基于PBL的“計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革探索

陳勇 徐超

摘 ? ?要：針對“計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)現(xiàn)狀，文章分析了目前課程教學(xué)中存在的知識點零散、過度依賴程序設(shè)計語言、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高等問題，提出基于PBL的“計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革，從問題選擇、方案制定、技術(shù)點凝練、系統(tǒng)映射、方案優(yōu)化5個方面闡述教學(xué)設(shè)計。同時，利用一個常規(guī)計算問題的求解，闡明該方法如何融入“計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程的各知識點，使學(xué)生在典型問題求解過程中逐步提升學(xué)習(xí)興趣，實現(xiàn)零基礎(chǔ)構(gòu)建計算機系統(tǒng)思維能力。

關(guān)鍵詞：計算機系統(tǒng)；PBL；系統(tǒng)思維

中圖分類號：G642 ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ?文章編號：1002-4107（2023）03-0090-03

為培養(yǎng)適應(yīng)現(xiàn)代社會信息化需求的計算機專業(yè)人才，提升計算機專業(yè)學(xué)生的系統(tǒng)思維能力，“計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程成為我國計算機專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的核心基礎(chǔ)課程[1]。該課程是由卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的R. E.布賴恩特（R. E. Bryant）等人首先提出的，主要包括數(shù)據(jù)表示、機器級程序、存儲系統(tǒng)、并行計算、網(wǎng)絡(luò)等計算機系統(tǒng)的主要知識點及其相互之間的聯(lián)系，以求從程序員的視角對計算機系統(tǒng)的整體架構(gòu)進行闡述，讓學(xué)生結(jié)合已有的編程語言知識構(gòu)建計算機系統(tǒng)的整體觀[2]。國內(nèi)高校引入該課程后，主要面向本科低年級的學(xué)生開設(shè)，并對內(nèi)容進行了本土化設(shè)計，在一定程度上提升了學(xué)生對計算機系統(tǒng)的整體認(rèn)識[3-5]。但在課程講授中，教師通常以單個知識點為重點，每個知識點采用獨立的案例進行講解，缺乏系統(tǒng)的整體性，對于計算機基礎(chǔ)較薄弱的低年級學(xué)生構(gòu)建完備的系統(tǒng)思維存在一定困難。

一、“計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程教學(xué)問題分析

“計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維能力，建立扎實的計算機系統(tǒng)概念，并能夠從系統(tǒng)層面分析程序調(diào)試、性能提升、程序移植和健壯性等方面的問題。然而，受課程內(nèi)容、課時及學(xué)生接受能力的影響，該課程在實際教學(xué)過程中遇到了不少挑戰(zhàn)。

首先，該課程是基于程序員視角組織教學(xué)內(nèi)容，大部分高校以C語言為導(dǎo)入點，因此，學(xué)生對C語言的掌握程度直接影響該課程的學(xué)習(xí)效果。不少學(xué)生在大學(xué)以前并沒有接觸過程序設(shè)計，在C語言的學(xué)習(xí)過程中只是初步掌握，且課后相關(guān)練習(xí)并不充分。如果教師直接通過C語言程序設(shè)計中可能出現(xiàn)的問題引入相關(guān)知識點，學(xué)生的接受效果不一定理想。其次，大部分授課教師在組織該課程內(nèi)容時，除第一章對整個計算機系統(tǒng)進行初步闡述外，后續(xù)內(nèi)容基本是以數(shù)據(jù)表示、程序轉(zhuǎn)換、存儲系統(tǒng)等具體知識點為教學(xué)內(nèi)容進行獨立講解，對于知識點之間的聯(lián)系缺乏合理的銜接。例如，存儲系統(tǒng)安排在程序優(yōu)化之后，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)優(yōu)化時，不能理解與存儲相關(guān)的優(yōu)化，而基于存儲系統(tǒng)的優(yōu)化是程序優(yōu)化的一個重要方面。最后，案例缺乏整體性。由于該課程涉及的內(nèi)容比較基礎(chǔ)，且面向本科低年級學(xué)生開設(shè)，因此為提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，不少教師在授課過程中采用了案例教學(xué)法。但這些案例通常是針對某個具體知識點進行單獨設(shè)計，案例整體上并不連貫。例如，在介紹程序轉(zhuǎn)換過程中，可能使用的是x86架構(gòu)指令集的案例，但在解釋指令流水線時，則使用MIPS或ARM架構(gòu)指令集的案例。這容易使學(xué)生陷入計算機系統(tǒng)的某個具體知識點中，難以從整體上把握整個計算機系統(tǒng)，不利于學(xué)生系統(tǒng)思維的培養(yǎng)。

二、PBL教學(xué)法

PBL教學(xué)法是一種以問題為導(dǎo)向，以學(xué)生為中心，重點培養(yǎng)學(xué)生自主性和創(chuàng)造性的教學(xué)方法[6]，已經(jīng)成功應(yīng)用于多學(xué)科的教學(xué)設(shè)計中[7-9]。它的基本過程如圖1所示。首先，通過對實際場景進行分析，構(gòu)建具體的項目或問題；然后，將學(xué)生分組，以小組為單位搜集資料，尋找解決問題的途徑，制定相應(yīng)的方案和計劃；接著，各小組圍繞制定的方案和計劃，進一步分析實現(xiàn)過程中存在的問題，并搜尋相應(yīng)的實踐途徑；最后，各小組進行思維碰撞，交流分享各自的方案及實踐途徑，并結(jié)合要解決的問題，進行反饋評價，有利于各小組之間優(yōu)劣互補，在實踐中成長。

PBL教學(xué)法圍繞一個項目或問題，讓學(xué)生有目的地逐步求解，其本身具有很強的系統(tǒng)性。因此，如果在“計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)中融入PBL教學(xué)法，利用單個實際問題的求解將計算機系統(tǒng)各部分的知識點串聯(lián)起來，對于學(xué)生系統(tǒng)思維能力的提升具有較好的促進作用。

三、基于PBL的“計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程教學(xué)設(shè)計

由于“計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程的授課對象并不一定具有扎實的計算機系統(tǒng)知識，因此，要讓學(xué)生在有限的課時內(nèi)構(gòu)建出完整的計算機系統(tǒng)解決方案并不現(xiàn)實。而且該課程的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生形成整體的計算機系統(tǒng)思維能力，具體的實踐細節(jié)并不是重點，因此，作者在應(yīng)用PBL教學(xué)法時，進行了一些改進（圖2）。其教學(xué)過程主要分為問題提出、方案制定、技術(shù)點凝練、系統(tǒng)映射、方案調(diào)優(yōu)5個部分。

（一）問題提出

PBL教學(xué)法是根據(jù)學(xué)生已有的知識結(jié)構(gòu)及課程目標(biāo)，選擇一個合適的問題供學(xué)生解決?！坝嬎銠C系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程的授課對象是計算機相關(guān)專業(yè)本科低年級學(xué)生，學(xué)生對計算機系統(tǒng)的理解并不深入，而教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生能夠?qū)τ嬎銠C系統(tǒng)有整體的認(rèn)知，并不是對某一方面有深入的理解。因此，教師在提出問題時，要遵循以下兩個原則。

1.問題應(yīng)足夠簡單，易于學(xué)生理解，盡量不要選擇計算機領(lǐng)域中的專業(yè)問題。

2.問題的求解過程應(yīng)能夠覆蓋計算機系統(tǒng)的主要知識點。

（二）方案制定

摒棄計算機概念，根據(jù)問題及限定條件，要求學(xué)生分組討論，對問題逐層分解，制定可行的解決方案。

（三）技術(shù)點凝練

根據(jù)所制定的解決方案，凝練出實施過程中需要的技術(shù)點，為后續(xù)與計算機系統(tǒng)相關(guān)知識點的融合做準(zhǔn)備。

（四）系統(tǒng)映射

根據(jù)討論的基礎(chǔ)解決方案，教師引導(dǎo)學(xué)生將其映射到計算機系統(tǒng)相應(yīng)的組成部分，讓學(xué)生自然地過渡到“計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)”的基本知識點。

（五）方案調(diào)優(yōu)

通過新增條件等方式，對基礎(chǔ)解決方案進行討論，找出可能的優(yōu)化措施，進而引入程序優(yōu)化、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)等更深層的計算機系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容，逐步加深學(xué)生對現(xiàn)代計算機系統(tǒng)整體架構(gòu)的理解。

四、方法實踐

文章以一個基礎(chǔ)的計算問題為例（圖3），闡述如何基于本方法逐步融入計算機系統(tǒng)各層面的知識，引導(dǎo)學(xué)生自然地構(gòu)建計算機系統(tǒng)思維。

1.問題提出：教師可以以一個較復(fù)雜的計算問題為出發(fā)點，如求解“12×8192+123.87/26”，讓學(xué)生思考如何完成計算過程。

2.方案制定：針對該問題，最直觀的解決方法可以分為3個步驟。

a.計算12×8192；

b.計算123.87/26；

c.將步驟a與步驟b的計算結(jié)果相加。

3.技術(shù)點凝練：根據(jù)具體步驟，凝練出基本的技術(shù)點。

（1）所有的數(shù)據(jù)和結(jié)果都通過筆記錄到紙上，這里的紙是用來存放數(shù)據(jù)的，筆是用來將數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)的，因此需要考慮數(shù)據(jù)的存儲和輸入。

（2）在解決方案中，要計算的數(shù)據(jù)是通過“12”“123.87”等阿拉伯?dāng)?shù)字加上小數(shù)點等相關(guān)符號給出的，所以要考慮數(shù)據(jù)的表達。

（3）使用的乘法、除法和加法等運算都需要根據(jù)具體的運算規(guī)則來確定，因此還需要考慮運算過程的實現(xiàn)。

（4）這里的3個步驟是有順序關(guān)系的，也就是步驟（1）和步驟（2）必須要在步驟（3）之前進行，因此還需要考慮如何組織計算的順序。

（5）最終的結(jié)果教師必須能夠獲得，因此還需要考慮數(shù)據(jù)的輸出問題。

4.系統(tǒng)映射：根據(jù)凝練的技術(shù)點，引申出對應(yīng)的計算機系統(tǒng)相關(guān)知識點，進而結(jié)合案例講解相關(guān)知識點。

（1）在技術(shù)點（1）中涉及利用紙來存儲信息。教師可以借助紙的類比，如紙有記錄內(nèi)容的作用，進而展開闡述計算機系統(tǒng)的多層存儲系統(tǒng)設(shè)計；對于使用的筆，教師將其類比為輸入設(shè)備，進而展開介紹計算機系統(tǒng)中輸入設(shè)備的相關(guān)內(nèi)容。

（2）在技術(shù)點（2）中涉及的數(shù)據(jù)不僅有整數(shù)（12）、小數(shù)（123.87），也有“+”“×”“/”等非數(shù)值數(shù)據(jù)，因此在計算機中，對于數(shù)據(jù)的表達也需要支持這些相關(guān)內(nèi)容，進而可以闡述在計算機中有關(guān)各類數(shù)據(jù)的表示及編碼等。

（3）在技術(shù)點（3）中，由加、乘、除等基本運算的運算規(guī)則，可以引出計算機內(nèi)部的運算器和控制器，進而講解運算器和控制器如何相互配合，完成對應(yīng)的運算。

（4）在技術(shù)點（4）中，由運算步驟的順序安排，可以映射到程序的設(shè)計，闡述編程方式如何由二進制程序到匯編程序，再到高級編程語言的轉(zhuǎn)變，進而擴展到編譯器、匯編器、鏈接器等相關(guān)轉(zhuǎn)換工具的設(shè)計與實現(xiàn)等。

（5）在技術(shù)點（5）中，根據(jù)結(jié)果輸出的要求，可以直接映射到計算機系統(tǒng)的輸出設(shè)備。

通過以上映射過程，馮諾依曼計算機系統(tǒng)的主要部門將自然地銜接在一起，讓學(xué)生對計算機系統(tǒng)為什么這么設(shè)計，以及各部分基本的實現(xiàn)方式有整體的認(rèn)識。

5.方案調(diào)優(yōu)：增加一些額外的資源或者限制條件，對系統(tǒng)進行改進。

（1）增加一個人，將步驟a和步驟b同時計算，此時需要考慮兩個步驟同時計算時的調(diào)度與協(xié)同，從而引出并行計算、操作系統(tǒng)等相關(guān)知識。

（2）增加移位運算的考慮，可以對步驟a的乘法進行優(yōu)化，從而引出程序優(yōu)化的相關(guān)知識。

（3）假設(shè)兩個同時計算的人不在同一個地方，引出網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)內(nèi)容。

通過這個計算問題的求解，可以將計算機系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容有機地聯(lián)系在一起，實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)更好地融合。即使對程序設(shè)計不熟練的學(xué)生，也能夠獲得較好的學(xué)習(xí)效果，提升其系統(tǒng)思維能力。

文章針對目前“計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程內(nèi)容組織銜接性不強、對程序設(shè)計知識過渡依賴等問題，提出了基于PBL的問題導(dǎo)入式教學(xué)方法。首先，從學(xué)生易懂的基本問題出發(fā)，通過方案設(shè)計、技術(shù)點凝練、系統(tǒng)映射等步驟，讓學(xué)生將自己熟知的解決方法與計算機系統(tǒng)的解決方案建立自然的連接，從而了解計算機系統(tǒng)各部分設(shè)計的由來，激發(fā)其求知欲，了解基礎(chǔ)計算機系統(tǒng)的主要知識點及其關(guān)系。其次，通過增加額外資源等方式，對現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中各種演變和優(yōu)化措施進行解析，讓學(xué)生能夠由淺入深，實現(xiàn)零基礎(chǔ)掌握計算機系統(tǒng)，提高學(xué)生對計算機系統(tǒng)的綜合理解和運用能力。在未來的教學(xué)實踐中，教師將進一步探索適用于零基礎(chǔ)學(xué)生系統(tǒng)思維培養(yǎng)的“計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程教學(xué)設(shè)計，以最大限度提升教學(xué)效果。

參考文獻：

[1] ?張為華，李弋，趙文耘.面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的“計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程優(yōu)化[J].計算機教育，2018（9）：108.

[2] ?BRYANT R E， OHALLARON D R. Introducing?Computer Systems from a Programmers Perspective[J].ACM SIGCSE Bulletin，2001，33（1）：90.

[3] ?王志英，周興社，袁春風(fēng)，等.計算機專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)和系統(tǒng)課程體系設(shè)置研究[J].計算機教育，2013（9）：6.

[4] ?孫清，魏晉雁，李薇，等.財經(jīng)類院?！坝嬎銠C系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程教學(xué)探索及實踐[J].軟件導(dǎo)刊，2020，19（12）：146.

[5] ?邊玲燕，史海濤.基于案例教學(xué)的“計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)”課程教學(xué)研究[J].科技與創(chuàng)新，2021（19）：100.

[6] ?WOOD D F. Problem Based Learning[J]. Journal ofBritish Medicine，2003，326（7384）：330.

[7] ?余志遠，馮宏杰，閆銘.PBL教學(xué)法在旅游管理專業(yè)研究生教學(xué)中的應(yīng)用探索[J].高教學(xué)刊，2022，8（3）：117.

[8] ?張霞，韓義德，王錦霞，等.結(jié)合PBL課例的無機化學(xué)線下對分課堂教學(xué)設(shè)計與實踐[J].化學(xué)教育（中英文），2022，43（2）：44.

[9] ?周琴，張九紅，陳沈.PBL教學(xué)法在建筑物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].物理實驗，2022，42（1）：34.

編輯∕李夢迪

收稿日期：2022-03-15 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?修回日期：2022-04-05

作者簡介：陳勇（1986—），男，湖南冷水江人，南京審計大學(xué)信息工程學(xué)院高級工程師，博士，研究方向：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、軟件可靠性、大數(shù)據(jù)審計。

基金項目：2020年國家自然科學(xué)基金面上項目“區(qū)塊鏈技術(shù)支撐下高可靠易追溯審計電子數(shù)據(jù)構(gòu)建方法及應(yīng)用研究”（71972102）；2019年教育部人文社會科學(xué)規(guī)劃基金項目“基于區(qū)塊鏈技術(shù)的大數(shù)據(jù)審計探索性研究：原型設(shè)計、方法變革與實證分析”（19YJAZH100）；2020年江蘇省高等學(xué)校自然科學(xué)研究項目“基于歸一化表示的自適應(yīng)軟件缺陷預(yù)測方法研究”（20KJB520026）