基于PBL 的計算機組成原理課外實驗探索與實踐

操驚雷，秦磊華

(1.黃岡職業技術學院 現代教育技術中心，湖北 黃州438002;2.華中科技大學 計算機學院，武漢 430074)

基于問題的學習(Problem Based Learning，簡稱PBL)以學生為中心，把學習設置到復雜的，有意義的問題情境中，通過學習者的合作來解決真正的問題，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［1］。PBL 最早于上世紀50 年代末由美國的Barrows 和Tamblyn 提出，開始在醫學領域教學中應用并取得成功，現被廣泛應用于教育學、工程學、建筑學、法學、經濟學、管理學、自然科學、農學和社會學等學科領域［2］。本文就PBL 教學模式引入到計算機組成原理課外實驗教學中的相關問題進行探討，為深化實驗教學體系與教學模式的改革進行一些有益的嘗試。

1 基于PBL 的實驗教學理念

實驗教學是高等學校課程教學的重要組成部分，實驗教學質量的高低將直接影響到人才培養的質量。實驗教學理念是實驗教學的指導思想，將影響實驗教學的培養目標、培養模式、教學方法、教學質量甚至整個實驗教學體系。教學理念隨著學科發展、社會需要和認識的提高而不斷變化。我國高等學校實驗教學理念于上世紀60 代提出，最初只注重對學生三基能力的培養(掌握基礎知識的能力、掌握基本操作的能力、掌握基本技能的能力，后來又增加了培養學生分析問題、解決問題的能力以及培養學生科學思維能力和嚴謹的科學品質等要求［3－4］。

上述實驗教學理念在當時條件下還是具有相當先進性的，但隨著時代的發展和社會對人才創新能力要求的提高，傳統的實驗教學理念的局限性也就隨之表現出來:

(1)實驗內容基本固定，同一門課程的實驗內容多年基本都不改變;

(2)在教學方法上，以老師為主，學生只能被動接受;

(3)沒有考慮學生的個性、特長、興趣與愛好;

(4)實驗內容不能反映學科發展的前沿，不能反映社會實際和生產、科研實際，不能激發學生興趣。

傳統實驗教學理念重在基本技能，忽視了創新力的培養。實踐證明，創新是社會發展的源動力，為適應社會發展的需要，必須更新實驗教學理念。在國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010 －2020年)中明確指出培養創新人才的重要性和緊迫性，并從多個不同的角度提出了明確的目標:

(1)在戰略主題部分，明確指出要著力培養勇于探索的創新精神和善于解決問題的實踐能力;著力提高學生的學習能力、實踐能力和創新能力。

(2)在發展任務部分，明確指出高等教育應該推動高校創新組織模式，促進科研與教學互動、與創新人才培養相結合。

(3)在體制改革部分，提出了探索創新人才培養模式的目標，倡導啟發式、探究式、討論式、參與式教學;激發學生的好奇心，培養學生的興趣愛好，營造獨立思考，自由探究、勇于創新的良好環境。

國家中長期教育改革和發展規劃綱要為實驗教學理念的更新指明了方向，即實驗教學應貫徹以學生為主體，教師為主導，堅持知識傳授、能力培養、素質教育全面協調發展的實驗教學理念。這一新的實驗教學理念強調學生是實驗的主體，倡導根據學生個性、特長組織實驗教學，充分激發學生對實驗的興趣，培養學生的綜合能力和創新能力，這一理念的內涵正好與PBL 教學的本質相同，因此，將PBL應用于實驗教學符合國家中長期教育改革與發展規劃綱要的要求，具有鮮明的時代特征［5］。

本文將以“問題”為導向、以學生為主體、以能力培養尤其是創新能力培養為目標的實驗理念稱為基于PBL 的實驗教學理念。

2 組成原理課程中實驗中引入PBL 教學法的必要性

《計算機組成原理》是計算機科學與技術專業本科教學中的一門重要專業基礎課，課程的目標是使學生掌握計算機硬件各子系統的組成原理及實現技術，建立計算機系統的整體概念，培養學生設計、開發計算機系統的能力。計算機組成原理在計算機科學與技術專業知識體系和課程體系中具有承上啟下的作用，詳細情況分別如圖1 和圖2 所示。

圖1 計算機系統的層次化結構

圖2 計算機組成原理的前導與后續課

在圖1 所示的計算機系統層次化結構圖中，陰影部分所指的內容就是計算機組成原理課程所包含的教學內容，即包括CPU、主存、輸入/輸出接口及指令集體系結構(ISA)等內容。其中，ISA 是硬件和軟件的接口;CPU、MM、I/O 等是構成計算機的主要硬件功能部件，它們通過數字邏輯電路設計來實現。從圖2 所示的計算機科學與技術專業課程體系可看出，計算機組成原理在計算機硬件系列課程中的地位和作用。同時，從計算機科學與技術發展的趨勢看，計算機組成原理對操作系統原理和編譯原理等系統軟件課程的學習也有很重要的支撐作用。

實踐教學能幫助學生深入理解學理論知識，同時對提高學生的綜合素質、培養學生的創新精神、實踐能力和創新能力具有不可替代的作用。計算機組成原理是計算機科學與技術及其相關專業的核心基礎課，一方面，其涉及內容廣且抽象，另一方面，該課程的內容還與計算機科學與技術的發展緊密關聯，具有較強的時代特征。鑒于計算機組成原理課程的重要地位及其特點，有必要在計算機組成原理課程實驗教學體系中引入PBL 教學法，以充分調動學生參與實驗的積極性和主動性，更好地培養學生設計、調試和開發計算機系統的能力以及培養分析和解決問題能力［6］。

3 基于PBL 的組成原理課外實驗設計與實施

由于計算機組成原理課程的內容廣泛且具有較強的時代特征，僅僅依靠課內實驗(一般16 學時左右)很難達到實驗教學的效果，設置基于問題的課外實驗勢在必行。

3.1 基于PBL 的實驗設計

問題是PBL 的基礎、出發點以及引發學習活動的主線，問題設計的適當與否是PBI 學習成功的關鍵。設計問題時應該注意以下幾點［7］。

1)問題設計要緊密聯系學生實際，注重理論和實踐的結合，體現以學生為中心、教師為主導的教學策略;

2)設計的問題要有明確的目標，以引導學生從不同角度來分析和解決問題，激發學生積極參與、主動實踐的熱情;

3)設計的問題并不要求有確定的答案或解決方法，給學生留出更多的體驗和想象空間，激發學生的創造力;

根據上述基本原則，結合計算機組成原理的教學內容和實驗目標，我們在組成原理實驗教學中設計了16 個基于PBL 的課外實驗，詳細情況如表1 所示。

表1 基于PBL 的組成原理課外實驗內容

3.2 實驗實施過程

基于PBL 的課外實驗實施過程大體上按照PBL 教學法的實施過程進行，即按照教師提出問題→組建學習小組→學生自主收集資料，討論、探索并解決問題→教師引導→提交報告并組織大范圍的討論和答辯等環節進行。

根據組成原理實驗的特殊性，在具體實施PBL 實驗教學過程中，我們采取了下列措施:

1)進行課外實驗和組織討論與答辯需要大量的時間，因此，合理安排時間是成功實施PBL 課外實驗的關鍵。其中，學生收集資料、小組討論和解決問題的時間利用課外時間自行安排;而大范圍的討論和答辯則以課堂教學時間為主，利用每章教學內容完成后的總結時間，隨即抽取部分小組就他們的問題進行報告，并回答其它小組學生提出的問題。在必要的情況下，也可以少量安排課外時間組織討論與答辯。一般在給出一個問題后，學生在2 周內提交實驗報告，教師在3 周內安排時間組織討論和答辯。

2)不同于理論教學，實驗教學需要必備的實驗條件，因此，在設計實驗問題時要充分考慮課外實驗條件這個因素。表1 所設計的實驗項目都不依賴某一固定的實驗平臺，只需要一臺計算機和相應的軟件即可完成，這些條件一般的學生都具備;

3)實驗問題的設計要考慮學生的實際情況，并給學生一定的選擇空間。表1 所示的課外實驗共有16 個，在具體的實施過程中，可根據學生的實際情況，規定部分章節的必做實驗，同時允許學生選擇自己感興趣的實驗項目;

4)注重對實驗過程的監控和引導。為確保PBL 實驗教學能有效進行，教師要全程跟蹤監控，指導學生對問題解決活動的進行，及時把握學生問題解決的動向，保證問題解決的方向性;鼓勵學生從多角度分析問題等。答辯時對學生正確的理解和分析給予肯定，對學生片面的觀點給予指出;并給每一組打出評分。還要把解決問題牽涉的知識點作一個提綱契領的回顧，總結重點和難點，回應學生討論時提出的較為普遍的問題，啟發學生作更進一步深入的分析，讓學生認識到學習是一個無止境的過程，永遠會有需要研究的問題，并能感受到自己是“學習”的主人，從而體會到“學習”是一種樂趣。

3.3 課外實驗評價

建立合理的評價體系是PBL 教學法的主要環節。由于PBL 教學更重視教學過程中學生的表現而不僅僅是教學結果，因此，基于PBL 的課外實驗評價的內容與方式也相應發生變化。PBL 教學評價的目的是激發學生探索知識，而探索知識的過程是復雜的，因此，PBL 教學評價具有多元化、多樣化的特點。一般來說，PBL 常用的評價方式包括:形成性評價與終結性評價相結合、學生自我評價與相互評價相結合、教師與學生相互評價相結合、書面評價與口頭評價相結合等形式。在實施的過程中可根據實際情況靈活選擇［8］。

除對單個實驗進行評價外，筆者認為還應該將實驗評價納入到課程終結性評價體系中，且加大PBL實驗在課程終結性體系中的比重，具體情況視完成的PBL 實驗個數而定，建議比重在在30% ～50%之間，這樣既能調動學生主動探索的積極性，又能提高課程終結性評價的科學性、合理性。

研究型教學是國家中長期教育改革和發展規劃中明確指出的教育改革方向，也是培養創新型人才的必由之路。從傳統教學模式向研究型教學模式的轉變不僅存在教育觀念的革新，還有很多具體的工作有待研究與完善。本文就PBL 教學應用于計算機組成原理課外實驗的相關問題進行了探索，通過近2 年的教學實踐效果看，學生對這一新的實驗教學模式表現出濃厚的興趣，學生運用所學知識分析和解決問題的能力也得到了較大幅度的提升。當然，我們所設計的PBL 組成原理課外實驗還有待優化與完善。

下一步，我們將站在課程體系的角度，研究實施基于PBL 實驗教學的可行性，并設計基于PBL 和面向課程體系的課外實驗方案。

［1］ 王濟華.基于問題的學習(PBL)模式研究.當代教育理論與實踐［J］.2010，2(3):98 －100.

［2］ Schmidt H G，Gijselaers W H. Causal modeling of problem－based learning［Z］. Boston，MA:Annual Meeting of the American Educational Research Association，1990.

［3］ 周立亞，龔福忠，蘭宇衛，等.構建研究型實驗教學法培養學生創新能力［J］.實驗室研究與探索，2011，30(5):127－129.

［4］ 王明彥.構建研究性實驗教學體系的思考與實踐［J］.中國大學教學，2009(3):75 －77.

［5］ 國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010 －2020 年)［EB/OL］. http://www.gov.cn/jrzg/2010 －07/29/content_1667143.htm 2011 －8 －17.

［6］ 王秀敏.基于問題和項目的研究性學習模式研究［J］.技術監督教育學刊，2007(2):7 －9.

［7］ 符兆英，田紅英，高峰.基于問題學習教學模式的要素與方法及利弊探討［J］.延安大學學報(醫學科學版)，2011，9(3):69 －71.

［8］ 王光義. 實驗教學理念與創新能力培養［J］.實驗室研究與探索，2008，27(8):76 －78.