新工科背景下“計算機組成原理”課程混合式教學(xué)改革與實踐

張永清，劉雙虎，彭商濂

（成都信息工程大學(xué)計算機學(xué)院，四川 成都 610225）

引言

在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命加速的背景下，2017 年2 月，教育部發(fā)布了《高等教育司關(guān)于開展“新工科”研究與實踐的通知》，經(jīng)過復(fù)旦共識、天大行動、北京指南三部曲，新工科建設(shè)正進入扎實再深化階段。在新工科建設(shè)的背景下，借助慕課資源在線形式的靈活配置，采取在線和課堂相結(jié)合的混合式教學(xué)，改進教學(xué)方式，提升教學(xué)效果，更好地實現(xiàn)以學(xué)生為中心的教學(xué)。

“計算機組成原理”是計算機專業(yè)的核心基礎(chǔ)課，在課程體系中起著承上啟下的作用。隨著新興科技的不斷發(fā)展和新設(shè)備的應(yīng)用，傳統(tǒng)的教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容已不能滿足高素質(zhì)工程人才的培養(yǎng)需求。因此，深入分析課程教學(xué)所面臨的主要問題，探索在“新工科”背景下課程的混合式教學(xué)建設(shè)思路及實踐，對提升計算機專業(yè)人才的創(chuàng)新能力和系統(tǒng)能力的培養(yǎng)質(zhì)量具有重要意義。

1 課程教學(xué)面臨的困境

1.1 教學(xué)內(nèi)容較多，基本概念抽象

“計算機組成原理”課程以馮 諾依曼思想為基礎(chǔ)，重點介紹運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部件的基本原理及其互連構(gòu)成整機的技術(shù)，知識點涉及面廣，基本概念抽象。

1.2 教學(xué)方式單一，學(xué)生缺乏興趣

傳統(tǒng)的教學(xué)方式是“教師講、學(xué)生聽”，學(xué)生缺少主動積極地學(xué)習(xí)。大部分同學(xué)沒有預(yù)習(xí)內(nèi)容，課堂參與度較低，主講教師主要是內(nèi)容講解，學(xué)生基本上是填鴨式學(xué)習(xí)，缺少思考。目前，計算機組成原理課程普遍重理論教學(xué)，忽視實踐能力培養(yǎng)，缺乏實際應(yīng)用背景，容易導(dǎo)致學(xué)生對課程缺乏興趣。

1.3 實踐教學(xué)困難，能力培養(yǎng)不足

傳統(tǒng)的課程實驗大都采用唐都儀器實驗箱，主要通過連線操作來實現(xiàn)相應(yīng)的電路，實驗內(nèi)容與器件固定，學(xué)生按固定步驟連線/撥動開關(guān)即可，大部分是驗證性實驗，無法實現(xiàn)綜合性較強的設(shè)計實驗。從而導(dǎo)致實驗效率低、效果差，無法真正實現(xiàn)設(shè)計性實驗，無法培養(yǎng)系統(tǒng)能力和解決復(fù)雜工程問題的能力。

2 新工科背景下“計算機組成原理”課程混合式教學(xué)建設(shè)思路

2.1 融入創(chuàng)新理念

新工科是為響應(yīng)當(dāng)前的產(chǎn)業(yè)和技術(shù)革命而提出的一種全新的教育理念，在建設(shè)的途徑上，要主動面向未來，要堅持以問題為導(dǎo)向，不斷創(chuàng)新教學(xué)模式、教學(xué)理念、教學(xué)方法。對于“計算機組成原理”課程建設(shè)，需要深入挖掘課程在計算機專業(yè)中系統(tǒng)能力的培養(yǎng)，將新工科理念融入課程的教學(xué)和實踐中，充分發(fā)揮課程的系統(tǒng)能力培養(yǎng)和復(fù)雜工程問題解決的主導(dǎo)作用，培養(yǎng)出符合時代要求的專業(yè)技術(shù)人才。

2.2 重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容

當(dāng)前計算機科學(xué)技術(shù)與人工智能技術(shù)迅速發(fā)展促使知識不斷更新迭代，因此要求教學(xué)內(nèi)容要及時更新，以提高學(xué)生的興趣，培養(yǎng)學(xué)生更加廣闊的視野。此外，可以充分挖掘在計算機領(lǐng)域?qū)W(xué)生的三觀起到正確引導(dǎo)的思政案例，充分落實立德樹人的根本任務(wù)。在混合式教學(xué)模式中，可以隨時吸收新的知識和技術(shù)，一改過去固定不變的教材形式，以動態(tài)可變的教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)，更好地為學(xué)生提供個性化教學(xué)，真正做到以學(xué)生為中心的教學(xué)。

2.3 創(chuàng)新教學(xué)方法

在新工科教育理念下，如何進一步創(chuàng)新教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣是一個重要的課題。如何對學(xué)生加以引導(dǎo)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生在一定程度上自覺認真學(xué)習(xí)，并培養(yǎng)其使命感？混合式教學(xué)是一種新的教學(xué)模式，可以充分融合不同的教學(xué)方法和教學(xué)手段，可以充分利用線上資源，通過任務(wù)驅(qū)動法和激勵法，要求學(xué)生進行課前自學(xué)和課后復(fù)習(xí)。混合式教學(xué)模式可以使學(xué)生隨時隨地地學(xué)習(xí)，擴大了教學(xué)知識量，促進學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

2.4 建設(shè)虛擬平臺

近年來，隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展和平臺建設(shè)，有效彌補了實驗操作課程的不足。引入Logisim 虛擬仿真平臺替代實體硬件實驗箱，實現(xiàn)了由實體硬件到虛擬仿真實驗的轉(zhuǎn)變。虛擬仿真實驗平臺的建設(shè)解決了硬件實驗調(diào)試困難、成本高，維護工作量大、難于課下繼續(xù)或重復(fù)進行實驗的問題，提高了實驗效果與實驗效率。

3 “計算機組成原理”混合式教學(xué)實踐

“計算機組成原理”課程是成都信息工程大學(xué)計算機類專業(yè)的必修課之一，在整個本科生培養(yǎng)方案中，具有重要的地位。該課程是在中國高校計算機教育MOOC 聯(lián)盟線上線下改革混合式教學(xué)改革項目和學(xué)校本科教學(xué)工程項目的資助下逐步建設(shè)改革的。課程線上教學(xué)采用MOOC平臺+異步SPOC 授課+Educoder 實驗平臺，對應(yīng)資源為華中科技大學(xué)秦磊華、譚志虎團隊的“計算機組成原理”國家精品課，此課程與選取教材配套，在該線上課程基礎(chǔ)上進行適當(dāng)修改，適時地發(fā)布預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)、測試、考試任務(wù)，要求學(xué)生按時完成線上課程的學(xué)習(xí)和測試，該部分的學(xué)習(xí)在期末成績的平時成績部分占一定比例。

3.1 教學(xué)安排調(diào)整

在教學(xué)過程中，對原課程的教學(xué)安排進行適當(dāng)調(diào)整，合理壓縮講授學(xué)時，壓縮下來的學(xué)時用于加強學(xué)生實踐。課程原教學(xué)安排為總學(xué)時72 學(xué)時，其中理論講授66 學(xué)時，實驗6 學(xué)時?；旌鲜浇虒W(xué)將MOOC 學(xué)習(xí)和課堂學(xué)習(xí)相結(jié)合，因此理論講授學(xué)時調(diào)整為56 學(xué)時，實驗學(xué)時調(diào)整為16學(xué)時。在總學(xué)時不變的情況下，增加實驗學(xué)時能開展更多的實踐訓(xùn)練。

3.2 教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)

按照新工科建設(shè)的要求和混合式教學(xué)的特點，以問題驅(qū)動為導(dǎo)向，結(jié)合虛擬實驗平臺對原有教學(xué)內(nèi)容進行重構(gòu)，構(gòu)建并實施了符合新工科理念的線上與線下相結(jié)合、基礎(chǔ)理論與工程實踐閉環(huán)雙反饋的“計算機組成原理”混合式教學(xué)模式。將教學(xué)內(nèi)容分為基礎(chǔ)知識、核心知識和能力訓(xùn)練項目，分別對應(yīng)SPOC 線上自學(xué)、線上線下混合式教學(xué)和實驗教學(xué)。充分利用MOOC 資源和Educoder 實踐平臺等線上資源，分階段分層次地傳授知識和鍛煉能力。在實驗教學(xué)方面，利用Logisim平臺的優(yōu)勢，設(shè)計“點面結(jié)合，遞進綜合”的實驗項目，構(gòu)建以設(shè)計性實驗為主，覆蓋完整計算機系統(tǒng)的計算機組成原理實驗體系。實驗教學(xué)項目緊扣理論教學(xué)知識點，理論與實驗教學(xué)融為一體，互為支撐，實現(xiàn)了理論實踐一體化。

3.3 教學(xué)模式實施

在理論教學(xué)方面，采用“課堂教學(xué)+MOOC+SPOC+雨課堂”的混合教學(xué)模式?；谌A中科技大學(xué)“計算機組成原理”國家精品MOOC 資源，學(xué)生提前完成指定章節(jié)的視頻內(nèi)容學(xué)習(xí)，參加在線測試，參與討論；在SPOC 資源中，補充了重難點知識的講解，適當(dāng)增加了本校課程大綱的測試練習(xí)；在課堂教學(xué)中，啟發(fā)學(xué)生探究重難點，拓寬知識面，注重計算機整機框架的搭建；雨課堂既可以對學(xué)生課前學(xué)習(xí)的內(nèi)容進行檢測，也可以在課堂教學(xué)過程中隨時檢查學(xué)生對某個知識點掌握的情況，并及時地進行重點講解。課后測試包括線下作業(yè)、線上單元測試、總結(jié)報告等。實驗教學(xué)中，除了與理論課共有的MOOC 和SPOC 資源外，同時選用了“計算機硬件系統(tǒng)設(shè)計”作為實驗匹配的MOOC用于學(xué)生課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)部分實驗內(nèi)容。實驗過程中實現(xiàn)了自動測評實驗結(jié)果，并通過測評結(jié)果的反饋定位設(shè)計錯誤，改進設(shè)計，強化系統(tǒng)驗證能力培養(yǎng)直到完成當(dāng)前實驗。

3.4 教學(xué)效果評價

針對2020—2021 第2 學(xué)期我校計算機類10 個班開展課程教學(xué)改革實踐，部分問卷調(diào)查反饋結(jié)果見表1。通過問卷表明，學(xué)生普遍認可混合式教學(xué)改革模式，對課程的目標(biāo)有了更清楚的認識，問題分析能力、動手實踐能力、交流溝通能力和文檔寫作能力有了明顯提升，增強了學(xué)生的主動性和積極性。

表1 課程學(xué)習(xí)問卷統(tǒng)計

4 結(jié)語

在充分認識新工科背景下計算機專業(yè)人才創(chuàng)新能力和系統(tǒng)能力培養(yǎng)重要性的基礎(chǔ)上，本文給出了“計算機組成原理”課程在混合式教學(xué)中的建設(shè)思路與教學(xué)實踐。通過實踐分析，可以看出該方案的實施不僅有利于提升學(xué)生的實踐能力，而且通過引入線上資源和平臺，個性化教學(xué)，能更好地落實以學(xué)生為中心的教學(xué)理念。