新工科背景下計算機組成原理課程混合式教學(xué)的改革探索

摘要：為應(yīng)對新工科建設(shè)的需要，計算機組成原理課程需從傳統(tǒng)的教學(xué)模式中走出來，將混合式教學(xué)模式應(yīng)用到課程中。文章首先分析了傳統(tǒng)教學(xué)模式下的教學(xué)現(xiàn)狀，再結(jié)合新工科建設(shè)要求，從課程內(nèi)容體系、教學(xué)模式入手，構(gòu)建了混合式教學(xué)改革模式，從課前準(zhǔn)備、課中講授、課后總結(jié)三個環(huán)節(jié)探討混合式教學(xué)的具體實施方法。就實施效果來看，課程改革成效顯著。該課程的改革探索激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動性，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，增強了團隊協(xié)作精神和創(chuàng)新能力，也為培養(yǎng)具有工程實踐能力的新型工科人才奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：新工科；計算機組成原理；混合式教學(xué)；改革

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）23-0165-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

新工科建設(shè)的本質(zhì)在于培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力、實踐能力和終身學(xué)習(xí)能力的新型工科人才。計算機組成原理是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門重要課程[1]，其教學(xué)目的在于使學(xué)生掌握計算機硬件各組成部件的原理，幫助學(xué)生建立計算機系統(tǒng)的整體概念，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計、開發(fā)計算機系統(tǒng)的能力，為進一步學(xué)習(xí)后續(xù)的專業(yè)課程和進行與硬件有關(guān)的技術(shù)工作打下基礎(chǔ)。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合成為新工科建設(shè)[2-3]的重要任務(wù)之一。課程應(yīng)適應(yīng)新工科建設(shè)對人才培養(yǎng)的要求，不斷探索教學(xué)改革措施，提高課堂教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力。

1 教學(xué)現(xiàn)狀

計算機組成原理是一門實踐性很強的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要涵蓋計算機系統(tǒng)的基本組成和工作原理，它是后續(xù)課程的基礎(chǔ)。該課程既要求學(xué)生具有堅實的理論基礎(chǔ)，又要有較強的工程實踐能力，以滿足實際應(yīng)用的需要。但是，傳統(tǒng)教學(xué)模式下的教學(xué)存在一定問題。

1.1 教學(xué)內(nèi)容相對陳舊，理論知識抽象難懂

一些課程內(nèi)容多聚焦于計算機硬件及底層工作原理，缺乏與當(dāng)前工程實踐緊密相關(guān)的背景知識，難以適應(yīng)計算機硬件技術(shù)快速發(fā)展、新技術(shù)層出不窮的現(xiàn)狀。對于原理性較強的內(nèi)容，須輔以大量詳盡的講解，且馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)計算機的五大部件復(fù)雜度高，概念抽象。加之從硬件層面剖析計算機運行原理，雖便于機器邏輯，卻有悖人的思維習(xí)慣，使得缺乏良好理論基礎(chǔ)的初學(xué)者在掌握計算機系統(tǒng)工作原理時面臨巨大挑戰(zhàn)，進而可能影響學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

1.2 學(xué)生學(xué)習(xí)方式不當(dāng)

當(dāng)前，眾多高校在教學(xué)大綱與教學(xué)設(shè)計上已較為完備，符合社會對計算機專業(yè)人才培養(yǎng)的期望。然而，一些學(xué)生長期形成的應(yīng)試習(xí)慣導(dǎo)致他們更傾向于死記硬背而非深入理解，學(xué)習(xí)過程中存在重記憶輕理解、作業(yè)敷衍了事等問題。學(xué)生過分依賴記憶，忽視對原理和內(nèi)在邏輯的探索，對作業(yè)和實驗缺乏足夠的重視，僅滿足于完成任務(wù)，缺乏深入思考與探索的精神。

1.3 教學(xué)手段單一化

傳統(tǒng)教學(xué)往往采用教師單向傳授、學(xué)生被動接受的模式，缺乏互動與探討的機會，可能限制了學(xué)生的參與度和主體性的發(fā)揮。此外，計算機領(lǐng)域日新月異，新技術(shù)、新理論層出不窮，而傳統(tǒng)教學(xué)方式因缺乏現(xiàn)代化技術(shù)支持，教學(xué)手段顯得單一，難以滿足學(xué)生多樣化的學(xué)習(xí)需求。一些傳統(tǒng)考核方式偏重期末考試或結(jié)合平時成績，對學(xué)生實際操作能力和工程應(yīng)用能力的評估不足，促使學(xué)生偏向理論學(xué)習(xí)而忽視實踐。

1.4 理論與實踐脫節(jié)

計算機組成原理作為一門理論與實踐并重的課程，盡管多數(shù)高校設(shè)置了實驗課程，但實驗內(nèi)容往往較為簡化，難以有效提升學(xué)生的動手能力和實際操作技能。以武昌工學(xué)院該課程為例，實驗設(shè)計的初衷是通過構(gòu)建可運行的模型機作為課堂教學(xué)的補充，幫助學(xué)生掌握計算機各組成部分及整機的工作原理。然而，在實際操作中，部分學(xué)生多依據(jù)實驗指導(dǎo)書進行連線與調(diào)試，僅觀察信號燈變化，卻對實驗原理知之甚少，不解信號燈背后的意義，更缺乏對變化原因的思考及實驗與理論間聯(lián)系的探索。若缺乏正確的引導(dǎo)，學(xué)生實踐能力將得不到實質(zhì)提升，對理論知識的理解也得不到深化。

2 新工科建設(shè)要求

新工科是以“新知識”“新產(chǎn)業(yè)”為核心特征的工程教育形態(tài)，旨在培養(yǎng)能夠適應(yīng)未來社會發(fā)展需求的工程技術(shù)人才。為契合新工科建設(shè)的需求，在計算機組成原理課程的教學(xué)模式中，需著重凸顯“新”的元素[4]，主要體現(xiàn)在兩方面：一是對知識體系和課程內(nèi)容的全面更新；二是對人才培養(yǎng)模式進行根本性的變革。這要求我們在傳授理論知識時，務(wù)必注重理論與實踐的結(jié)合，著重培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力及團隊協(xié)作精神；而在實踐環(huán)節(jié)，則需確保與后續(xù)課程的緊密銜接，使學(xué)生掌握現(xiàn)代計算機系統(tǒng)設(shè)計的方法論及實現(xiàn)技術(shù)。

基于新工科建設(shè)的指導(dǎo)原則和計算機組成原理課程的獨特性質(zhì)，筆者將該課程引入了混合式教學(xué)模式。通過這一改革嘗試，旨在構(gòu)建一套既符合新工科建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，又適應(yīng)“互聯(lián)網(wǎng)+”時代特征的混合式教學(xué)模式。

3 混合式教學(xué)模式構(gòu)建

混合式教學(xué)模式是一種新型教學(xué)模式，它以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體，依托在線學(xué)習(xí)平臺，巧妙融合現(xiàn)代教育技術(shù)，將線下課堂教學(xué)與線上網(wǎng)絡(luò)教學(xué)無縫對接。線下課堂教學(xué)側(cè)重知識的直接傳授，學(xué)生在此過程中相對被動地接收信息；而線上網(wǎng)絡(luò)課堂教學(xué)則更側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新思維，并關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)過程與思維方式的塑造。

混合式教學(xué)模式主要由課前準(zhǔn)備、課堂講授與課后總結(jié)三個環(huán)節(jié)構(gòu)成。1） 課前準(zhǔn)備是實施混合式教學(xué)的基礎(chǔ)。在此環(huán)節(jié)中，教師須精心設(shè)計問題，引導(dǎo)學(xué)生在線上自主預(yù)習(xí)相關(guān)知識，并將相關(guān)資源提前上傳至教學(xué)資源平臺，以便學(xué)生提前進行自主學(xué)習(xí)。學(xué)生可結(jié)合自身學(xué)習(xí)狀況，更好地掌握教學(xué)的重點和難點。2） 課堂講授則是教師與學(xué)生進行知識交流與互動的主要平臺。在實際講授過程中，通過問題驅(qū)動教學(xué)法[5]來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升其實踐能力和團隊協(xié)作能力；借助案例教學(xué)，增強學(xué)生的實際問題解決能力，提高其思考與分析能力；同時，采用互動式教學(xué)，增加學(xué)生的課堂參與度，培養(yǎng)其溝通與合作能力。3） 課后總結(jié)環(huán)節(jié)則是對課堂講授內(nèi)容的深化與拓展。通過復(fù)習(xí)式總結(jié)，幫助學(xué)生回顧課堂內(nèi)容，鞏固所學(xué)知識點，加深對知識點的理解和記憶；而思考式總結(jié)則引導(dǎo)學(xué)生對課堂內(nèi)容進行深入反思與總結(jié)，進一步培養(yǎng)其思維能力和創(chuàng)新能力。

具體混合式教學(xué)模式如圖1所示。

4 課程混合式教學(xué)具體實施方法

在計算機組成原理課程的混合式教學(xué)中，我們根據(jù)設(shè)計的混合式教學(xué)模式，將課前準(zhǔn)備、課堂講授和課后總結(jié)三個環(huán)節(jié)緊密結(jié)合，成功地將學(xué)生的學(xué)習(xí)模式從“被動接受”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃訉W(xué)習(xí)”，顯著提升了他們的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。

4.1 課前準(zhǔn)備

在混合式教學(xué)的課前準(zhǔn)備階段，教師需充分利用網(wǎng)絡(luò)平臺引導(dǎo)學(xué)生進行線上自主預(yù)習(xí)。教師應(yīng)以學(xué)生為主體，制定明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)和計劃，并準(zhǔn)備多樣化的教學(xué)資源。同時，還需組織學(xué)生進行分組討論，以促進學(xué)習(xí)交流與合作。具體包括以下方面：

1） 制定學(xué)習(xí)目標(biāo)和計劃。課程開始前，教師應(yīng)制定具體的學(xué)習(xí)目標(biāo)和計劃，明確學(xué)生需掌握的知識點和技能，并據(jù)此制定教學(xué)計劃。同時，需與學(xué)生充分溝通，了解他們的學(xué)習(xí)狀況和需求，以制定符合實際情況的學(xué)習(xí)計劃[6]。

2） 建立線上平臺，準(zhǔn)備教學(xué)資源。教師在線上平臺建立相應(yīng)的課程和學(xué)習(xí)資源，包括課程介紹、課程視頻、課件、作業(yè)、課件、案例、實驗等。教師在對線上平臺充分的熟悉和掌握下需要及時回答學(xué)生在平臺上提出的問題和建議。

3） 引導(dǎo)學(xué)生自主預(yù)習(xí)。在課程開始前，教師應(yīng)通過線上平臺發(fā)布預(yù)習(xí)任務(wù)和資料，引導(dǎo)學(xué)生自主預(yù)習(xí)，對課程內(nèi)容形成初步了解。同時，需關(guān)注學(xué)生預(yù)習(xí)情況，及時解答疑問。

4） 組織學(xué)生分組討論。為了促進學(xué)生的學(xué)習(xí)交流和合作，教師需要組織學(xué)生進行分組討論。教師可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和興趣愛好，將學(xué)生分為若干小組，并安排相應(yīng)的討論主題和時間。教師需要及時跟進學(xué)生的討論情況，并給予相應(yīng)的指導(dǎo)和建議。

4.2 課中講授

在課堂講授階段，教師應(yīng)綜合運用問題驅(qū)動教學(xué)、案例教學(xué)和互動式教學(xué)等方法，以學(xué)生為主體，實現(xiàn)高效教學(xué)。同時，需關(guān)注學(xué)生的學(xué)情，及時給予反饋和評價，促進其全面發(fā)展。此外，還應(yīng)注重理論與實踐相結(jié)合，不斷豐富和完善課程教學(xué)內(nèi)容，以滿足工程實際需求。具體實施過程包括：

1） 問題驅(qū)動教學(xué)。在課堂授課之初，教師提出具有啟發(fā)性的問題，引導(dǎo)學(xué)生思考和探究。根據(jù)課程內(nèi)容和學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，設(shè)計相應(yīng)的問題，讓學(xué)生在課堂上進行討論和解答，以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。

2） 案例教學(xué)。根據(jù)授課前準(zhǔn)備的典型案例，讓學(xué)生通過對案例的分析和討論，深入理解課程內(nèi)容。教師可以選擇與計算機組成原理相關(guān)的實際應(yīng)用案例，讓學(xué)生了解計算機組成原理在實際中的應(yīng)用，提高學(xué)生的實踐能力。

3） 互動式教學(xué)。在講授過程中，適時與學(xué)生進行互動，包括提問、討論、小組合作等。通過分組討論、問題搶答等方式提高學(xué)生的課堂參與度，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)積極性和主動性。

4.3 課后總結(jié)

課后總結(jié)階段充分發(fā)揮學(xué)生的積極性和主動性。首先，鼓勵學(xué)生進行復(fù)習(xí)式總結(jié)，通過觀看在線視頻、閱讀課程講義等方式鞏固課堂所學(xué)知識；同時，引導(dǎo)學(xué)生進行思考式總結(jié)，以小組為單位對課程內(nèi)容進行深入探討，提出問題、發(fā)表觀點，加深對知識點的理解；在完成項目作業(yè)的過程中，學(xué)生不僅需要運用所學(xué)知識，還要進行團隊協(xié)作和溝通，有效提高動手能力和團隊協(xié)作能力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

5 課程改革成效分析

計算機組成原理混合式教學(xué)改革主要從課程內(nèi)容體系、教學(xué)模式等方面進行，從實施效果來看，課程改革成效顯著，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1） 學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣顯著提高，學(xué)生學(xué)習(xí)自主性和自覺性明顯增強。

2） 學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力提高，知識體系更加完善、知識結(jié)構(gòu)更加合理、創(chuàng)新能力得到加強。

3） 學(xué)生的團隊協(xié)作精神得到了提升，通過小組合作探究解決問題的能力明顯提高。

4） 學(xué)生分析問題、解決問題的綜合能力得到了加強，通過對計算機組成原理課程知識點的綜合運用，培養(yǎng)了學(xué)生工程實踐能力和創(chuàng)新意識。

6 結(jié)束語

目前，在國家新工科建設(shè)的積極推動下，教學(xué)改革正蓬勃開展。針對新工科建設(shè)的需求，筆者從教學(xué)內(nèi)容體系、教學(xué)模式等維度出發(fā)，設(shè)計并實施了基于混合式教學(xué)的計算機組成原理課程改革方案，且已在具體教學(xué)中得到應(yīng)用。同時，筆者也清醒地認識到，傳統(tǒng)的線上線下教學(xué)模式仍存在局限性。在線下教學(xué)中，學(xué)生課堂參與度不高，教師難以及時掌握學(xué)生的提問與學(xué)習(xí)動態(tài)；而在線上教學(xué)中，教師則無法直觀了解學(xué)生的實時學(xué)習(xí)狀況。因此，在推進線上線下混合教學(xué)的過程中，強化師生間的互動顯得尤為重要，同時應(yīng)加強對學(xué)生的課前引導(dǎo)與課后評價。唯有如此，方能不斷完善混合式教學(xué)模式，進而提升課堂效率，并有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性。實踐表明，在新工科背景下，計算機組成原理課程的教學(xué)改革已取得了顯著成效。

然而，研究盡管取得了一定成果，但受限于研究時間和資源等因素，混合式教學(xué)方式仍有待進一步精細化，在線學(xué)習(xí)平臺的功能與體驗也有待優(yōu)化。此外，如何更科學(xué)、合理地量化學(xué)生的各項學(xué)習(xí)成果，也是未來研究中亟待解決的問題。展望未來，我們將繼續(xù)深入探索混合式教學(xué)改革在高等教育課程中的應(yīng)用，以期為推動整體教學(xué)改革與發(fā)展貢獻力量。

參考文獻：

[1] 丁男，宋嘉琳，董校，等.基于混合式教學(xué)模式的計算機組成原理課程建設(shè)[J].計算機教育，2021（8）：71-74.

[2] 季超越，王杰，丁丹.新工科背景下醫(yī)工類專業(yè)數(shù)學(xué)課程體系構(gòu)建研究[J].科技風(fēng)，2023（23）：126-128.

[3] 李國舉，劉戰(zhàn)合，張昕喆，等.新工科背景下線上線下混合式教學(xué)改革探究——以飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計課程為例[J].科教導(dǎo)刊，2022（23）：49-51.

[4] 李姍珊，尹海云，趙儉斌.新工科課程的線上線下混合式教學(xué)改革與探索[J].對外經(jīng)貿(mào)，2022（7）：157-160.

[5] 李亞，孟順建，王海瑞，等.計算機組成原理課程的任務(wù)驅(qū)動式混合教學(xué)模式設(shè)計與實踐[J].計算機教育，2022（8）：20-24.

[6] 盧欣欣，李靖，郭麗萍，等.新工科背景下計算機應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)研究[J].科技與創(chuàng)新，2022（8）：104-107.

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