基于PBL的“計算機系統(tǒng)基礎”課程教學改革策略

王雪

摘要：“計算機系統(tǒng)基礎”是計算機專業(yè)的基礎類課程，專門培養(yǎng)我國計算機專業(yè)系統(tǒng)能力的人才。問題式教學法（PBL，Problem-based learning）是一種新興教學模式，按照目前高?！坝嬎銠C系統(tǒng)基礎”課程的教學現(xiàn)狀，對課程教學中暴露出的學生積極性較低與知識點分散等問題進行分析，探索以PBL為基礎的“計算機系統(tǒng)基礎”課程教學改革策略，希望激發(fā)學生的學習興趣，提高學生的系統(tǒng)思維能力。

關鍵詞：改革策略；PBL教學模式；課程改革；計算機系統(tǒng)基礎

一、前言

“計算機系統(tǒng)基礎”不僅是計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)的重要課程，還是計算機專業(yè)學生必修課程。但是計算機內部系統(tǒng)工作原理的非直觀性給該課程帶來了許多困難，如過度依賴程序設計語言、難學難教等。以往的理論課程多采用講授式教學模式，忽視了學生主觀能動性的發(fā)揮。而PBL教學模式以問題為驅動，結合案例的實踐性與可操作性，把實踐和理論有機結合起來，實現(xiàn)了由抽象知識向形象、生動實踐應用的轉化目標。

二、基于PBL的“計算機系統(tǒng)基礎”課程

（一）“計算機系統(tǒng)基礎”課程

“計算機系統(tǒng)基礎”課程包含有數據的表示與運算、程序的鏈接、程序轉換、虛擬存儲器、程序的運行、I/O操作的實現(xiàn)、存儲器層次結構等內容。該課程的主要目標是為了培養(yǎng)學生具備系統(tǒng)思維能力，形成扎實的計算機系統(tǒng)概念與基礎，同時可以從系統(tǒng)方面對程序移植、程序調試與性能提高等方面來分析問題。

（二）PBL教學模式

PBL教學模式以問題為導向，突出學生的主體地位，著重培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性。其基本應用過程為：1.先分析具體場景，建立實際的項目任務，而后以小組為單位對學生進行分組，讓他們收集資料，找出解決問題的方法和途徑，編寫針對性的計劃。2.不同小組以自己編寫的計劃為根本，深入探討項目內容[1]。3.不同小組進行思想交流，分享自己的想法與實現(xiàn)途徑，同時根據需要解決的問題，做好反饋評估，這樣能夠幫助不同小組快速完成任務，更好地在實踐中成長、發(fā)展。PBL教學模式是以問題或者項目引導學生有計劃地分析與求解謎底，其系統(tǒng)性較強。所以，倘若將PBL教學模式融入“計算機系統(tǒng)基礎”課程教學中，通過單獨具體的問題分析把計算機系統(tǒng)每個部分的知識內容連接起來，能夠有效促進學生系統(tǒng)思維能力的提高。

三、在“計算機系統(tǒng)基礎”課程中融入PBL教學模式的優(yōu)勢

（一）優(yōu)化知識結構

在以往授課教學模式下，每個知識點都是單個存在的，與其他課程中的相關知識點聯(lián)系并不大，給學生總體的系統(tǒng)認知增加了很大的難度。PBL教學模式可以幫助培養(yǎng)學生的系統(tǒng)思維能力。優(yōu)質的教學項目或教學問題能將知識的完整結構體現(xiàn)出來，有目的地建立系統(tǒng)化的教學項目，開發(fā)知識背后的內容，利用具體的教學項目幫助學生梳理和理解不同知識點的關系，從而不斷提升學生計算機系統(tǒng)技能。

（二）實現(xiàn)抽象到具象的轉變

“計算機系統(tǒng)基礎”課程教學涉及全面的計算機系統(tǒng)基本原理，比如，程序鏈接、存儲架構與處理器架構等。在以往教學方式下，“計算機系統(tǒng)基礎”理論知識的教學通常比較單一，學生很難理解其中知識。而且該課程還涉及計算機原理芯片部分，包括指令執(zhí)行等，這種知識內容晦澀難懂且抽象。如果教師在教學中運用了PBL教學模式，再結合多媒體教學手段，學生就能直觀地了解所學知識的實際應用過程[2]。那些具備較強可操作性的教學項目實現(xiàn)了抽象知識向具象知識的轉變，讓課堂教學變得生動、形象，有利于調動學生的學習積極性。

四、“計算機系統(tǒng)基礎”課程教學存在的問題

第一，此課程需要從程序員的角度來規(guī)劃教學內容，很多高校以C語言為切入點，所以學生對該程序語言的理解對課程的學習效果造成了直接的影響。大部分學生在上大學前從來沒有接觸相關的程序設計，在學習C語言時僅僅是初步認知，課后訓練也不多。倘若教師直接向學生講C語言程序設計或者通過C語言程序設計的問題導入相關知識內容，學生不一定能夠充分吸收。第二，很多教師在規(guī)劃和安排這門課程的過程中，不但初步闡述了第一章的整個計算機系統(tǒng)，還單獨講解了后續(xù)程序轉換和數據表示等知識內容，無法有效銜接各知識點。比如，部分教師先講程序優(yōu)化，再講存儲系統(tǒng)，致使學生在學習系統(tǒng)優(yōu)化期間不明白和存儲有關的優(yōu)化知識，以存儲系統(tǒng)為基礎的優(yōu)化又是程序優(yōu)化的重要部分[3]。第三，項目案例不完整。因“計算機系統(tǒng)基礎”課程內容較為基礎，主要為本科低年級學生設立，所以要想激發(fā)學生的學習熱情，大多數教師將PBL教學模式應用在了授課過程中。然而此類項目案例一般是圍繞單獨知識點加以設計，整體的案例問題缺少連貫性。比如，教師在講解程序轉換時，習慣沿用X86的系統(tǒng)架構案例，而在講解指令流水線的過程中，采用ARM架構指令集的案例內容，極易讓學生單純地看待某個知識點，而忘記了從整體上把握計算機系統(tǒng)，無法獲取理想的學生系統(tǒng)思維培養(yǎng)效果。

五、“計算機系統(tǒng)基礎”課程改革要求

與傳統(tǒng)的工科人才相比，未來產業(yè)的轉型與升級離不開技術高端、實踐能力強、創(chuàng)新能力強的技術型人才?；赑BL的“計算機系統(tǒng)基礎”課程教學改革有利于提高人才培養(yǎng)質量與建設質量。首先，在該課程開課之前，教師必須深入了解學生的計算機水平與學習特點，分離基礎較好的學生和基礎薄弱的學生，分別為甲班與乙班，甲班學生在學習基本教學任務的同時可增加技能提升的任務，比如增加算法與程序設計模塊的內容，或者基于軟硬件部分增加桌面系統(tǒng)的安裝及磁盤恢復，也可以在辦公軟件部分增添表格的函數計算等內容。針對各層次的學生設計不同側重點的任務；其次，教師要不斷探索多元化的教學模式，依靠智慧學習平臺，給學生提供視頻、練習題及課件等資源，引導學生自主學習，再在線下進行系統(tǒng)性講解，重構課程知識體系，重點攻克疑難知識點。同時，利用討論式、情境式等教學模式實施改革策略，在一定程度上融入德育理念，以增強學生的動手操作能力，給未來的學習與發(fā)展奠定基礎；再次，在“計算機系統(tǒng)基礎”課程中插入部分講授與訓練板塊，適當地增加實踐課時，從而夯實技能關鍵點；最后，教師還應立足于PBL新教學模式培養(yǎng)計算機專業(yè)人才，體現(xiàn)出因材施教、因時制宜的特征?；诮y(tǒng)籌規(guī)劃計算機程序設計教學，將各種計算機相關的課程在全校展開，從而滿足各層次與各專業(yè)學生的需求，拓展學生選修計算機課程的空間和廣度。

六、基于PBL的“計算機系統(tǒng)基礎”課程教學改革策略

（一）教學案例設計

按照“計算機系統(tǒng)基礎”課程的教學大綱及教學目標，設計并歸納出該課程的知識重、難點。良好案例的設計需要教師整體把握課程內容和課外項目案例間的關聯(lián)性以及是否可以和其他相關理論知識相融合。同時，優(yōu)秀的案例設計還應當注重案例的形象性與可行性，以減少學生學習課程的困難。在設置相應的問題時，要求簡單、便于學生理解，盡可能地避免計算機方面的專業(yè)問題。對于問題的求解，必須涵蓋計算機系統(tǒng)的核心知識點。打破計算機固有的概念與定義，結合問題與已知條件，給學生分組，引導其討論、探究，逐步解析問題思路，編寫針對性的解決方案。然后，按照所編寫的解決方案，提取必需的技術要點，為后期和計算機系統(tǒng)知識點的融合提供可靠依據；此外，按照探究的初步解決方案，教師引導學生把它反映至課程相關的組成部分，使學生潛移默化地接受課程知識點，建構成一套自己的思維框架；最后，利用新增條件深入探究初步解決方案，尋找完善途徑，進一步引進計算機網絡與程序優(yōu)化等深層次的知識點，不斷夯實學生的計算機系統(tǒng)基礎[4]。

（二）教學實踐

對于各知識點難度不一，以抽象內容“數據的大小端存儲方式”為例，并通過以往的知識積累對結果進行分析。此案例將高級語言編程和硬件基礎理論加以融合，滿足理論聯(lián)系實踐的要求，體現(xiàn)出計算機系統(tǒng)的完整性。針對和其他課程關聯(lián)性強的知識點“算術邏輯單元的構成”，如圖1所示，要想確保學生更好地理解算術邏輯單元的內部構成，通過把復雜知識拆解成各個小任務，如可控加減法器的建立、一位加法器的建立及四位串行加法器的建立等。按照這些算術邏輯單元的自然發(fā)展順序，循序漸進逐層分解，幫助學生掌握算術邏輯單元的發(fā)展過程，防止缺失必要的系統(tǒng)知識。

1.方法應用

例如，在講解一個基礎的計算問題時，教師要闡明怎樣采用PBL教學法貫穿計算機系統(tǒng)各部分的知識，幫助學生建立計算機系統(tǒng)思維。如設置“13×8233+130.56÷28”這一問題，引導學生仔細思考計算思路。對于此問題，分步驟進行計算比較直觀，第一步對12×8233進行計算，第二步對130.56÷28進行計算，第三步把第一步和第二步的結果加起來即可。結合步驟引導學生提取其中的基礎技術要點。比如，將全部數據結果寫在紙上，其中“紙”用以存儲數據，“筆”則是計算機系統(tǒng)中的輸入部分，由此引入計算機系統(tǒng)中的數據輸入與存儲知識。在解決方案中，數據的計算利用阿拉伯數字帶上小數點的形式，因此引入數據表達的知識點。計算中運用的加減乘除等運算符號應按照實際的運算規(guī)則加以確定，所以可以引入計算機運算原理及過程的知識點?？紤]到上述步驟有順序關聯(lián)，即第一步必須在第二步之前、前兩步必須在第三步之前開展，由此引入計算順序如何組織的知識點；最后必然要獲取數據結果，由此教師可引入數據輸出知識點。

2.情境創(chuàng)設

在教學中合理創(chuàng)設教學情境，能夠成功吸引學生的注意力，激發(fā)其學習興趣。教師要在課堂教學中把理論和案例完美融合，靈活而巧妙地引入教學案例，從而調動學生的學習積極主動性。教學情境的創(chuàng)設類型多樣，教師可借助實物演示與多媒體工具等，將具體案例呈現(xiàn)在學生的面前。例如，在教學“馮諾依曼結構”過程中，教師可利用小故事導入馮諾依曼結構的來歷與構成。再比如，在講解“數據大小端存儲方式”時，如圖2所示，教師要注意為學生呈現(xiàn)同一C程序在各種存儲方式設備上的運行結果差異，根據這一問題導向，結合多媒體演示，利用圖片、動畫等形式，激發(fā)學生的探索欲望，從而更好地理解理論知識。

3.系統(tǒng)映射

按照所提取的技術要點，教師需拓展相應的計算機系統(tǒng)知識內容，從而聯(lián)系實際案例對相關知識點進行分析。在面對“13×8233+130.56÷28”這一問題時，需要用“紙”實現(xiàn)對信息的存儲，教師可采用類比方法，借助“紙”具有記錄內容的作用，給學生講解計算機系統(tǒng)的多層存儲系統(tǒng)設計知識。針對“筆”的使用，教師也可用同樣的方法，將“筆”作為計算機的輸入設備，講解輸入設備的硬件性能、工作原理、基本構成等。對于小數點、整數及運算符號，教師要告知學生這些是非數值數據，在計算機當中需要這些數據表達提供相應的支持，如各種編碼，包括硬件識別號、Mac地址、IP地址、服務器地址、節(jié)點、端點數據等[5]。針對計算步驟的順序設置，能夠映射至程序設計順序，教師要為學生講解編程方式是怎樣從二進制轉變?yōu)閰R編程序的，然后再從匯編程序轉變成高級編程語言，進一步延伸至匯編器、編譯器或解碼器等有關轉換工具的設計；最后按照結果輸出的標準，就能與計算機系統(tǒng)的輸出設備相互映射。通過對映射過程的分析，便可將馮諾依曼結構的計算機系統(tǒng)的重要部分有效地銜接起來，使學生搞清楚、弄明白計算機系統(tǒng)這樣設計的原理是什么，從整體上認識各部分的實現(xiàn)方式。

4.案例展示與改進

例如，在教學“數據大小端的存儲方式”過程中，教師要結合實際案例進行講解，在講解后期，教師先在教師機上展示所運行的案例代碼及其存儲方式，并將相同高級語言代碼在各種設備上運行的結果差異展示出來，以此拓展學生的思維空間與想象空間；而后，教師要求每組學生派一個代表到教師機上向大家模擬展示，既能提高學生的動手操作能力，又能深化學生的理解[6]。同時，教師還可以適當地加以改進，比如由于學生已初步具備了C語言基礎，教師要引導學生根據union單元型的大小端存儲方式特征，對C程序識別電腦端存儲方式的案例進行設計，不僅確保了該課程的系統(tǒng)性、完整性與連貫性，還實現(xiàn)了理論知識與應用實踐的轉化；再比如，在多位數計算的案例中增加一些限制條件，如增加人員數量，同時計算第一步與第二步，應考慮到兩步驟同步計算過程的協(xié)調性，聯(lián)想到倒錯系統(tǒng)同步性相關知識內容，考慮移位運算，優(yōu)化第一步的乘法，由此聯(lián)想到程序優(yōu)化的知識點。如果兩個同時計算的人不在一起，聯(lián)想到計算機遠程知識。圍繞這些問題進行解析，能夠聯(lián)想到計算機系統(tǒng)的有關內容，更好地融合教學目標與教學大綱。

七、結語

綜上所述，本文圍繞現(xiàn)階段高?！坝嬎銠C系統(tǒng)基礎”課程教學中存在的問題進行了研究與探討，提出了以PBL為基礎的問題式或項目案例的教學模式。首先，立足于學生容易理解的基礎問題，利用教學設計、方法應用、情境創(chuàng)設、系統(tǒng)映射等路徑，使學生自主鏈接已知知識和計算機系統(tǒng)的解決方案，逐步逐層探索計算機系統(tǒng)各部分的來歷、原因，調動其學習積極性；接著，采用案例展示與改進的方式，優(yōu)化了現(xiàn)代計算機系統(tǒng)知識，深入淺出，便于學生理解，提升學生對計算機系統(tǒng)的綜合應用能力。

參考文獻

[1]鹿玲.計算機系統(tǒng)基礎課程培養(yǎng)問題解決能力探討[J].大學教育，2022（07）：136-138+148.

[2]孫清，魏晉雁，李薇，等.財經類院校計算機系統(tǒng)基礎課程教學探索及實踐[J].軟件導刊，2020，19（12）：141-146.

[3]陳勇，徐超.基于PBL的“計算機系統(tǒng)基礎”課程教學改革探索[J].黑龍江教育（理論與實踐），2023（03）：90-92.

[4]黃嵐，段青玲，王耀君，等.農業(yè)院校新工科計算機系統(tǒng)能力教學改革與實踐[J].教育教學論壇，2022（27）：61-64.

[5]宋鑫，張瑜，伊開.計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)教學改革與實踐——“以賽促學”的模式[J].教育教學論壇，2021（19）：67-70.

[6]王燕鳳，陶凌梅.大學計算機基礎課程教學改革的探索與思考[J].湖北開放職業(yè)學院學報，2023，36（02）：151-153.