。结合步骤引导学生提取其中的基础技术要点。比如，将全部数据结果写在纸上，其中“纸”用以存储数据，“笔”则是计算机系统中的输入部分，由此引入计算机系统中的数据输入与存储知识。在解决方案中，数据的计算利用阿拉伯数字带上小数点的形式，因此引入数据表达的知识点。计算中运用的加减乘除等运算符号应按照实际的运算规则加以确定，所以可以引入计算机运算原理及过程的知识点。考虑到上述步骤有顺序关联，即第一步必须在第二步之前、前两步必须在第三步之前开展，由此引入计算顺序如何组织的知识点；最后必然要获取数据结果，由此教师可引入数据输出知识点。

2.情境创设

在教学中合理创设教学情境，能够成功吸引学生的注意力，激发其学习兴趣。教师要在课堂教学中把理论和案例完美融合，灵活而巧妙地引入教学案例，从而调动学生的学习积极主动性。教学情境的创设类型多样，教师可借助实物演示与多媒体工具等，将具体案例呈现在学生的面前。例如，在教学“冯诺依曼结构”过程中，教师可利用小故事导入冯诺依曼结构的来历与构成。再比如，在讲解“数据大小端存储方式”时，如图2所示，教师要注意为学生呈现同一C程序在各种存储方式设备上的运行结果差异，根据这一问题导向，结合多媒体演示，利用图片、动画等形式，激发学生的探索欲望，从而更好地理解理论知识。

3.系统映射

按照所提取的技术要点，教师需拓展相应的计算机系统知识内容，从而联系实际案例对相关知识点进行分析。在面对“13×8233+130.56÷28”这一问题时，需要用“纸”实现对信息的存储，教师可采用类比方法，借助“纸”具有记录内容的作用，给学生讲解计算机系统的多层存储系统设计知识。针对“笔”的使用，教师也可用同样的方法，将“笔”作为计算机的输入设备，讲解输入设备的硬件性能、工作原理、基本构成等。对于小数点、整数及运算符号，教师要告知学生这些是非数值数据，在计算机当中需要这些数据表达提供相应的支持，如各种编码，包括硬件识别号、Mac地址、IP地址、服务器地址、节点、端点数据等[5]。针对计算步骤的顺序设置，能够映射至程序设计顺序，教师要为学生讲解编程方式是怎样从二进制转变为汇编程序的，然后再从汇编程序转变成高级编程语言，进一步延伸至汇编器、编译器或解码器等有关转换工具的设计；最后按照结果输出的标准，就能与计算机系统的输出设备相互映射。通过对映射过程的分析，便可将冯诺依曼结构的计算机系统的重要部分有效地衔接起来，使学生搞清楚、弄明白计算机系统这样设计的原理是什么，从整体上认识各部分的实现方式。

4.案例展示与改进

例如，在教学“数据大小端的存储方式”过程中，教师要结合实际案例进行讲解，在讲解后期，教师先在教师机上展示所运行的案例代码及其存储方式，并将相同高级语言代码在各种设备上运行的结果差异展示出来，以此拓展学生的思维空间与想象空间；而后，教师要求每组学生派一个代表到教师机上向大家模拟展示，既能提高学生的动手操作能力，又能深化学生的理解[6]。同时，教师还可以适当地加以改进，比如由于学生已初步具备了C语言基础，教师要引导学生根据union单元型的大小端存储方式特征，对C程序识别电脑端存储方式的案例进行设计，不仅确保了该课程的系统性、完整性与连贯性，还实现了理论知识与应用实践的转化；再比如，在多位数计算的案例中增加一些限制条件，如增加人员数量，同时计算第一步与第二步，应考虑到两步骤同步计算过程的协调性，联想到倒错系统同步性相关知识内容，考虑移位运算，优化第一步的乘法，由此联想到程序优化的知识点。如果两个同时计算的人不在一起，联想到计算机远程知识。围绕这些问题进行解析，能够联想到计算机系统的有关内容，更好地融合教学目标与教学大纲。

七、结语

综上所述，本文围绕现阶段高校“计算机系统基础”课程教学中存在的问题进行了研究与探讨，提出了以PBL为基础的问题式或项目案例的教学模式。首先，立足于学生容易理解的基础问题，利用教学设计、方法应用、情境创设、系统映射等路径，使学生自主链接已知知识和计算机系统的解决方案，逐步逐层探索计算机系统各部分的来历、原因，调动其学习积极性；接着，采用案例展示与改进的方式，优化了现代计算机系统知识，深入浅出，便于学生理解，提升学生对计算机系统的综合应用能力。

参考文献

[1]鹿玲.计算机系统基础课程培养问题解决能力探讨[J].大学教育，2022（07）：136-138+148.

[2]孙清，魏晋雁，李薇，等.财经类院校计算机系统基础课程教学探索及实践[J].软件导刊，2020，19（12）：141-146.

[3]陈勇，徐超.基于PBL的“计算机系统基础”课程教学改革探索[J].黑龙江教育（理论与实践），2023（03）：90-92.

[4]黄岚，段青玲，王耀君，等.农业院校新工科计算机系统能力教学改革与实践[J].教育教学论坛，2022（27）：61-64.

[5]宋鑫，张瑜，伊开.计算机系统能力培养教学改革与实践——“以赛促学”的模式[J].教育教学论坛，2021（19）：67-70.

[6]王燕凤，陶凌梅.大学计算机基础课程教学改革的探索与思考[J].湖北开放职业学院学报，2023，36（02）：151-153.