面向工程教育認證的計算機組成原理教改實踐探究

沈丹瑩

（閩江學(xué)院計算機與控制工程學(xué)院，福建 福州 350108)

1 引言

工程教育專業(yè)認證以“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進”為基本理念，是推進工程人才培養(yǎng)質(zhì)量提升、推動專業(yè)發(fā)展進入快車道，建設(shè)“一流專業(yè)”的重要舉措[1]。閩江學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)獲批2021年度國家一流本科專業(yè)建設(shè)點，參與并通過教育部工程教育認證勢在必行。積極參與并推動工程教育認證是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)每一位教師的責(zé)任，為此，本文以專業(yè)核心課程——計算機組成原理為例進行教學(xué)改革探索與實踐。

2 計算機組成原理課程教學(xué)現(xiàn)狀

學(xué)習(xí)計算機組成原理課程，能夠使學(xué)生系統(tǒng)地了解計算機各功能部件的邏輯組成與運行機制，形成計算機整機概念，為今后學(xué)習(xí)計算機操作系統(tǒng)、ARM體系與接口技術(shù)等專業(yè)課程打好基礎(chǔ)。它是計算機及其相關(guān)專業(yè)本科學(xué)生的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的核心課程之一，在計算機專業(yè)教學(xué)中占有重要的地位和作用。但由于課程涉及計算機系統(tǒng)底層硬件，內(nèi)容比較抽象且碎片化，同時在日常教學(xué)中存在教具缺乏、學(xué)校實驗條件欠佳等問題，學(xué)生普遍反映學(xué)習(xí)難度較大，無法準(zhǔn)確把握課程的重點與難點，期末考核成績不夠理想；另外，課程考核方式比較單一，過程性評價與監(jiān)督機制不足，難以支持其對學(xué)生能力培養(yǎng)的要求。

3 面向工程教育認證的計算機組成原理教學(xué)改革

過去實行的教育關(guān)注點聚焦在教師如何教好學(xué)生，而如今工程教育認證注重的是學(xué)生如何學(xué)好課程，它使得“學(xué)生為中心”第一次有了明確合理的體系框架。以生為本，任課教師必須明確學(xué)完這門課程學(xué)生應(yīng)具備的能力是什么，為什么要讓學(xué)生具備這些能力，如何有效地幫助學(xué)生具備這些能力以及評價這些能力的方法和手段有哪些[2]。下文從教學(xué)思路改革、教學(xué)方法與手段改革、教學(xué)案例設(shè)計與持續(xù)改進措施四個方面闡述計算機組成原理教學(xué)改革的具體實踐。

3.1 計算機組成原理教學(xué)思路改革

1)課程教學(xué)目標(biāo)的分解。工程教育認證在培養(yǎng)目標(biāo)、畢業(yè)要求、持續(xù)改進等7個方面有明確的規(guī)定和具體要求。其中“畢業(yè)要求”是培養(yǎng)目標(biāo)達成的重要支撐，畢業(yè)要求達成度評價是衡量學(xué)生學(xué)習(xí)成果的重要手段。基于OBE的理念，將閩江學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的12項畢業(yè)要求指標(biāo)點進行拆解，再將指標(biāo)點映射到具體課程，畢業(yè)要求的達成依賴于課程教學(xué)目標(biāo)的達成。計算機組成原理課程的教學(xué)目標(biāo)可分解為4個小點，分別與其4個畢業(yè)要求指標(biāo)點一一對應(yīng)[3]。課程教學(xué)目標(biāo)1為掌握組成原理基礎(chǔ)知識，并能用于理解計算機體系結(jié)構(gòu)；課程教學(xué)目標(biāo)2為掌握組成原理的基本原理與基本方法，并能對計算機系統(tǒng)設(shè)計方案進行推理和驗證；課程教學(xué)目標(biāo)3為掌握處理器及微體系結(jié)構(gòu)層的相關(guān)原理，進一步提高學(xué)生對組成原理復(fù)雜工程問題進行分析和解決的能力；課程教學(xué)目標(biāo)4為能夠系統(tǒng)地理解計算機各功能部件的邏輯組成與運行機制，形成計算機整機概念，提高學(xué)生對復(fù)雜工程問題進行研究的能力。課程教學(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求對應(yīng)關(guān)系如下表所示。

表1 課程教學(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求的對應(yīng)關(guān)系

2)建立教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)之間的對應(yīng)關(guān)系。課程教學(xué)內(nèi)容由各個知識章節(jié)組成，為了實現(xiàn)課程教學(xué)目標(biāo)，必須將知識章節(jié)映射到教學(xué)目標(biāo)，同時明確各章節(jié)與能力培養(yǎng)的關(guān)系。如表2所示，計算機系統(tǒng)概論、系統(tǒng)總線、存儲器及輸入輸出系統(tǒng)皆對應(yīng)教學(xué)目標(biāo)1和4，計算機系統(tǒng)概論不做實際考核，只是強調(diào)目標(biāo)1能力的培養(yǎng)，后三者是目標(biāo)1的考核內(nèi)容；計算機的運算方法與指令系統(tǒng)對應(yīng)教學(xué)目標(biāo)2和4，考核教學(xué)目標(biāo)2；CPU的結(jié)構(gòu)和功能、控制單元的功能和設(shè)計對應(yīng)教學(xué)目標(biāo)3和4，考核教學(xué)目標(biāo)3；組成原理實驗對應(yīng)教學(xué)目標(biāo)4。在對應(yīng)教學(xué)目標(biāo)4的知識章節(jié)中，除實驗對目標(biāo)4需進行考核外，其余章節(jié)僅與能力培養(yǎng)有關(guān)而不必進行具體考核。

表2 知識章節(jié)與教學(xué)目標(biāo)

上表中：C：Covered，E：Emphasized，AE：Assessed&Evaluated。

3)將課程考核方式關(guān)聯(lián)到教學(xué)目標(biāo)。課程教學(xué)目標(biāo)是否能夠達成需經(jīng)由課程考核得以衡量，在學(xué)期初將課程考核方式與占比以及評分標(biāo)準(zhǔn)等向?qū)W生公布。擴充課程過程性評價考核項目，增加階段小測，加強學(xué)生學(xué)習(xí)過程的監(jiān)督與評價。作業(yè)小測、課堂提問與實驗，三項成績均為五級制，期末總評時再換算成百分制以便衡量教學(xué)目標(biāo)的達成度?？己朔绞脚c教學(xué)目標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系如表3所示。

表3 課程考核方式

3.2 計算機組成原理教學(xué)方法與教學(xué)手段改革

1)將碎片化的教學(xué)內(nèi)容模塊化，形成完整的知識體系。針對課程的特點將組成原理內(nèi)容模塊化，大致分為計算機系統(tǒng)概論、系統(tǒng)總線、存儲器（包括主存儲器、高速緩沖存儲器和輔助存儲器）、輸入輸出系統(tǒng)、中央處理器（包括運算方法、指令系統(tǒng)及CPU的結(jié)構(gòu)與功能）、控制單元（包括功能與設(shè)計）六大模塊。從計算機系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)入手，由整體到局部，由外圍到核心，結(jié)合計算機組成發(fā)展的趨勢，重點通過例題講解來加深學(xué)生對各個知識點的理解和掌握，幫助他們學(xué)會將知識和原理應(yīng)用于實際問題的分析和解決，從而達到能力培養(yǎng)的目的[4]。

2)知識章節(jié)結(jié)束時幫助學(xué)生進行階段小結(jié)。在每個知識章節(jié)結(jié)束時，以提問的方式引導(dǎo)學(xué)生概括出該章節(jié)的主要內(nèi)容和重點難點，并提出還存在疑問的地方。這個方法可以幫助學(xué)生回顧已學(xué)內(nèi)容，進行自我總結(jié)，教師可及時解答學(xué)生的疑難問題，促進學(xué)生對知識的理解和消化，促成教學(xué)目標(biāo)的達成。自我階段小結(jié)是過程評價的手段之一，可作為課堂提問成績評價的依據(jù)。

3)安排學(xué)生參與出題，利用超星學(xué)習(xí)通App進行階段小測。階段小結(jié)之后隨即進行階段小測，打破傳統(tǒng)由教師出題的模式，代之以學(xué)生出題，提高他們學(xué)習(xí)的主動性。課程一學(xué)期共進行6次小測，將學(xué)生分組，每組學(xué)生負責(zé)其中的一次小測出題。學(xué)生需根據(jù)階段小結(jié)得出的課程重點和難點知識出題，每次小測的題目由教師審核修改后發(fā)布進行測試。被選中題目最多的小組，每人在過程性評價的作業(yè)小測項得到額外加分。小測題型為選擇和填空，用時10～15分鐘，除計算機系統(tǒng)概論外，在講授新章節(jié)之前均利用課外時間進行在線小測。這種方式不僅能夠及時跟蹤檢查學(xué)生對知識的掌握情況，而且極大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性；教師可對小測出錯率高的題目進行講評梳理以達到及時查缺補漏鞏固知識的目的。階段小測是過程性評價與監(jiān)督的有效方法，可為教學(xué)目標(biāo)的達成提供有力保障。

4)選用學(xué)生助教幫助作業(yè)批改與實驗指導(dǎo)。善于利用榜樣的力量促進班級學(xué)習(xí)氛圍的形成。招聘高年級已學(xué)習(xí)過計算機組成原理且成績優(yōu)秀的學(xué)生擔(dān)任課程助教，協(xié)助教師進行作業(yè)批改和實驗指導(dǎo)，讓學(xué)生在與優(yōu)秀助教的溝通交流中受到潛移默化的影響，培養(yǎng)自覺學(xué)習(xí)的好習(xí)慣。助教參與實驗指導(dǎo)既加強了對學(xué)生自主實驗的監(jiān)督力度，還可及時發(fā)現(xiàn)存在問題的實驗設(shè)備，及時聯(lián)系廠家進校維修，確保后續(xù)實驗課能夠正常上課。

3.3 計算機組成原理教學(xué)案例設(shè)計

下面以組成原理教學(xué)中的重點難點內(nèi)容——“存儲器容量的擴展”為例進行課前、課中和課后教學(xué)活動的設(shè)計（表4)，遵循“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，授課過程中采用提問法、練習(xí)法與案例分析法引導(dǎo)學(xué)生做學(xué)習(xí)的主人，在體會到主動學(xué)習(xí)樂趣的同時掌握存儲器容量擴展的要訣[5]。

表4 教學(xué)活動案例設(shè)計

3.4 教學(xué)成效與持續(xù)改進措施

經(jīng)過對2020級計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)一個學(xué)期的教學(xué)實施，取得了一定的教學(xué)成效，學(xué)生普遍反映學(xué)習(xí)主動性得到提高，學(xué)習(xí)獲得感得到了一定的增強。學(xué)期期末考核后發(fā)現(xiàn)：課程目標(biāo)1與課程目標(biāo)4達成情況較好，表明學(xué)生對組成原理的重點基礎(chǔ)知識掌握較好，并且建立了較完備的計算機整機概念。課程目標(biāo)2、3達成度較低，目標(biāo)2主要考查計算機的運算方法和指令格式的設(shè)計原則，目標(biāo)3主要考查CPU的結(jié)構(gòu)和功能以及控制單元的功能。反映學(xué)生對組成原理的某些基本理論掌握得不夠扎實，將理論應(yīng)用于實際問題、分析和解決實際問題的能力還比較薄弱。

針對以上情況，今后的課程教學(xué)考慮從以下三個方面進行改進：

1)加強學(xué)生的計算能力訓(xùn)練，盡力減少計算錯誤；針對學(xué)生掌握薄弱的知識點，如擴展操作碼編碼技術(shù)、中斷屏蔽字的設(shè)置、流水線時空圖的做法以及微指令格式的設(shè)計，增加案例講解和練習(xí)力度。

2)調(diào)整教學(xué)進度和內(nèi)容安排，適當(dāng)弱化其他非重點知識的介紹，騰出足夠時間為重點知識服務(wù)。

3)在課堂教學(xué)中增加更多的互動環(huán)節(jié)，關(guān)注學(xué)生掌握程度，及時調(diào)整教學(xué)方法。

4 結(jié)束語

本文以計算機組成原理課程為例，闡述了工程教育認證背景下該課程的教學(xué)改革思路與具體實施情況。教學(xué)是一個不斷迭代和持續(xù)改進的過程，根據(jù)課程教學(xué)目標(biāo)以及培養(yǎng)成效的評價結(jié)果，可以分析課程教學(xué)的成效和存在的問題。參與工程教育認證的過程也是教學(xué)人員不斷發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，改進教學(xué)的過程。在“以學(xué)生為中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進”的基本理念指導(dǎo)下，積極推進工程教育認證工作，促進專業(yè)建設(shè)與人才培養(yǎng)的目標(biāo)早日達成。