新工科背景下“計算機組成原理”課程混合式教學改革與實踐

張永清，劉雙虎，彭商濂

（成都信息工程大學計算機學院，四川 成都 610225）

引言

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

“計算機組成原理”是計算機專業的核心基礎課，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展和新設備的應用，傳統的教學模式和教學內容已不能滿足高素質工程人才的培養需求。因此，深入分析課程教學所面臨的主要問題，探索在“新工科”背景下課程的混合式教學建設思路及實踐，對提升計算機專業人才的創新能力和系統能力的培養質量具有重要意義。

1 課程教學面臨的困境

1.1 教學內容較多，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，重點介紹運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五大部件的基本原理及其互連構成整機的技術，知識點涉及面廣，基本概念抽象。

1.2 教學方式單一，學生缺乏興趣

傳統的教學方式是“教師講、學生聽”，學生缺少主動積極地學習。大部分同學沒有預習內容，課堂參與度較低，主講教師主要是內容講解，學生基本上是填鴨式學習，缺少思考。目前，計算機組成原理課程普遍重理論教學，忽視實踐能力培養，缺乏實際應用背景，容易導致學生對課程缺乏興趣。

1.3 實踐教學困難，能力培養不足

傳統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相應的電路，實驗內容與器件固定，學生按固定步驟連線/撥動開關即可，大部分是驗證性實驗，無法實現綜合性較強的設計實驗。從而導致實驗效率低、效果差，無法真正實現設計性實驗，無法培養系統能力和解決復雜工程問題的能力。

2 新工科背景下“計算機組成原理”課程混合式教學建設思路

2.1 融入創新理念

新工科是為響應當前的產業和技術革命而提出的一種全新的教育理念，在建設的途徑上，要主動面向未來，要堅持以問題為導向，不斷創新教學模式、教學理念、教學方法。對于“計算機組成原理”課程建設，需要深入挖掘課程在計算機專業中系統能力的培養，將新工科理念融入課程的教學和實踐中，充分發揮課程的系統能力培養和復雜工程問題解決的主導作用，培養出符合時代要求的專業技術人才。

2.2 重構教學內容

當前計算機科學技術與人工智能技術迅速發展促使知識不斷更新迭代，因此要求教學內容要及時更新，以提高學生的興趣，培養學生更加廣闊的視野。此外，可以充分挖掘在計算機領域對學生的三觀起到正確引導的思政案例，充分落實立德樹人的根本任務。在混合式教學模式中，可以隨時吸收新的知識和技術，一改過去固定不變的教材形式，以動態可變的教學內容呈現，更好地為學生提供個性化教學，真正做到以學生為中心的教學。

2.3 創新教學方法

在新工科教育理念下，如何進一步創新教學方法，激發學生的學習興趣是一個重要的課題。如何對學生加以引導，激發學習興趣，使學生在一定程度上自覺認真學習，并培養其使命感？混合式教學是一種新的教學模式，可以充分融合不同的教學方法和教學手段，可以充分利用線上資源，通過任務驅動法和激勵法，要求學生進行課前自學和課后復習。混合式教學模式可以使學生隨時隨地地學習，擴大了教學知識量，促進學生自主學習。

2.4 建設虛擬平臺

近年來，隨著虛擬仿真技術的發展和平臺建設，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，實現了由實體硬件到虛擬仿真實驗的轉變。虛擬仿真實驗平臺的建設解決了硬件實驗調試困難、成本高，維護工作量大、難于課下繼續或重復進行實驗的問題，提高了實驗效果與實驗效率。

3 “計算機組成原理”混合式教學實踐

“計算機組成原理”課程是成都信息工程大學計算機類專業的必修課之一，在整個本科生培養方案中，具有重要的地位。該課程是在中國高校計算機教育MOOC 聯盟線上線下改革混合式教學改革項目和學校本科教學工程項目的資助下逐步建設改革的。課程線上教學采用MOOC平臺+異步SPOC 授課+Educoder 實驗平臺，對應資源為華中科技大學秦磊華、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，在該線上課程基礎上進行適當修改，適時地發布預習、復習、測試、考試任務，要求學生按時完成線上課程的學習和測試，該部分的學習在期末成績的平時成績部分占一定比例。

3.1 教學安排調整

在教學過程中，對原課程的教學安排進行適當調整，合理壓縮講授學時，壓縮下來的學時用于加強學生實踐。課程原教學安排為總學時72 學時，其中理論講授66 學時，實驗6 學時。混合式教學將MOOC 學習和課堂學習相結合，因此理論講授學時調整為56 學時，實驗學時調整為16學時。在總學時不變的情況下，增加實驗學時能開展更多的實踐訓練。

3.2 教學內容重構

按照新工科建設的要求和混合式教學的特點，以問題驅動為導向，結合虛擬實驗平臺對原有教學內容進行重構，構建并實施了符合新工科理念的線上與線下相結合、基礎理論與工程實踐閉環雙反饋的“計算機組成原理”混合式教學模式。將教學內容分為基礎知識、核心知識和能力訓練項目，分別對應SPOC 線上自學、線上線下混合式教學和實驗教學。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。在實驗教學方面，利用Logisim平臺的優勢，設計“點面結合，遞進綜合”的實驗項目，構建以設計性實驗為主，覆蓋完整計算機系統的計算機組成原理實驗體系。實驗教學項目緊扣理論教學知識點，理論與實驗教學融為一體，互為支撐，實現了理論實踐一體化。

3.3 教學模式實施

在理論教學方面，采用“課堂教學+MOOC+SPOC+雨課堂”的混合教學模式。基于華中科技大學“計算機組成原理”國家精品MOOC 資源，學生提前完成指定章節的視頻內容學習，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，適當增加了本校課程大綱的測試練習；在課堂教學中，啟發學生探究重難點，拓寬知識面，注重計算機整機框架的搭建；雨課堂既可以對學生課前學習的內容進行檢測，也可以在課堂教學過程中隨時檢查學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、線上單元測試、總結報告等。實驗教學中，除了與理論課共有的MOOC 和SPOC 資源外，同時選用了“計算機硬件系統設計”作為實驗匹配的MOOC用于學生課前預習和課后復習部分實驗內容。實驗過程中實現了自動測評實驗結果，并通過測評結果的反饋定位設計錯誤，改進設計，強化系統驗證能力培養直到完成當前實驗。

3.4 教學效果評價

針對2020—2021 第2 學期我校計算機類10 個班開展課程教學改革實踐，部分問卷調查反饋結果見表1。通過問卷表明，學生普遍認可混合式教學改革模式，對課程的目標有了更清楚的認識，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，增強了學生的主動性和積極性。

表1 課程學習問卷統計

4 結語

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