吳晶晶，張凱，曹領(lǐng)

（安陽(yáng)工學(xué)院，河南安陽(yáng) 455000）

《計(jì)算機(jī)組成原理》課程是計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)本科生的核心基礎(chǔ)課，通過(guò)本門(mén)課程的學(xué)習(xí)，可以使學(xué)生建立一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)的概念，掌握計(jì)算機(jī)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(duì)計(jì)算機(jī)硬件部分的分析、應(yīng)用、設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)能力[1]。安陽(yáng)工學(xué)院自2002年開(kāi)設(shè)《計(jì)算機(jī)組成原理》以來(lái)，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(mén)課程按照教學(xué)大綱發(fā)揮了其應(yīng)有的作用，但在長(zhǎng)期教學(xué)中，大多學(xué)生對(duì)該門(mén)課程印象是“理論性太強(qiáng)，基本概念抽象，教學(xué)內(nèi)容信息量大，與實(shí)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(lái)，有必要引入新的教學(xué)模式對(duì)《計(jì)算機(jī)組成原理》課程進(jìn)行教學(xué)改革。

基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)(Problem Based Learning，簡(jiǎn)稱(chēng)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(wèn)題情境中，通過(guò)采用小組分組討論的形式，學(xué)生圍繞問(wèn)題合作收集資料，解決問(wèn)題，從而學(xué)習(xí)隱含在問(wèn)題背后的科學(xué)知識(shí)，形成解決問(wèn)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(jì)算機(jī)組成原理》課程的日常教學(xué)中，以此來(lái)解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程面臨的困境。

1 教學(xué)困境分析

1.1 知識(shí)點(diǎn)多而難，學(xué)生基礎(chǔ)薄弱，興趣不高

《計(jì)算機(jī)組成原理》教材包含10個(gè)章節(jié)，知識(shí)點(diǎn)非常多，在講授計(jì)算機(jī)的硬件電路和工作原理時(shí)，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(shí)，而這些知識(shí)在上述課程中本身也是難點(diǎn)，學(xué)生對(duì)這些知識(shí)掌握不夠牢固，基礎(chǔ)薄弱，在新的課程上運(yùn)用時(shí)顯得更加吃力，久而久之，會(huì)失去興趣[5]。

1.2 概念抽象，無(wú)法與實(shí)踐相結(jié)合

《計(jì)算機(jī)組成原理》課程包含的很多知識(shí)，大多在芯片內(nèi)部發(fā)生，例如存儲(chǔ)芯片的讀寫(xiě)時(shí)序、Cache與主存的地址映射方式、數(shù)值在計(jì)算機(jī)內(nèi)如何進(jìn)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(guò)程都是看不見(jiàn)摸不著的，抽象內(nèi)容無(wú)法與實(shí)踐結(jié)合。

1.3 課程內(nèi)容陳舊，教學(xué)方法單一

《計(jì)算機(jī)組成原理》課程開(kāi)設(shè)以來(lái)，教材內(nèi)容已遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(mǎn)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(wú)法充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀(guān)能動(dòng)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(shí)踐

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

2.1 提出問(wèn)題、組建學(xué)習(xí)小組、收集資料并探究問(wèn)題階段

問(wèn)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(shí)際問(wèn)題相結(jié)合[7]。提出的問(wèn)題要與學(xué)生之前所學(xué)知識(shí)、原理有機(jī)聯(lián)系起來(lái)，讓學(xué)生根據(jù)自己原有儲(chǔ)備，通過(guò)收集資料，思考探究，獲得新的概念和理論知識(shí)。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，筆者將唐朔飛編著的《計(jì)算機(jī)組成原理》教材梳理出20多個(gè)問(wèn)題[8]，貫穿整學(xué)期教學(xué)目標(biāo)，具體見(jiàn)表1所示。

表1 基于PBL模式的組成原理課程問(wèn)題設(shè)置

在整個(gè)教學(xué)活動(dòng)開(kāi)始前，要對(duì)班級(jí)成員進(jìn)行分組。以20級(jí)物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)為例，教材共10個(gè)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(diǎn)，不同學(xué)習(xí)層次的同學(xué)，分別負(fù)責(zé)一個(gè)章節(jié)的課程內(nèi)容。為了便于PBL教學(xué)的實(shí)施，開(kāi)始上課前一周就把所要探討問(wèn)題發(fā)給負(fù)責(zé)小組，學(xué)生拿到問(wèn)題后，分工合作，通過(guò)圖書(shū)館、網(wǎng)絡(luò)、教材或咨詢(xún)教師等渠道查找相關(guān)資料，進(jìn)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(wèn)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(lái)報(bào)告自己的探究結(jié)果以及解決問(wèn)題的過(guò)程。在20級(jí)物聯(lián)網(wǎng)工程班的實(shí)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(shí)例如下所列：

1）形象類(lèi)比法

在講授系統(tǒng)總線(xiàn)章節(jié)時(shí)，將計(jì)算機(jī)的各個(gè)硬件比作各公交站點(diǎn)，乘客像傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，使用公交車(chē)運(yùn)輸乘客得出使用總線(xiàn)的好處，既簡(jiǎn)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(shí)，數(shù)據(jù)尋址過(guò)程相當(dāng)于去圖書(shū)館借書(shū)，操作數(shù)是書(shū)，存儲(chǔ)器就是圖書(shū)館，跟管理員說(shuō)要借某書(shū)時(shí)可能會(huì)遇到以下情況：他直接把架子上書(shū)遞給你，即立即尋址；他告訴你書(shū)的地址，你根據(jù)地址取書(shū)，即直接尋址；他告訴你自助機(jī)的地址，你去自助機(jī)查到書(shū)的地址，再去取書(shū)，即間接尋址。

2）理論聯(lián)系實(shí)際法

在講授存儲(chǔ)器章節(jié)內(nèi)容時(shí)，除了硬盤(pán)的存儲(chǔ)原理外，還可以介紹當(dāng)前最新的硬盤(pán)產(chǎn)品，如固化硬盤(pán)，將固化硬盤(pán)和傳統(tǒng)機(jī)械硬盤(pán)進(jìn)行對(duì)比，引起學(xué)生的興趣；在講授CPU芯片時(shí)，介紹國(guó)內(nèi)外主流CPU芯片，重點(diǎn)講解國(guó)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(shí)結(jié)合法

為了讓學(xué)生理解計(jì)算機(jī)工作過(guò)程，組成原理課題組設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模擬軟件，學(xué)生可以通過(guò)模擬軟件，直觀(guān)了解指令執(zhí)行時(shí)的數(shù)據(jù)流走向。

4）情景劇展現(xiàn)法

在講解流水線(xiàn)時(shí)，設(shè)置這樣的場(chǎng)景：小餐館原來(lái)僅有一個(gè)大廚，做一道菜上一道菜，類(lèi)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(lái)越好，老板就將廚房分成四個(gè)區(qū)域，洗菜區(qū)、切菜區(qū)、炒菜區(qū)、裝盤(pán)區(qū)，一個(gè)大廚換成四個(gè)小廚，采用流水線(xiàn)制作菜品，如此僅用原來(lái)做一道菜時(shí)間的1/4就可以上一道菜。這個(gè)劇情會(huì)讓學(xué)生更深刻理解為什么流水技術(shù)可以提高處理機(jī)的速度。

多樣又極具趣味性的知識(shí)點(diǎn)展現(xiàn)形式，增強(qiáng)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(shí)，教師和其他組成員可以進(jìn)行提問(wèn)和評(píng)審。在課堂交流的過(guò)程中，教師要引導(dǎo)學(xué)生提出疑問(wèn)，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行擴(kuò)展延伸，發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題，并解決新問(wèn)題，這樣會(huì)使學(xué)生的思路更加開(kāi)闊，對(duì)問(wèn)題理解得更加透徹。

2.3 提交探究報(bào)告與反饋評(píng)價(jià)

課堂教學(xué)結(jié)束后，學(xué)生要對(duì)課堂中所學(xué)到的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行歸納和總結(jié)，有意識(shí)地對(duì)教學(xué)過(guò)程、對(duì)所解決的問(wèn)題進(jìn)行反思，分析問(wèn)題背后知識(shí)點(diǎn)之間的邏輯聯(lián)系，完善知識(shí)體系。最后提交探究報(bào)告，以此來(lái)幫助全班其他同學(xué)鞏固所學(xué)知識(shí)。

為了能全方位反映學(xué)生的真實(shí)表現(xiàn)，筆者采用期末卷面成績(jī)和PBL教學(xué)模式考核評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式，各占期末總成績(jī)的50%。其中PBL教學(xué)模式考核評(píng)價(jià)包括4部分，小組成員互評(píng)占30%，組間互評(píng)占30%，教師評(píng)價(jià)占30%，探究報(bào)告占10%。為了保證所有環(huán)節(jié)評(píng)價(jià)的公平性，4部分評(píng)價(jià)都要有相應(yīng)的評(píng)分細(xì)則，學(xué)生與教師都要客觀(guān)打分。

3 效果評(píng)價(jià)

為了考證PBL模式的教學(xué)效果，通過(guò)任課的2個(gè)教學(xué)班進(jìn)行實(shí)踐，一個(gè)班采用常規(guī)教學(xué)模式授課，稱(chēng)為常規(guī)教學(xué)班，另一個(gè)班采用PBL教學(xué)模式進(jìn)行授課，稱(chēng)為教改實(shí)驗(yàn)班，課程結(jié)束后，以無(wú)記名形式進(jìn)行了課程改革問(wèn)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(shí)驗(yàn)班的學(xué)生在各方面滿(mǎn)意度均較好，同時(shí)學(xué)生的期末卷面成績(jī)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(duì)比

4 結(jié)論

《計(jì)算機(jī)組成原理》作為計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法機(jī)械死板，課堂枯燥，學(xué)生被動(dòng)式學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)效果差。將PBL教學(xué)模式引入到《計(jì)算機(jī)組成原理》的教學(xué)中，使沉悶無(wú)趣的課堂充滿(mǎn)了活力，學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性大大增強(qiáng)，對(duì)教師的依賴(lài)性大大減小，學(xué)習(xí)效果也得到了明顯提高。