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運用PBL模式解決《計算機組成原理》課程教學困境

2022-09-22 07:50吳晶晶張凱曹領(lǐng)
電腦知識與技術(shù) 2022年23期
關(guān)鍵詞:計算機組成原理原理計算機

吳晶晶,張凱,曹領(lǐng)

(安陽工學院,河南安陽 455000)

《計算機組成原理》課程是計算機專業(yè)本科生的核心基礎(chǔ)課,通過本門課程的學習,可以使學生建立一個完整的計算機系統(tǒng)架構(gòu)的概念,掌握計算機硬件系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)以及各組成部分的工作原理,培養(yǎng)學生對計算機硬件部分的分析、應(yīng)用、設(shè)計及開發(fā)能力[1]。安陽工學院自2002年開設(shè)《計算機組成原理》以來,主要以課堂講授的教學形式為主,這種傳統(tǒng)教學形式盡管讓這門課程按照教學大綱發(fā)揮了其應(yīng)有的作用,但在長期教學中,大多學生對該門課程印象是“理論性太強,基本概念抽象,教學內(nèi)容信息量大,與實踐脫節(jié)”,這已經(jīng)成為該“老經(jīng)典”課程發(fā)展的困境。由此看來,有必要引入新的教學模式對《計算機組成原理》課程進行教學改革。

基于問題的學習(Problem Based Learning,簡稱PBL)是在教師的引導下,以學生為中心,把學習設(shè)置到復雜的,有意義的問題情境中,通過采用小組分組討論的形式,學生圍繞問題合作收集資料,解決問題,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[2-4]。本文將探討將PBL教學模式引入到《計算機組成原理》課程的日常教學中,以此來解決傳統(tǒng)計算機專業(yè)基礎(chǔ)課程面臨的困境。

1 教學困境分析

1.1 知識點多而難,學生基礎(chǔ)薄弱,興趣不高

《計算機組成原理》教材包含10個章節(jié),知識點非常多,在講授計算機的硬件電路和工作原理時,經(jīng)常用到數(shù)字電路、數(shù)字邏輯等先修課程相關(guān)知識,而這些知識在上述課程中本身也是難點,學生對這些知識掌握不夠牢固,基礎(chǔ)薄弱,在新的課程上運用時顯得更加吃力,久而久之,會失去興趣[5]。

1.2 概念抽象,無法與實踐相結(jié)合

《計算機組成原理》課程包含的很多知識,大多在芯片內(nèi)部發(fā)生,例如存儲芯片的讀寫時序、Cache與主存的地址映射方式、數(shù)值在計算機內(nèi)如何進行加減乘除,控制器是如何取指令、分析指令、執(zhí)行指令的,這些過程都是看不見摸不著的,抽象內(nèi)容無法與實踐結(jié)合。

1.3 課程內(nèi)容陳舊,教學方法單一

《計算機組成原理》課程開設(shè)以來,教材內(nèi)容已遠遠滯后于目前電子技術(shù)的發(fā)展,這就很難激發(fā)學生學習的積極性[6]。該課程主要采取“教師滿堂灌,學生囫圇吞”的教學方式,課程內(nèi)容多,教學方法單一,課堂氣氛沉悶,無法充分調(diào)動學生的主觀能動性,更不能體現(xiàn)學生在教與學中的主體角色。

2 PBL模式在組成原理日常課程教學中的實踐

PBL教學法把問題作為學習的起點,學習活動圍繞核心問題展開,通過學生分組合作來學習與問題相關(guān)聯(lián)的課程知識,研究結(jié)果可以采用多種形式展現(xiàn)。在實施過程中大概包括以下幾個階段:教師提出問題、組建學習小組、收集資料并探究問題,課堂展現(xiàn)研究結(jié)果與交流討論,提交探究報告與反饋評價。

2.1 提出問題、組建學習小組、收集資料并探究問題階段

問題的設(shè)置應(yīng)以教學目標為基礎(chǔ),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(jié)合[7]。提出的問題要與學生之前所學知識、原理有機聯(lián)系起來,讓學生根據(jù)自己原有儲備,通過收集資料,思考探究,獲得新的概念和理論知識。在實際教學過程中,筆者將唐朔飛編著的《計算機組成原理》教材梳理出20多個問題[8],貫穿整學期教學目標,具體見表1所示。

表1 基于PBL模式的組成原理課程問題設(shè)置

在整個教學活動開始前,要對班級成員進行分組。以20級物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)為例,教材共10個章節(jié),我們將79名同學分為10組,每組分配6-9名不同特點,不同學習層次的同學,分別負責一個章節(jié)的課程內(nèi)容。為了便于PBL教學的實施,開始上課前一周就把所要探討問題發(fā)給負責小組,學生拿到問題后,分工合作,通過圖書館、網(wǎng)絡(luò)、教材或咨詢教師等渠道查找相關(guān)資料,進行自主學習;最后小組成員之間相互探討溝通,找到解決問題的思路和方法,并結(jié)合老師制定出恰當?shù)恼n堂展現(xiàn)形式。

2.2 課堂展現(xiàn)研究結(jié)果與交流討論階段

小組成員在自主探究并與老師確定好展現(xiàn)形式后,可在課堂上利用多種形式來報告自己的探究結(jié)果以及解決問題的過程。在20級物聯(lián)網(wǎng)工程班的實踐教學中,各小組同學都采用了豐富多彩的課堂展現(xiàn)形式,部分課堂展現(xiàn)實例如下所列:

1)形象類比法

在講授系統(tǒng)總線章節(jié)時,將計算機的各個硬件比作各公交站點,乘客像傳輸?shù)臄?shù)據(jù),使用公交車運輸乘客得出使用總線的好處,既簡化了硬件部件間相互的連接,又有利于硬件的增加和刪除。

在講授數(shù)據(jù)尋址方式時,數(shù)據(jù)尋址過程相當于去圖書館借書,操作數(shù)是書,存儲器就是圖書館,跟管理員說要借某書時可能會遇到以下情況:他直接把架子上書遞給你,即立即尋址;他告訴你書的地址,你根據(jù)地址取書,即直接尋址;他告訴你自助機的地址,你去自助機查到書的地址,再去取書,即間接尋址。

2)理論聯(lián)系實際法

在講授存儲器章節(jié)內(nèi)容時,除了硬盤的存儲原理外,還可以介紹當前最新的硬盤產(chǎn)品,如固化硬盤,將固化硬盤和傳統(tǒng)機械硬盤進行對比,引起學生的興趣;在講授CPU芯片時,介紹國內(nèi)外主流CPU芯片,重點講解國產(chǎn)龍芯,讓同學們了解中美芯片大戰(zhàn),引入思政。

3)虛實結(jié)合法

為了讓學生理解計算機工作過程,組成原理課題組設(shè)計了計算機系統(tǒng)模擬軟件,學生可以通過模擬軟件,直觀了解指令執(zhí)行時的數(shù)據(jù)流走向。

4)情景劇展現(xiàn)法

在講解流水線時,設(shè)置這樣的場景:小餐館原來僅有一個大廚,做一道菜上一道菜,類似于一條指令執(zhí)行完再執(zhí)行另一條指令,餐館生意越來越好,老板就將廚房分成四個區(qū)域,洗菜區(qū)、切菜區(qū)、炒菜區(qū)、裝盤區(qū),一個大廚換成四個小廚,采用流水線制作菜品,如此僅用原來做一道菜時間的1/4就可以上一道菜。這個劇情會讓學生更深刻理解為什么流水技術(shù)可以提高處理機的速度。

多樣又極具趣味性的知識點展現(xiàn)形式,增強了學生學習枯燥硬件理論的興趣,大大提高了課堂學習效果。課堂展現(xiàn)時,教師和其他組成員可以進行提問和評審。在課堂交流的過程中,教師要引導學生提出疑問,對問題進行擴展延伸,發(fā)現(xiàn)新問題,并解決新問題,這樣會使學生的思路更加開闊,對問題理解得更加透徹。

2.3 提交探究報告與反饋評價

課堂教學結(jié)束后,學生要對課堂中所學到的知識點進行歸納和總結(jié),有意識地對教學過程、對所解決的問題進行反思,分析問題背后知識點之間的邏輯聯(lián)系,完善知識體系。最后提交探究報告,以此來幫助全班其他同學鞏固所學知識。

為了能全方位反映學生的真實表現(xiàn),筆者采用期末卷面成績和PBL教學模式考核評價相結(jié)合的方式,各占期末總成績的50%。其中PBL教學模式考核評價包括4部分,小組成員互評占30%,組間互評占30%,教師評價占30%,探究報告占10%。為了保證所有環(huán)節(jié)評價的公平性,4部分評價都要有相應(yīng)的評分細則,學生與教師都要客觀打分。

3 效果評價

為了考證PBL模式的教學效果,通過任課的2個教學班進行實踐,一個班采用常規(guī)教學模式授課,稱為常規(guī)教學班,另一個班采用PBL教學模式進行授課,稱為教改實驗班,課程結(jié)束后,以無記名形式進行了課程改革問卷調(diào)查,調(diào)查結(jié)果如表2。調(diào)查結(jié)果顯示,采用PBL模式教學,教改實驗班的學生在各方面滿意度均較好,同時學生的期末卷面成績也優(yōu)于常規(guī)教學班。

表2 傳統(tǒng)教學模式與PBL教學模式對比

4 結(jié)論

《計算機組成原理》作為計算機專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程,采用傳統(tǒng)的教學方法機械死板,課堂枯燥,學生被動式學習,學習效果差。將PBL教學模式引入到《計算機組成原理》的教學中,使沉悶無趣的課堂充滿了活力,學生自主學習的主動性和積極性大大增強,對教師的依賴性大大減小,學習效果也得到了明顯提高。

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