基于筆試答辯考核的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)踐探究

丁凱，肖慧娟，陶銘，李廣明，謝仁平，黃培燦

摘要：《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)I》是東莞理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)類專業(yè)的必修課和核心課程之一，在專業(yè)教育中具有十分重要的地位。通過總結(jié)和分析本課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的特點(diǎn)和存在的問題，從實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和考核方式入手，進(jìn)行了一系列教學(xué)改革與探索。實(shí)踐結(jié)果表明，改革后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，充分體現(xiàn)以學(xué)生為中心的教育理念。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；課程教學(xué)；實(shí)驗(yàn)考核；教學(xué)改革

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）33-0122-03

1 引言

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是普通高等院校計(jì)算機(jī)、電子、通信等多個(gè)專業(yè)的專業(yè)必修課程。東莞理工學(xué)院計(jì)算機(jī)系統(tǒng)系列課程包含《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)I》和《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)II》兩門課程[1]。通過《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)I》教學(xué)，使學(xué)生了解計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)硬件的電路結(jié)構(gòu)及功能，掌握數(shù)字電路的一般分析與設(shè)計(jì)方法，達(dá)到具有分析和設(shè)計(jì)一般數(shù)字電路的能力，為《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)II》的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)I》課程已連續(xù)開課20年，前期名稱為《數(shù)字邏輯》，修讀學(xué)生已超過3000人次。近年來，為了進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，教學(xué)團(tuán)隊(duì)對本課程進(jìn)行了一系列教學(xué)改革。本文結(jié)合《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)I》課程特點(diǎn)，分析該課程教學(xué)過程中存在的問題，對原有的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)方案進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。

2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)特點(diǎn)及現(xiàn)狀分析

本課程的工程實(shí)踐性強(qiáng)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)以理論授課為主，實(shí)驗(yàn)為輔，實(shí)驗(yàn)課程在教學(xué)方法、授課內(nèi)容、學(xué)習(xí)資源和考核方式方面比較單一，主要存下以下幾個(gè)問題：

1）教學(xué)方法：以教師課堂講授實(shí)驗(yàn)原理和方法為主，大多數(shù)學(xué)生處于被動學(xué)習(xí)狀態(tài)，討論交流較少；學(xué)生主動實(shí)踐能力薄弱，問題探究不夠深入，學(xué)習(xí)興趣不強(qiáng)，自主學(xué)習(xí)積極性不高。

2）授課內(nèi)容：以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)較少，學(xué)生缺乏自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的實(shí)戰(zhàn)機(jī)會；課程思政案例和課程知識點(diǎn)結(jié)合不緊密，課程思政話題線上、線下討論交流較少。

3）學(xué)習(xí)資源：以教材、講義和課件作為主要學(xué)習(xí)資源，缺少實(shí)驗(yàn)課程講解視頻；插線板式硬件實(shí)驗(yàn)箱電路固化，靈活性不高；自主學(xué)習(xí)資源相對較少，導(dǎo)致課后自學(xué)、自主完成實(shí)驗(yàn)比較困難。

4）考核方式：教師對學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告、仿真作品和實(shí)物作品評分，由于部分實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求學(xué)生在課后完成，出現(xiàn)極少數(shù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)代做和仿作的現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)考核缺乏公平性和科學(xué)性。

3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革方案設(shè)計(jì)

為了從根本上解決以上問題，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性和積極性，增加實(shí)驗(yàn)考核的公平性和科學(xué)性，需要對實(shí)驗(yàn)教學(xué)和考核進(jìn)行改革：一是修訂和完善教學(xué)大綱，進(jìn)一步明確本課程的教學(xué)目標(biāo)；二是加大實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)教學(xué)比重，增加更多的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)；三是建設(shè)豐富的自主學(xué)習(xí)資源以及便捷的實(shí)驗(yàn)平臺，加強(qiáng)自主學(xué)習(xí)和自主實(shí)驗(yàn)的條件；四是在考核仿真作品、實(shí)物作品、實(shí)驗(yàn)報(bào)告之外，建立了期末綜合實(shí)驗(yàn)筆試答辯題庫，從題庫中隨機(jī)篩選題目，學(xué)生分批次進(jìn)行20分鐘的筆試答辯，這樣不僅可以提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，同時(shí)能夠加強(qiáng)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理的理解，改革后的教學(xué)活動計(jì)劃如圖1所示：

4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革探索與實(shí)踐

4.1修訂專業(yè)課程教學(xué)大綱

課程教學(xué)大綱是課程教學(xué)的指導(dǎo)綱領(lǐng)，課程教學(xué)大綱的編寫應(yīng)符合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)要求、符合教學(xué)計(jì)劃要求，體現(xiàn)科學(xué)性與思想性結(jié)合。通過修訂和完善教學(xué)大綱，進(jìn)一步明確本課程的教學(xué)目標(biāo)：一是培養(yǎng)學(xué)生掌握邏輯代數(shù)的基本概念和基本理論，理解常用數(shù)字器件的功能與應(yīng)用；二是培養(yǎng)學(xué)生理解數(shù)字系統(tǒng)的基本概念，了解計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)硬件電路的結(jié)構(gòu)及功能，初步建立計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的概念；三是培養(yǎng)學(xué)生掌握數(shù)字電路分析與設(shè)計(jì)的一般方法，能夠設(shè)計(jì)開發(fā)滿足需求的硬件，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)體現(xiàn)創(chuàng)新意識，遵循計(jì)算機(jī)軟、硬件及系統(tǒng)開發(fā)的基本要求；四是通過數(shù)字電路仿真設(shè)計(jì)、電路制作等實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生分析問題與解決問題的能力[2，3]。

同時(shí)，在教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)設(shè)計(jì)和課程考核方面，秉承“知行合一，立德樹人”的教學(xué)理念，不斷更新本課程教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計(jì)，推進(jìn)“課程思政”融入課堂教學(xué)全過程。深度挖掘提煉本課程中所蘊(yùn)含的思想價(jià)值和精神內(nèi)涵，梳理出課程思政建設(shè)指標(biāo)和思政案例，將“課程思政”育人元素有機(jī)融入課程教學(xué)的各方面、各環(huán)節(jié)。除了組織學(xué)生在線下對思政案例進(jìn)行討論交流，在線上也開辟了思政討論區(qū)，學(xué)生踴躍參與討論，人均參與了6個(gè)思政話題的討論發(fā)言，實(shí)現(xiàn)課程思政融入點(diǎn)具象化、實(shí)例化。通過課程思政幫助學(xué)生運(yùn)用辯證思維和歷史思維分析學(xué)習(xí)中遇到的現(xiàn)實(shí)問題和需求，培養(yǎng)學(xué)生愛國主義和集體主義精神，促使學(xué)生形成正確的人生觀、價(jià)值觀和世界觀[4]。在實(shí)驗(yàn)課程環(huán)節(jié)，加入了勞動教育的課時(shí)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生面對困難問題時(shí)鍥而不舍的精神，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，促進(jìn)學(xué)生德智體美勞全面發(fā)展。

4.2加大實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)教學(xué)比重

在以往的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)I課程教學(xué)中，課程總學(xué)時(shí)為64學(xué)時(shí)，其中理論學(xué)時(shí)48學(xué)時(shí)，實(shí)踐課學(xué)時(shí)16學(xué)時(shí)；改革后的理論學(xué)時(shí)和實(shí)踐課學(xué)時(shí)均為32學(xué)時(shí)。通過加大實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和時(shí)間，從權(quán)重過大的理論教學(xué)方式，逐步轉(zhuǎn)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)并重的軌道上來。改革后，以實(shí)驗(yàn)教學(xué)取代了部分理論教學(xué)，平時(shí)實(shí)驗(yàn)計(jì)入總分，加大實(shí)驗(yàn)考核權(quán)重，打破傳統(tǒng)課堂“滿堂灌”的授課方式，完成以教為中心向以學(xué)為中心的轉(zhuǎn)變?！白鲋袑W(xué)”取代部分“聽中學(xué)”，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增加學(xué)生的工程實(shí)踐能力，同時(shí)加深了理論知識的理解。

改革后的實(shí)驗(yàn)課程總共包括8個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其中驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)1個(gè)，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)5個(gè)，綜合性實(shí)驗(yàn)2個(gè)，加大了設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的比重，項(xiàng)目設(shè)計(jì)注重趣味性、系統(tǒng)性和導(dǎo)學(xué)性，大部分項(xiàng)目源自生產(chǎn)實(shí)踐。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分別為：1）SSI組合邏輯電路的分析（設(shè)計(jì)）；2）SSI組合邏輯電路的設(shè)計(jì)與制作（設(shè)計(jì)）；3）MSI組合邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)（設(shè)計(jì)）;4）組合邏輯電路綜合設(shè)計(jì)—血型匹配檢測器設(shè)計(jì)（綜合）；5）MSI時(shí)序器件的應(yīng)用（設(shè)計(jì)）；6）存儲器與A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用（設(shè)計(jì)）；7）計(jì)算機(jī)硬件電路功能（驗(yàn)證）；8）數(shù)字電路綜合應(yīng)用（綜合）。通過更多的設(shè)計(jì)和綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅鍛煉了學(xué)生的動手能力和分析問題解決問題的能力，而且間接引導(dǎo)了學(xué)生平時(shí)持續(xù)認(rèn)真地學(xué)習(xí)理論知識；促使學(xué)生增強(qiáng)理論應(yīng)用于實(shí)踐的能力，加強(qiáng)自主學(xué)習(xí)和自主實(shí)驗(yàn)的條件，“學(xué)”“做”并行，“學(xué)”“考”并行，避免考前突擊式學(xué)習(xí)；力求學(xué)生在“知識”“能力”“技能”齊頭并進(jìn)。

4.3建設(shè)豐富的自主實(shí)驗(yàn)資源

以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)自主學(xué)習(xí)資源相對較少，缺乏實(shí)驗(yàn)課程講解視頻，并且老式實(shí)驗(yàn)箱電路固化、體積較大，使用不靈活，學(xué)生離開實(shí)驗(yàn)室沒法進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致課后自學(xué)、自主完成實(shí)驗(yàn)比較困難，自主學(xué)習(xí)積極性不高。為了從根本上解決以上問題，課程組建設(shè)了豐富的自主學(xué)習(xí)資源以及便捷的實(shí)驗(yàn)平臺，增設(shè)大量的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。以教學(xué)學(xué)時(shí)為單位，錄制了全課程PPT教學(xué)視頻，設(shè)計(jì)了隨堂測試題；以知識點(diǎn)為單位，錄制了全課程95個(gè)知識點(diǎn)的微課視頻，教學(xué)視頻可以有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性，引導(dǎo)學(xué)生深入思考，為學(xué)生獨(dú)立解決問題和邏輯思維能力的培養(yǎng)提供了充足的時(shí)間和空間，實(shí)現(xiàn)潤物無聲、隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)的教育效果。

結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，本課程組編寫了教材《數(shù)字邏輯與計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)》，即將由清華大學(xué)出版社出版，教材包含理論知識和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目兩部分內(nèi)容。自主開發(fā)了幾百套便攜式硬件實(shí)驗(yàn)箱，學(xué)生每人一套；相比于傳統(tǒng)的插線板式的硬件實(shí)驗(yàn)箱，便攜式實(shí)驗(yàn)箱具有“小體積，大能量，開源性”的優(yōu)點(diǎn)，方便學(xué)生二次開發(fā)；實(shí)驗(yàn)的時(shí)間地點(diǎn)更加靈活，學(xué)生可攜帶至宿舍進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)生積極性和創(chuàng)新性[5]。實(shí)物實(shí)驗(yàn)不受場地、時(shí)間限制，實(shí)驗(yàn)基本可以自主進(jìn)行。自主實(shí)驗(yàn)平臺的創(chuàng)建，確保了自主實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，提高了學(xué)生獨(dú)立思考以及理論應(yīng)用于實(shí)踐的動手能力。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師的工作重點(diǎn)在于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)考核、答疑和器材管理上。學(xué)生實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求在一段時(shí)間內(nèi)（通常一周）完成，這樣使學(xué)生有充裕的時(shí)間自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

4.4采用實(shí)驗(yàn)題庫筆試答辯考核

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)考核方式是學(xué)生在完成每次實(shí)驗(yàn)任務(wù)后，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告、仿真作品和實(shí)物作品，教師根據(jù)學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)作品進(jìn)行評分。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，給學(xué)生發(fā)放了自主研制的便攜式實(shí)驗(yàn)箱，學(xué)生可以將實(shí)驗(yàn)箱帶到宿舍完成實(shí)物實(shí)驗(yàn)，這樣不可避免地出現(xiàn)了極少數(shù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)代做和仿做的現(xiàn)象[6]。為了科學(xué)考核，避免此類現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)加強(qiáng)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理的理解，課程組對實(shí)驗(yàn)考核進(jìn)行了改革：在考核仿真作品、實(shí)物作品、實(shí)驗(yàn)報(bào)告之外，建立了期末綜合實(shí)驗(yàn)筆試答辯題庫，從題庫中隨機(jī)篩選題目，學(xué)生分批次進(jìn)行20分鐘的筆試答辯。改革后的實(shí)驗(yàn)考核方式從四個(gè)方面對學(xué)生進(jìn)行了科學(xué)和全面的考核：一是通過仿真作品，考核學(xué)生的設(shè)計(jì)能力及仿真技術(shù)；二是通過實(shí)物制作，考核學(xué)生的動手能力；三是通過實(shí)驗(yàn)報(bào)告，考核學(xué)生的歸納總結(jié)與科技寫作能力；四是通過實(shí)驗(yàn)答辯，考核學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理的理解程度。

改革過程中發(fā)現(xiàn)，若采用一對一口頭答辯，花費(fèi)時(shí)間太長，教師工作量太大，而且每個(gè)學(xué)生被提問的問題不一樣，提問的題量也不一樣，提問隨機(jī)性大，考核不科學(xué)不公平。于是，為了使答辯工作切實(shí)可行，并減少答辯提問的隨機(jī)性，課程組精心設(shè)計(jì)了筆試答辯題庫，答辯原理圖1張（如圖1所示）。

實(shí)驗(yàn)筆試答辯題庫共50套題，每套題有4道題，每套題雖然題目不同，但是考核知識點(diǎn)相同，難度相近。每個(gè)學(xué)生隨機(jī)抽一套題，考試時(shí)間20分鐘，分批次筆試答辯。答辯考試用的電路圖與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的電路圖原理上近似?？荚囯娐穲D中設(shè)有多處標(biāo)識點(diǎn)，如圖1中A、B、C、D、E、F、G、H、J、K等標(biāo)識點(diǎn)，每套答辯題有一道題為：假定一些標(biāo)識點(diǎn)的電平，求另一些標(biāo)識點(diǎn)的電平。這樣每套題的答辯考核知識點(diǎn)有相同之處，各套題考核內(nèi)容和難度相當(dāng)，避免口頭答辯的隨機(jī)性。筆試答辯主要考查學(xué)生對期末實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理的理解程度，答辯題庫不對學(xué)生公開。這樣不僅考核全面科學(xué)，而且減少教師答辯工作量，同時(shí)，也杜絕了學(xué)生代做、仿做實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象發(fā)生。

4.5教學(xué)改革成效匯總

從2021年開始，東莞理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)I的課程教學(xué)采用改革后的教學(xué)方案。表1的數(shù)據(jù)來源于近年來本課程的教學(xué)綜合成績統(tǒng)計(jì)：

通過對本專業(yè)2018級（改革前）和2019級（改革后）計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的成績進(jìn)行比較，可以看出教改后的學(xué)生綜合成績有明顯的提高，說明教改后的學(xué)習(xí)方式有利于提高學(xué)生的積極性，能夠促進(jìn)學(xué)生對本學(xué)科專業(yè)知識的理解和掌握，考核更加科學(xué)，具有較好的效果。2020年，本課程獲全國高等院校計(jì)算機(jī)類專業(yè)教學(xué)能力大賽二等獎；2021年，本課程入選廣東省線上線下混合式一流課程。

5 結(jié)論

綜上所述，通過總結(jié)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)I專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的一些不足，然后從教學(xué)和考核方式入手，對專業(yè)教學(xué)培養(yǎng)大綱、實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)、自主學(xué)習(xí)資源建設(shè)、實(shí)驗(yàn)科學(xué)考核方式等進(jìn)行了教學(xué)改革與探索。實(shí)踐結(jié)果表明，改革后的實(shí)驗(yàn)課程通過仿真設(shè)計(jì)、實(shí)物制作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)答辯等方面對學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)訓(xùn)練，全方位地提升學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、動手能力、寫作能力和對實(shí)驗(yàn)原理的理解程度，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，培養(yǎng)學(xué)生分析問題與解決問題的能力，提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)研究的邏輯思維能力和動手能力，以及探究工程科學(xué)的興趣、獨(dú)立思考的習(xí)慣和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

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