PBL教學法在計算機組成原理課程教學中的應用

劉向舉，陳輝，任萍

PBL教學法在計算機組成原理課程教學中的應用

劉向舉，陳輝，任萍

（安徽理工大學 計算機科學與工程學院，安徽 淮南 232001）

分析當前計算機組成原理課程教學中存在的問題，并結合教學體會，從教學設計、問題設置、課堂指導、教學評價等方面詳細闡述了PBL教學法在計算機組成原理課程教學中的實施過程，同時指出了教學實施過程中需要注意的問題及相應的解決辦法．實踐表明，PBL教學法激發(fā)了學生學習的積極性和主動性，提高了學生分析問題和解決問題的能力，加強了學生對知識點的掌握和理解．

計算機組成原理；PBL教學法；教學改革

計算機組成原理是計算機及其相關專業(yè)必修的專業(yè)基礎課程和核心課程，在先修課程（數(shù)字邏輯等）和后續(xù)課程（計算機體系結構、操作系統(tǒng)等）之間起著重要的橋梁作用．通過本課程的學習使學生有一個完整的計算機系統(tǒng)的架構概念，并理解計算機硬件系統(tǒng)的組成結構及各個部分的工作原理，培養(yǎng)學生對計算機硬件系統(tǒng)整機及單元部件的分析、設計和開發(fā)能力，并注重創(chuàng)新能力的發(fā)展[1]．安徽理工大學計算機科學與工程學院在計算機組成原理的教學中主要以課堂講授的教學形式為主，這種教學形式盡管發(fā)揮了其應有的作用，但由于教師處于主導地位，學生只能被動的接受，沒有注意到學生的興趣、能力和個性特點，導致教學效果不是很理想．因此，有必要探索新的教學模式，對計算機組成原理課程教學進行改革．

1969年，美國南伊利諾斯大學醫(yī)學院神經病學教授Howard Barrows提出了基于問題的學習模式（PBL，Problem Based Learning）的教學方法，起初在醫(yī)學領域廣泛應用，并取得了很好的效果．現(xiàn)在PBL教學模式已成為一種國際上較流行的教學方法，并推廣到工程教育、社會教育、經濟學、生物學、心理學等領域的教學中，成果顯著[2]．PBL教學模式的特點是通過解決實際問題來學習隱含在問題背后的科學知識，把傳統(tǒng)的被動灌輸式課堂講授教學方法變?yōu)橹鲃幼灾魇降膶W習方法，由教師為中心轉變?yōu)橐詫W生為中心，有助于培養(yǎng)學生的自主學習能力、積極思考能力、解決實際問題能力和創(chuàng)新能力等[3]．因此，本文探討將PBL教學理念運用到計算機組成原理課程的教學中，以此來改善教學效果．

1 計算機組成原理課程教學面臨的主要問題

1.1 課程知識點多而難、理論抽象和邏輯性強

計算機組成原理課程授課內容包括運算器、控制器、存儲系統(tǒng)、指令系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)、總線系統(tǒng)和外設等章節(jié)，各個章節(jié)所涉及的知識點非常多，而且各知識點在工作原理和分析設計方法上各不相同．另外，在本課程學習過程中，經常會用到模擬電子技術和數(shù)字電子技術課程中的知識，而這些知識點本身也有一定的難度，所以造成了這門課在高校教學中普遍反映是“教師難教，學生難學”的尷尬局面[4-7]．此外，該課程不同于那些上手相對容易、結果直觀的軟件程序設計類課程或應用技術類課程，理論較抽象，邏輯性強，必須深入理解每一個相關的概念和理論實現(xiàn)過程，才能很好地掌握計算機各個部件的工作原理[8]．例如：控制器的工作原理，存儲器的讀寫時序，總線的定時及數(shù)據(jù)傳送模式等內容，這些內容既抽象，邏輯性又強，而且不太容易動手實踐，看不到直觀的結果，隨著教學進程的進行，學生會感到課程枯燥并難以理解，產生厭倦心理，學習興趣將會不斷下降[9]．

1.2 實踐教學環(huán)節(jié)薄弱

通過實踐教學可以幫助學生理解和掌握計算機組成原理課程所涉及的理論知識，加深對知識點的理解，因此實踐教學環(huán)節(jié)非常重要．然而當前多數(shù)高校計算機組成原理的實踐教學主要是通過實驗箱來實現(xiàn)，實踐過程主要是按照實驗指導書的步驟和教師的講解進行連線以及通過信號燈或LCD觀察結果，并且多數(shù)是驗證性實驗，綜合性和設計性的實驗較少[10]．即使是可以通過實驗箱自行設計的實踐內容，由于受到實驗箱本身設計的局限，復雜一點的設計內容也難以實現(xiàn)．

1.3 教學內容陳舊、教學方法靈活性差

隨著電子技術的發(fā)展，新材料、新技術、新產品不斷出現(xiàn)，但是教材的內容普遍滯后，如今計算機系統(tǒng)已經是64位，教材中介紹的機型仍然主要是X86的16位的機型，很難激發(fā)學生的積極性．另外，現(xiàn)在計算機組成原理課程主要采取“灌輸式的教”和“被動式的學”的教學模式，問題驅動式、啟發(fā)式、課堂討論式等教學方法很少采用，無法調動學生的主觀能動性和體現(xiàn)學生的主體地位．

2 PBL教學法在計算機組成原理課程教學中的實施過程

PBL教學法在計算機組成原理課程教學中的實施過程分為問題提出、查閱資料、解決問題、交流討論、評價總結5個階段，并在教學過程中實行激勵評價機制，來充分調動學生學習的主動性和積極性，具體的教學過程設計思路見圖1．

2.1 問題的設置與自主學習階段

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[11]．這要求教師要有豐富的教學經驗，要充分了解學生的認知能力、學習能力和理論水平等．所以PBL教學模式對教師的學科能力和指導能力的要求更高，是對教師綜合水平的挑戰(zhàn)．將計算機組成原理課程梳理出28個核心問題，其中包括20個模塊性問題和8個綜合性設計問題，具體見表1~2[12]．在教學過程中，根據(jù)學生的實際學習情況，還可以設定一些更加開放的、具有挑戰(zhàn)性的題目，以此來激發(fā)學生的探索熱情．為了便于PBL教學的實施，需要開始上課一周前就把問題發(fā)給學生，學生拿到問題后，首先進行分組，為了提高學習效果，不能隨機分組，每組應由不同特點的4~6名學生組成；然后通過圖書館、網絡、教科書等渠道查閱相關資料，進行自主學習；最后小組成員之間相互溝通，找到解決問題的思路和方法，完成預定的目標．

表1 模塊性問題

2.2 課堂指導與交流討論階段

課堂教學不再只是教師進行知識的講授，而是學生在課堂上以組為單位進行問題講解（簡單的模塊性問題）或成果匯報（復雜的模塊性問題或綜合性問題），教師和其他組成員進行提問和評審．學生通過與教師、與其他學生的討論交流過程中學到了知識并解決了問題．在課堂交流指導的過程中，教師要引導學生善于發(fā)現(xiàn)問題、提出疑問，對問題進行擴展并提出新的問題，同時設定新的目標．這樣會使學生的思路更加開闊，對問題理解得更加透徹，豐富學生解決問題的經驗，提高他們的分析問題和解決問題的能力．同時，教師要幫助學生對知識點進行歸納和總結，回歸到書本上與問題相關的重要概念、理論和方法的學習，使知識體系更加完整．

表2 綜合性設計問題

2.3 考核評價階段

傳統(tǒng)的考核評價方法主要采用單一的標準化考試的形式，衡量學生成績好壞的標準完全由卷面成績決定，這種評價方式有它的合理性，但有時過于片面，為了能綜合反映學生的真實表現(xiàn)情況，對學生的考核評價方法采用期末考試和PBL教學模式考核評價相結合的方式，比例各占總評成績的50%．

其中PBL教學模式考核評價包括3部分，（1）組內自評．就是小組內成員的自我評價，主要從自主學習的主動性、查閱資料的積極性、解決問題的效率、遇到困難時的表現(xiàn)和態(tài)度、團隊協(xié)作能力等方面進行評價．（2）組間互評．主要體現(xiàn)在表達能力、考慮問題的全面性及對問題的實際解決情況等方面進行評價．（3）教師評價．通過和各個小組的交流互動，了解他們分析和解決實際問題的能力、應用能力和創(chuàng)新能力等方面進行評價．為了保證評價的公平，所有評價都要給出詳細、客觀的說明．最后通過大家的整體表現(xiàn)，給出PBL教學模式評價的總評成績，各部分比例（按百分制計算）按照20%的組內自評、40%的組間互評、40%的教師評價進行綜合計算得到．同時，評價出優(yōu)秀團隊和優(yōu)秀個人，對于每次表現(xiàn)好的團隊和個人除了給予成績方面的肯定外，還邀請他們做簡短的獲獎感言和學習經驗分享等，以此來激勵其他學生．

3 教學評價與問題反思

3.1 教學評價

為檢驗教學效果，通過任課的2個教學班（常規(guī)班和教改班）進行實踐，其中常規(guī)班采用正常的課堂講授教學法進行授課，教改班采用PBL教學法進行授課．在課程結束后，以無記名問卷調查的方式了解學生對２種教學方法滿意度的反饋．問卷調查內容及調查結果見表3．調查結果顯示，PBL教學法教學滿意度較好，教學效果有較好改善，很好地說明了PBL教學法的有效性．

表3 教學滿意度反饋

3.2 問題反思

PBL教學法在教學實施過程中出現(xiàn)的一些問題需要注意，主要包括：（1）由于課堂上需要充足的交流討論時間，那么完全按照PBL教學模式在有限的時間內完成所有教學內容有一定的難度．另外，并不是所有的教學內容都適合采用PBL教學方法，因此也不能完全忽略傳統(tǒng)的教學方法．要結合具體的教學實際情況靈活運用，將傳統(tǒng)教學和PBL教學模式有機結合，才能達到更加理想的教學效果．（2）PBL教學法多是以小組為單位進行，對于一些自制能力差或是懶惰的學生，可能會有依賴感或濫竽充數(shù)的現(xiàn)象．為了避免這種情況發(fā)生，解決的方法是在進行匯報或答辯時，采用全體組員共同協(xié)作完成，不會只選擇組中的一個學生或組長進行講解，還要安排本組中的其他學生對講解的內容進行解讀或細化，其他組的學生可以進行提問或質疑等．（3）如果是大班教學，組數(shù)會比較多，為保證授課內容順利完成，每次課可以選擇幾組進行交流討論或匯報，不同組之間輪流進行．（4）PBL教學法需要學生積極配合，效果才更理想，為了讓學生主動參與進來，激勵手段一定要豐富多樣．

綜上所述，計算機組成原理作為計算機專業(yè)及相關專業(yè)的核心課程，課程學習難度大，將PBL教學模式用于計算機組成原理課程的教學中，使枯燥沉悶的課堂教學充滿了活力，激發(fā)了學生的學習興趣，學習的主動性有了明顯提高，該教學方法獲得了學生的認可和好評，教學效果得到了較好改善．

[1] 孟銳．獨立學院“計算機組成原理”課程教學改革的研究[J]．計算機時代，2019（10）：78-79，82

[2] 紀辛然．基于PBL教學法的物聯(lián)網專業(yè)實驗課程改革研究[J]．現(xiàn)代計算機，2019（28）：57-59

[3] 李淑敬，李林國．基于PBL的翻轉課堂教學模式在計算機實踐類課程中的應用研究[J]．2019，36（5）：177-180

[4] 蘭勇，張朝陽，王偉，等．計算機組成原理教學改革探索與實踐[J]．計算機教育，2019（1）：13-15，20

[5] 邵雄凱，葉志偉，歐陽勇，等．基于系統(tǒng)能力培養(yǎng)的計算機組成原理課程教學探討[J]．計算機教育，2018（11）：140-144

[6] 周駿．計算機組成原理課程教學改革思考[J]．西南師范大學學報：自然科學版，2014，39（6）：161-165

[7] 何苑，張劍妹．基于CDIO模式的計算機組成原理教學改革研究和實踐[J]．忻州師范學院學報，2015，31（5）：25-28

[8] 高揚，宮兵，呂成國．面向人才培養(yǎng)目標的《計算機組成原理》課程建設研究與實踐[J]．黑龍江教育：理論與實踐，2017（6）：42-43

[9] 付振勇．《計算機組成原理》課程教學改革建議[J]．現(xiàn)代計算機，2016（6）：56-59

[10] 高曉清，曾西洋．計算機組成原理實踐教學改革路徑探究[J]．黑龍江教育：高教研究與評估，2016（1）：44-46

[11] 楊成群，高海波，熊芳．PBL方法問題設計的三個關鍵[J]．計算機教育，2016（11）：79-82

[12] 白中英 ，戴志濤．計算機組成原理[M]．北京：科學出版社，2013

Application of PBL teaching method in the teaching of computer composition principle

LIU Xiangju，CHEN Hui，REN Ping

（School of Computer Science and Engineering，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China）

Analyzing the current existing problems in the teaching of computer composition principle curriculum，and combining with the teaching experience of the author，the implementation process of PBL teaching method in the teaching of computer composition principle curriculum is elaborated from the aspects of teaching design，problem setting，classroom guidance，teaching evaluation，etc. At the same time，the problems are pointed out that need attention in the process of teaching，and the corresponding solutions are proposed. The practice shows that by the PBL teaching method students′ enthusiasm and initiative in learning have been stimulated，students′ ability to analyze and solve problems has been improved，and students′ master and understanding of knowledge have been strengthened.

computer composition principle；PBL teaching method；teaching reform

TP301∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.04.019

1007-9831（2020）04-0086-04

2019-10-04

安徽省高校省級質量工程重點教研項目（2017jyxm0185）；安徽省特色（品牌）專業(yè)項目（2016tszy029）；安徽理工大學教學研究項目

劉向舉（1978-），男，黑龍江雙城人，副教授，碩士，從事物聯(lián)網及智能控制技術研究．E-mail：xjliu@aust.edu.cn