基于PBL 的计算机组成原理课外实验探索与实践

操惊雷，秦磊华

(1.黄冈职业技术学院 现代教育技术中心，湖北 黄州438002;2.华中科技大学 计算机学院，武汉 430074)

基于问题的学习(Problem Based Learning，简称PBL)以学生为中心，把学习设置到复杂的，有意义的问题情境中，通过学习者的合作来解决真正的问题，从而学习隐含在问题背后的科学知识，形成解决问题的技能和自主学习的能力［1］。PBL 最早于上世纪50 年代末由美国的Barrows 和Tamblyn 提出，开始在医学领域教学中应用并取得成功，现被广泛应用于教育学、工程学、建筑学、法学、经济学、管理学、自然科学、农学和社会学等学科领域［2］。本文就PBL 教学模式引入到计算机组成原理课外实验教学中的相关问题进行探讨，为深化实验教学体系与教学模式的改革进行一些有益的尝试。

1 基于PBL 的实验教学理念

实验教学是高等学校课程教学的重要组成部分，实验教学质量的高低将直接影响到人才培养的质量。实验教学理念是实验教学的指导思想，将影响实验教学的培养目标、培养模式、教学方法、教学质量甚至整个实验教学体系。教学理念随着学科发展、社会需要和认识的提高而不断变化。我国高等学校实验教学理念于上世纪60 代提出，最初只注重对学生三基能力的培养(掌握基础知识的能力、掌握基本操作的能力、掌握基本技能的能力，后来又增加了培养学生分析问题、解决问题的能力以及培养学生科学思维能力和严谨的科学品质等要求［3－4］。

上述实验教学理念在当时条件下还是具有相当先进性的，但随着时代的发展和社会对人才创新能力要求的提高，传统的实验教学理念的局限性也就随之表现出来:

(1)实验内容基本固定，同一门课程的实验内容多年基本都不改变;

(2)在教学方法上，以老师为主，学生只能被动接受;

(3)没有考虑学生的个性、特长、兴趣与爱好;

(4)实验内容不能反映学科发展的前沿，不能反映社会实际和生产、科研实际，不能激发学生兴趣。

传统实验教学理念重在基本技能，忽视了创新力的培养。实践证明，创新是社会发展的源动力，为适应社会发展的需要，必须更新实验教学理念。在国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010 －2020年)中明确指出培养创新人才的重要性和紧迫性，并从多个不同的角度提出了明确的目标:

(1)在战略主题部分，明确指出要着力培养勇于探索的创新精神和善于解决问题的实践能力;着力提高学生的学习能力、实践能力和创新能力。

(2)在发展任务部分，明确指出高等教育应该推动高校创新组织模式，促进科研与教学互动、与创新人才培养相结合。

(3)在体制改革部分，提出了探索创新人才培养模式的目标，倡导启发式、探究式、讨论式、参与式教学;激发学生的好奇心，培养学生的兴趣爱好，营造独立思考，自由探究、勇于创新的良好环境。

国家中长期教育改革和发展规划纲要为实验教学理念的更新指明了方向，即实验教学应贯彻以学生为主体，教师为主导，坚持知识传授、能力培养、素质教育全面协调发展的实验教学理念。这一新的实验教学理念强调学生是实验的主体，倡导根据学生个性、特长组织实验教学，充分激发学生对实验的兴趣，培养学生的综合能力和创新能力，这一理念的内涵正好与PBL 教学的本质相同，因此，将PBL应用于实验教学符合国家中长期教育改革与发展规划纲要的要求，具有鲜明的时代特征［5］。

本文将以“问题”为导向、以学生为主体、以能力培养尤其是创新能力培养为目标的实验理念称为基于PBL 的实验教学理念。

2 组成原理课程中实验中引入PBL 教学法的必要性

《计算机组成原理》是计算机科学与技术专业本科教学中的一门重要专业基础课，课程的目标是使学生掌握计算机硬件各子系统的组成原理及实现技术，建立计算机系统的整体概念，培养学生设计、开发计算机系统的能力。计算机组成原理在计算机科学与技术专业知识体系和课程体系中具有承上启下的作用，详细情况分别如图1 和图2 所示。

图1 计算机系统的层次化结构

图2 计算机组成原理的前导与后续课

在图1 所示的计算机系统层次化结构图中，阴影部分所指的内容就是计算机组成原理课程所包含的教学内容，即包括CPU、主存、输入/输出接口及指令集体系结构(ISA)等内容。其中，ISA 是硬件和软件的接口;CPU、MM、I/O 等是构成计算机的主要硬件功能部件，它们通过数字逻辑电路设计来实现。从图2 所示的计算机科学与技术专业课程体系可看出，计算机组成原理在计算机硬件系列课程中的地位和作用。同时，从计算机科学与技术发展的趋势看，计算机组成原理对操作系统原理和编译原理等系统软件课程的学习也有很重要的支撑作用。

实践教学能帮助学生深入理解学理论知识，同时对提高学生的综合素质、培养学生的创新精神、实践能力和创新能力具有不可替代的作用。计算机组成原理是计算机科学与技术及其相关专业的核心基础课，一方面，其涉及内容广且抽象，另一方面，该课程的内容还与计算机科学与技术的发展紧密关联，具有较强的时代特征。鉴于计算机组成原理课程的重要地位及其特点，有必要在计算机组成原理课程实验教学体系中引入PBL 教学法，以充分调动学生参与实验的积极性和主动性，更好地培养学生设计、调试和开发计算机系统的能力以及培养分析和解决问题能力［6］。

3 基于PBL 的组成原理课外实验设计与实施

由于计算机组成原理课程的内容广泛且具有较强的时代特征，仅仅依靠课内实验(一般16 学时左右)很难达到实验教学的效果，设置基于问题的课外实验势在必行。

3.1 基于PBL 的实验设计

问题是PBL 的基础、出发点以及引发学习活动的主线，问题设计的适当与否是PBI 学习成功的关键。设计问题时应该注意以下几点［7］。

1)问题设计要紧密联系学生实际，注重理论和实践的结合，体现以学生为中心、教师为主导的教学策略;

2)设计的问题要有明确的目标，以引导学生从不同角度来分析和解决问题，激发学生积极参与、主动实践的热情;

3)设计的问题并不要求有确定的答案或解决方法，给学生留出更多的体验和想象空间，激发学生的创造力;

根据上述基本原则，结合计算机组成原理的教学内容和实验目标，我们在组成原理实验教学中设计了16 个基于PBL 的课外实验，详细情况如表1 所示。

表1 基于PBL 的组成原理课外实验内容

3.2 实验实施过程

基于PBL 的课外实验实施过程大体上按照PBL 教学法的实施过程进行，即按照教师提出问题→组建学习小组→学生自主收集资料，讨论、探索并解决问题→教师引导→提交报告并组织大范围的讨论和答辩等环节进行。

根据组成原理实验的特殊性，在具体实施PBL 实验教学过程中，我们采取了下列措施:

1)进行课外实验和组织讨论与答辩需要大量的时间，因此，合理安排时间是成功实施PBL 课外实验的关键。其中，学生收集资料、小组讨论和解决问题的时间利用课外时间自行安排;而大范围的讨论和答辩则以课堂教学时间为主，利用每章教学内容完成后的总结时间，随即抽取部分小组就他们的问题进行报告，并回答其它小组学生提出的问题。在必要的情况下，也可以少量安排课外时间组织讨论与答辩。一般在给出一个问题后，学生在2 周内提交实验报告，教师在3 周内安排时间组织讨论和答辩。

2)不同于理论教学，实验教学需要必备的实验条件，因此，在设计实验问题时要充分考虑课外实验条件这个因素。表1 所设计的实验项目都不依赖某一固定的实验平台，只需要一台计算机和相应的软件即可完成，这些条件一般的学生都具备;

3)实验问题的设计要考虑学生的实际情况，并给学生一定的选择空间。表1 所示的课外实验共有16 个，在具体的实施过程中，可根据学生的实际情况，规定部分章节的必做实验，同时允许学生选择自己感兴趣的实验项目;

4)注重对实验过程的监控和引导。为确保PBL 实验教学能有效进行，教师要全程跟踪监控，指导学生对问题解决活动的进行，及时把握学生问题解决的动向，保证问题解决的方向性;鼓励学生从多角度分析问题等。答辩时对学生正确的理解和分析给予肯定，对学生片面的观点给予指出;并给每一组打出评分。还要把解决问题牵涉的知识点作一个提纲契领的回顾，总结重点和难点，回应学生讨论时提出的较为普遍的问题，启发学生作更进一步深入的分析，让学生认识到学习是一个无止境的过程，永远会有需要研究的问题，并能感受到自己是“学习”的主人，从而体会到“学习”是一种乐趣。

3.3 课外实验评价

建立合理的评价体系是PBL 教学法的主要环节。由于PBL 教学更重视教学过程中学生的表现而不仅仅是教学结果，因此，基于PBL 的课外实验评价的内容与方式也相应发生变化。PBL 教学评价的目的是激发学生探索知识，而探索知识的过程是复杂的，因此，PBL 教学评价具有多元化、多样化的特点。一般来说，PBL 常用的评价方式包括:形成性评价与终结性评价相结合、学生自我评价与相互评价相结合、教师与学生相互评价相结合、书面评价与口头评价相结合等形式。在实施的过程中可根据实际情况灵活选择［8］。

除对单个实验进行评价外，笔者认为还应该将实验评价纳入到课程终结性评价体系中，且加大PBL实验在课程终结性体系中的比重，具体情况视完成的PBL 实验个数而定，建议比重在在30% ～50%之间，这样既能调动学生主动探索的积极性，又能提高课程终结性评价的科学性、合理性。

研究型教学是国家中长期教育改革和发展规划中明确指出的教育改革方向，也是培养创新型人才的必由之路。从传统教学模式向研究型教学模式的转变不仅存在教育观念的革新，还有很多具体的工作有待研究与完善。本文就PBL 教学应用于计算机组成原理课外实验的相关问题进行了探索，通过近2 年的教学实践效果看，学生对这一新的实验教学模式表现出浓厚的兴趣，学生运用所学知识分析和解决问题的能力也得到了较大幅度的提升。当然，我们所设计的PBL 组成原理课外实验还有待优化与完善。

下一步，我们将站在课程体系的角度，研究实施基于PBL 实验教学的可行性，并设计基于PBL 和面向课程体系的课外实验方案。

［1］ 王济华.基于问题的学习(PBL)模式研究.当代教育理论与实践［J］.2010，2(3):98 －100.

［2］ Schmidt H G，Gijselaers W H. Causal modeling of problem－based learning［Z］. Boston，MA:Annual Meeting of the American Educational Research Association，1990.

［3］ 周立亚，龚福忠，兰宇卫，等.构建研究型实验教学法培养学生创新能力［J］.实验室研究与探索，2011，30(5):127－129.

［4］ 王明彦.构建研究性实验教学体系的思考与实践［J］.中国大学教学，2009(3):75 －77.

［5］ 国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010 －2020 年)［EB/OL］. http://www.gov.cn/jrzg/2010 －07/29/content_1667143.htm 2011 －8 －17.

［6］ 王秀敏.基于问题和项目的研究性学习模式研究［J］.技术监督教育学刊，2007(2):7 －9.

［7］ 符兆英，田红英，高峰.基于问题学习教学模式的要素与方法及利弊探讨［J］.延安大学学报(医学科学版)，2011，9(3):69 －71.

［8］ 王光义. 实验教学理念与创新能力培养［J］.实验室研究与探索，2008，27(8):76 －78.