新工科背景下“计算机组成原理”课程混合式教学改革与实践

2022-07-01张永清刘双虎彭商濂

科教导刊 2022年13期

张永清，刘双虎，彭商濂

（成都信息工程大学计算机学院，四川成都 610225）

引言

在新一轮科技革命和产业革命加速的背景下，2017 年2 月，教育部发布了《高等教育司关于开展“新工科”研究与实践的通知》，经过复旦共识、天大行动、北京指南三部曲，新工科建设正进入扎实再深化阶段。在新工科建设的背景下，借助慕课资源在线形式的灵活配置，采取在线和课堂相结合的混合式教学，改进教学方式，提升教学效果，更好地实现以学生为中心的教学。

“计算机组成原理”是计算机专业的核心基础课，在课程体系中起着承上启下的作用。随着新兴科技的不断发展和新设备的应用，传统的教学模式和教学内容已不能满足高素质工程人才的培养需求。因此，深入分析课程教学所面临的主要问题，探索在“新工科”背景下课程的混合式教学建设思路及实践，对提升计算机专业人才的创新能力和系统能力的培养质量具有重要意义。

1 课程教学面临的困境

1.1 教学内容较多，基本概念抽象

“计算机组成原理”课程以冯诺依曼思想为基础，重点介绍运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件的基本原理及其互连构成整机的技术，知识点涉及面广，基本概念抽象。

1.2 教学方式单一，学生缺乏兴趣

传统的教学方式是“教师讲、学生听”，学生缺少主动积极地学习。大部分同学没有预习内容，课堂参与度较低，主讲教师主要是内容讲解，学生基本上是填鸭式学习，缺少思考。目前，计算机组成原理课程普遍重理论教学，忽视实践能力培养，缺乏实际应用背景，容易导致学生对课程缺乏兴趣。

1.3 实践教学困难，能力培养不足

传统的课程实验大都采用唐都仪器实验箱，主要通过连线操作来实现相应的电路，实验内容与器件固定，学生按固定步骤连线/拨动开关即可，大部分是验证性实验，无法实现综合性较强的设计实验。从而导致实验效率低、效果差，无法真正实现设计性实验，无法培养系统能力和解决复杂工程问题的能力。

2 新工科背景下“计算机组成原理”课程混合式教学建设思路

2.1 融入创新理念

新工科是为响应当前的产业和技术革命而提出的一种全新的教育理念，在建设的途径上，要主动面向未来，要坚持以问题为导向，不断创新教学模式、教学理念、教学方法。对于“计算机组成原理”课程建设，需要深入挖掘课程在计算机专业中系统能力的培养，将新工科理念融入课程的教学和实践中，充分发挥课程的系统能力培养和复杂工程问题解决的主导作用，培养出符合时代要求的专业技术人才。

2.2 重构教学内容

当前计算机科学技术与人工智能技术迅速发展促使知识不断更新迭代，因此要求教学内容要及时更新，以提高学生的兴趣，培养学生更加广阔的视野。此外，可以充分挖掘在计算机领域对学生的三观起到正确引导的思政案例，充分落实立德树人的根本任务。在混合式教学模式中，可以随时吸收新的知识和技术，一改过去固定不变的教材形式，以动态可变的教学内容呈现，更好地为学生提供个性化教学，真正做到以学生为中心的教学。

2.3 创新教学方法

在新工科教育理念下，如何进一步创新教学方法，激发学生的学习兴趣是一个重要的课题。如何对学生加以引导，激发学习兴趣，使学生在一定程度上自觉认真学习，并培养其使命感？混合式教学是一种新的教学模式，可以充分融合不同的教学方法和教学手段，可以充分利用线上资源，通过任务驱动法和激励法，要求学生进行课前自学和课后复习。混合式教学模式可以使学生随时随地地学习，扩大了教学知识量，促进学生自主学习。

2.4 建设虚拟平台

近年来，随着虚拟仿真技术的发展和平台建设，有效弥补了实验操作课程的不足。引入Logisim 虚拟仿真平台替代实体硬件实验箱，实现了由实体硬件到虚拟仿真实验的转变。虚拟仿真实验平台的建设解决了硬件实验调试困难、成本高，维护工作量大、难于课下继续或重复进行实验的问题，提高了实验效果与实验效率。

3 “计算机组成原理”混合式教学实践

“计算机组成原理”课程是成都信息工程大学计算机类专业的必修课之一，在整个本科生培养方案中，具有重要的地位。该课程是在中国高校计算机教育MOOC 联盟线上线下改革混合式教学改革项目和学校本科教学工程项目的资助下逐步建设改革的。课程线上教学采用MOOC平台+异步SPOC 授课+Educoder 实验平台，对应资源为华中科技大学秦磊华、谭志虎团队的“计算机组成原理”国家精品课，此课程与选取教材配套，在该线上课程基础上进行适当修改，适时地发布预习、复习、测试、考试任务，要求学生按时完成线上课程的学习和测试，该部分的学习在期末成绩的平时成绩部分占一定比例。

3.1 教学安排调整

在教学过程中，对原课程的教学安排进行适当调整，合理压缩讲授学时，压缩下来的学时用于加强学生实践。课程原教学安排为总学时72 学时，其中理论讲授66 学时，实验6 学时。混合式教学将MOOC 学习和课堂学习相结合，因此理论讲授学时调整为56 学时，实验学时调整为16学时。在总学时不变的情况下，增加实验学时能开展更多的实践训练。

3.2 教学内容重构

按照新工科建设的要求和混合式教学的特点，以问题驱动为导向，结合虚拟实验平台对原有教学内容进行重构，构建并实施了符合新工科理念的线上与线下相结合、基础理论与工程实践闭环双反馈的“计算机组成原理”混合式教学模式。将教学内容分为基础知识、核心知识和能力训练项目，分别对应SPOC 线上自学、线上线下混合式教学和实验教学。充分利用MOOC 资源和Educoder 实践平台等线上资源，分阶段分层次地传授知识和锻炼能力。在实验教学方面，利用Logisim平台的优势，设计“点面结合，递进综合”的实验项目，构建以设计性实验为主，覆盖完整计算机系统的计算机组成原理实验体系。实验教学项目紧扣理论教学知识点，理论与实验教学融为一体，互为支撑，实现了理论实践一体化。

3.3 教学模式实施

在理论教学方面，采用“课堂教学+MOOC+SPOC+雨课堂”的混合教学模式。基于华中科技大学“计算机组成原理”国家精品MOOC 资源，学生提前完成指定章节的视频内容学习，参加在线测试，参与讨论；在SPOC 资源中，补充了重难点知识的讲解，适当增加了本校课程大纲的测试练习；在课堂教学中，启发学生探究重难点，拓宽知识面，注重计算机整机框架的搭建；雨课堂既可以对学生课前学习的内容进行检测，也可以在课堂教学过程中随时检查学生对某个知识点掌握的情况，并及时地进行重点讲解。课后测试包括线下作业、线上单元测试、总结报告等。实验教学中，除了与理论课共有的MOOC 和SPOC 资源外，同时选用了“计算机硬件系统设计”作为实验匹配的MOOC用于学生课前预习和课后复习部分实验内容。实验过程中实现了自动测评实验结果，并通过测评结果的反馈定位设计错误，改进设计，强化系统验证能力培养直到完成当前实验。