基于PBL 的計(jì)算機(jī)組成原理課外實(shí)驗(yàn)探索與實(shí)踐

操驚雷，秦磊華

(1.黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，湖北 黃州438002;2.華中科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，武漢 430074)

基于問題的學(xué)習(xí)(Problem Based Learning，簡(jiǎn)稱PBL)以學(xué)生為中心，把學(xué)習(xí)設(shè)置到復(fù)雜的，有意義的問題情境中，通過學(xué)習(xí)者的合作來解決真正的問題，從而學(xué)習(xí)隱含在問題背后的科學(xué)知識(shí)，形成解決問題的技能和自主學(xué)習(xí)的能力［1］。PBL 最早于上世紀(jì)50 年代末由美國(guó)的Barrows 和Tamblyn 提出，開始在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域教學(xué)中應(yīng)用并取得成功，現(xiàn)被廣泛應(yīng)用于教育學(xué)、工程學(xué)、建筑學(xué)、法學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、管理學(xué)、自然科學(xué)、農(nóng)學(xué)和社會(huì)學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域［2］。本文就PBL 教學(xué)模式引入到計(jì)算機(jī)組成原理課外實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的相關(guān)問題進(jìn)行探討，為深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系與教學(xué)模式的改革進(jìn)行一些有益的嘗試。

1 基于PBL 的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等學(xué)校課程教學(xué)的重要組成部分，實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的高低將直接影響到人才培養(yǎng)的質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的指導(dǎo)思想，將影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)的培養(yǎng)目標(biāo)、培養(yǎng)模式、教學(xué)方法、教學(xué)質(zhì)量甚至整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。教學(xué)理念隨著學(xué)科發(fā)展、社會(huì)需要和認(rèn)識(shí)的提高而不斷變化。我國(guó)高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念于上世紀(jì)60 代提出，最初只注重對(duì)學(xué)生三基能力的培養(yǎng)(掌握基礎(chǔ)知識(shí)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(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力以及培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)品質(zhì)等要求［3－4］。

上述實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念在當(dāng)時(shí)條件下還是具有相當(dāng)先進(jìn)性的，但隨著時(shí)代的發(fā)展和社會(huì)對(duì)人才創(chuàng)新能力要求的提高，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念的局限性也就隨之表現(xiàn)出來:

(1)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基本固定，同一門課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多年基本都不改變;

(2)在教學(xué)方法上，以老師為主，學(xué)生只能被動(dòng)接受;

(3)沒有考慮學(xué)生的個(gè)性、特長(zhǎng)、興趣與愛好;

(4)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不能反映學(xué)科發(fā)展的前沿，不能反映社會(huì)實(shí)際和生產(chǎn)、科研實(shí)際，不能激發(fā)學(xué)生興趣。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念重在基本技能，忽視了創(chuàng)新力的培養(yǎng)。實(shí)踐證明，創(chuàng)新是社會(huì)發(fā)展的源動(dòng)力，為適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要，必須更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念。在國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010 －2020年)中明確指出培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要性和緊迫性，并從多個(gè)不同的角度提出了明確的目標(biāo):

(1)在戰(zhàn)略主題部分，明確指出要著力培養(yǎng)勇于探索的創(chuàng)新精神和善于解決問題的實(shí)踐能力;著力提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

(2)在發(fā)展任務(wù)部分，明確指出高等教育應(yīng)該推動(dòng)高校創(chuàng)新組織模式，促進(jìn)科研與教學(xué)互動(dòng)、與創(chuàng)新人才培養(yǎng)相結(jié)合。

(3)在體制改革部分，提出了探索創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的目標(biāo)，倡導(dǎo)啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式教學(xué);激發(fā)學(xué)生的好奇心，培養(yǎng)學(xué)生的興趣愛好，營(yíng)造獨(dú)立思考，自由探究、勇于創(chuàng)新的良好環(huán)境。

國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要為實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念的更新指明了方向，即實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)貫徹以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)，堅(jiān)持知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)、素質(zhì)教育全面協(xié)調(diào)發(fā)展的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念。這一新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念強(qiáng)調(diào)學(xué)生是實(shí)驗(yàn)的主體，倡導(dǎo)根據(jù)學(xué)生個(gè)性、特長(zhǎng)組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)，充分激發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新能力，這一理念的內(nèi)涵正好與PBL 教學(xué)的本質(zhì)相同，因此，將PBL應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)符合國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革與發(fā)展規(guī)劃綱要的要求，具有鮮明的時(shí)代特征［5］。

本文將以“問題”為導(dǎo)向、以學(xué)生為主體、以能力培養(yǎng)尤其是創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)理念稱為基于PBL 的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念。

2 組成原理課程中實(shí)驗(yàn)中引入PBL 教學(xué)法的必要性

《計(jì)算機(jī)組成原理》是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科教學(xué)中的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，課程的目標(biāo)是使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)硬件各子系統(tǒng)的組成原理及實(shí)現(xiàn)技術(shù)，建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體概念，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)、開發(fā)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的能力。計(jì)算機(jī)組成原理在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)知識(shí)體系和課程體系中具有承上啟下的作用，詳細(xì)情況分別如圖1 和圖2 所示。

圖1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次化結(jié)構(gòu)

圖2 計(jì)算機(jī)組成原理的前導(dǎo)與后續(xù)課

在圖1 所示的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次化結(jié)構(gòu)圖中，陰影部分所指的內(nèi)容就是計(jì)算機(jī)組成原理課程所包含的教學(xué)內(nèi)容，即包括CPU、主存、輸入/輸出接口及指令集體系結(jié)構(gòu)(ISA)等內(nèi)容。其中，ISA 是硬件和軟件的接口;CPU、MM、I/O 等是構(gòu)成計(jì)算機(jī)的主要硬件功能部件，它們通過數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。從圖2 所示的計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程體系可看出，計(jì)算機(jī)組成原理在計(jì)算機(jī)硬件系列課程中的地位和作用。同時(shí)，從計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)看，計(jì)算機(jī)組成原理對(duì)操作系統(tǒng)原理和編譯原理等系統(tǒng)軟件課程的學(xué)習(xí)也有很重要的支撐作用。

實(shí)踐教學(xué)能幫助學(xué)生深入理解學(xué)理論知識(shí)，同時(shí)對(duì)提高學(xué)生的綜合素質(zhì)、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力具有不可替代的作用。計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)及其相關(guān)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課，一方面，其涉及內(nèi)容廣且抽象，另一方面，該課程的內(nèi)容還與計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展緊密關(guān)聯(lián)，具有較強(qiáng)的時(shí)代特征。鑒于計(jì)算機(jī)組成原理課程的重要地位及其特點(diǎn)，有必要在計(jì)算機(jī)組成原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中引入PBL 教學(xué)法，以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性，更好地培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)、調(diào)試和開發(fā)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的能力以及培養(yǎng)分析和解決問題能力［6］。

3 基于PBL 的組成原理課外實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

由于計(jì)算機(jī)組成原理課程的內(nèi)容廣泛且具有較強(qiáng)的時(shí)代特征，僅僅依靠課內(nèi)實(shí)驗(yàn)(一般16 學(xué)時(shí)左右)很難達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，設(shè)置基于問題的課外實(shí)驗(yàn)勢(shì)在必行。

3.1 基于PBL 的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

問題是PBL 的基礎(chǔ)、出發(fā)點(diǎn)以及引發(fā)學(xué)習(xí)活動(dòng)的主線，問題設(shè)計(jì)的適當(dāng)與否是PBI 學(xué)習(xí)成功的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)問題時(shí)應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)［7］。

1)問題設(shè)計(jì)要緊密聯(lián)系學(xué)生實(shí)際，注重理論和實(shí)踐的結(jié)合，體現(xiàn)以學(xué)生為中心、教師為主導(dǎo)的教學(xué)策略;

2)設(shè)計(jì)的問題要有明確的目標(biāo)，以引導(dǎo)學(xué)生從不同角度來分析和解決問題，激發(fā)學(xué)生積極參與、主動(dòng)實(shí)踐的熱情;

3)設(shè)計(jì)的問題并不要求有確定的答案或解決方法，給學(xué)生留出更多的體驗(yàn)和想象空間，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力;

根據(jù)上述基本原則，結(jié)合計(jì)算機(jī)組成原理的教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，我們?cè)诮M成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中設(shè)計(jì)了16 個(gè)基于PBL 的課外實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)情況如表1 所示。

表1 基于PBL 的組成原理課外實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

3.2 實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程

基于PBL 的課外實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程大體上按照PBL 教學(xué)法的實(shí)施過程進(jìn)行，即按照教師提出問題→組建學(xué)習(xí)小組→學(xué)生自主收集資料，討論、探索并解決問題→教師引導(dǎo)→提交報(bào)告并組織大范圍的討論和答辯等環(huán)節(jié)進(jìn)行。

根據(jù)組成原理實(shí)驗(yàn)的特殊性，在具體實(shí)施PBL 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，我們采取了下列措施:

1)進(jìn)行課外實(shí)驗(yàn)和組織討論與答辯需要大量的時(shí)間，因此，合理安排時(shí)間是成功實(shí)施PBL 課外實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。其中，學(xué)生收集資料、小組討論和解決問題的時(shí)間利用課外時(shí)間自行安排;而大范圍的討論和答辯則以課堂教學(xué)時(shí)間為主，利用每章教學(xué)內(nèi)容完成后的總結(jié)時(shí)間，隨即抽取部分小組就他們的問題進(jìn)行報(bào)告，并回答其它小組學(xué)生提出的問題。在必要的情況下，也可以少量安排課外時(shí)間組織討論與答辯。一般在給出一個(gè)問題后，學(xué)生在2 周內(nèi)提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師在3 周內(nèi)安排時(shí)間組織討論和答辯。

2)不同于理論教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要必備的實(shí)驗(yàn)條件，因此，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)問題時(shí)要充分考慮課外實(shí)驗(yàn)條件這個(gè)因素。表1 所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都不依賴某一固定的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，只需要一臺(tái)計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的軟件即可完成，這些條件一般的學(xué)生都具備;

3)實(shí)驗(yàn)問題的設(shè)計(jì)要考慮學(xué)生的實(shí)際情況，并給學(xué)生一定的選擇空間。表1 所示的課外實(shí)驗(yàn)共有16 個(gè)，在具體的實(shí)施過程中，可根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況，規(guī)定部分章節(jié)的必做實(shí)驗(yàn)，同時(shí)允許學(xué)生選擇自己感興趣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目;

4)注重對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的監(jiān)控和引導(dǎo)。為確保PBL 實(shí)驗(yàn)教學(xué)能有效進(jìn)行，教師要全程跟蹤監(jiān)控，指導(dǎo)學(xué)生對(duì)問題解決活動(dòng)的進(jìn)行，及時(shí)把握學(xué)生問題解決的動(dòng)向，保證問題解決的方向性;鼓勵(lì)學(xué)生從多角度分析問題等。答辯時(shí)對(duì)學(xué)生正確的理解和分析給予肯定，對(duì)學(xué)生片面的觀點(diǎn)給予指出;并給每一組打出評(píng)分。還要把解決問題牽涉的知識(shí)點(diǎn)作一個(gè)提綱契領(lǐng)的回顧，總結(jié)重點(diǎn)和難點(diǎn)，回應(yīng)學(xué)生討論時(shí)提出的較為普遍的問題，啟發(fā)學(xué)生作更進(jìn)一步深入的分析，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到學(xué)習(xí)是一個(gè)無止境的過程，永遠(yuǎn)會(huì)有需要研究的問題，并能感受到自己是“學(xué)習(xí)”的主人，從而體會(huì)到“學(xué)習(xí)”是一種樂趣。

3.3 課外實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

建立合理的評(píng)價(jià)體系是PBL 教學(xué)法的主要環(huán)節(jié)。由于PBL 教學(xué)更重視教學(xué)過程中學(xué)生的表現(xiàn)而不僅僅是教學(xué)結(jié)果，因此，基于PBL 的課外實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)的內(nèi)容與方式也相應(yīng)發(fā)生變化。PBL 教學(xué)評(píng)價(jià)的目的是激發(fā)學(xué)生探索知識(shí)，而探索知識(shí)的過程是復(fù)雜的，因此，PBL 教學(xué)評(píng)價(jià)具有多元化、多樣化的特點(diǎn)。一般來說，PBL 常用的評(píng)價(jià)方式包括:形成性評(píng)價(jià)與終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合、學(xué)生自我評(píng)價(jià)與相互評(píng)價(jià)相結(jié)合、教師與學(xué)生相互評(píng)價(jià)相結(jié)合、書面評(píng)價(jià)與口頭評(píng)價(jià)相結(jié)合等形式。在實(shí)施的過程中可根據(jù)實(shí)際情況靈活選擇［8］。

除對(duì)單個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)外，筆者認(rèn)為還應(yīng)該將實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)納入到課程終結(jié)性評(píng)價(jià)體系中，且加大PBL實(shí)驗(yàn)在課程終結(jié)性體系中的比重，具體情況視完成的PBL 實(shí)驗(yàn)個(gè)數(shù)而定，建議比重在在30% ～50%之間，這樣既能調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)探索的積極性，又能提高課程終結(jié)性評(píng)價(jià)的科學(xué)性、合理性。

研究型教學(xué)是國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃中明確指出的教育改革方向，也是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的必由之路。從傳統(tǒng)教學(xué)模式向研究型教學(xué)模式的轉(zhuǎn)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(xué)應(yīng)用于計(jì)算機(jī)組成原理課外實(shí)驗(yàn)的相關(guān)問題進(jìn)行了探索，通過近2 年的教學(xué)實(shí)踐效果看，學(xué)生對(duì)這一新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式表現(xiàn)出濃厚的興趣，學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析和解決問題的能力也得到了較大幅度的提升。當(dāng)然，我們所設(shè)計(jì)的PBL 組成原理課外實(shí)驗(yàn)還有待優(yōu)化與完善。

下一步，我們將站在課程體系的角度，研究實(shí)施基于PBL 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可行性，并設(shè)計(jì)基于PBL 和面向課程體系的課外實(shí)驗(yàn)方案。

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