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

（閩江學院計算機與控制工程學院，福建 福州 350108)

1 引言

工程教育專業(yè)認證以“學生中心、產(chǎn)出導向、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]。閩江學院計算機科學與技術(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與技術(shù)專業(yè)每一位教師的責任，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改革探索與實踐。

2 計算機組成原理課程教學現(xiàn)狀

學習計算機組成原理課程，能夠使學生系統(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，為今后學習計算機操作系統(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)本科學生的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，是計算機科學與技術(shù)專業(yè)的核心課程之一，在計算機專業(yè)教學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，同時在日常教學中存在教具缺乏、學校實驗條件欠佳等問題，學生普遍反映學習難度較大，無法準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改革

過去實行的教育關(guān)注點聚焦在教師如何教好學生，而如今工程教育認證注重的是學生如何學好課程，它使得“學生為中心”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完這門課程學生應具備的能力是什么，為什么要讓學生具備這些能力，如何有效地幫助學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]。下文從教學思路改革、教學方法與手段改革、教學案例設(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改革的具體實踐。

3.1 計算機組成原理教學思路改革

1)課程教學目標的分解。工程教育認證在培養(yǎng)目標、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)目標達成的重要支撐，畢業(yè)要求達成度評價是衡量學生學習成果的重要手段?；贠BE的理念，將閩江學院計算機科學與技術(shù)專業(yè)的12項畢業(yè)要求指標點進行拆解，再將指標點映射到具體課程，畢業(yè)要求的達成依賴于課程教學目標的達成。計算機組成原理課程的教學目標可分解為4個小點，分別與其4個畢業(yè)要求指標點一一對應[3]。課程教學目標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)；課程教學目標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；課程教學目標3為掌握處理器及微體系結(jié)構(gòu)層的相關(guān)原理，進一步提高學生對組成原理復雜工程問題進行分析和解決的能力；課程教學目標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，提高學生對復雜工程問題進行研究的能力。課程教學目標與畢業(yè)要求對應關(guān)系如下表所示。

表1 課程教學目標與畢業(yè)要求的對應關(guān)系

2)建立教學內(nèi)容與教學目標之間的對應關(guān)系。課程教學內(nèi)容由各個知識章節(jié)組成，為了實現(xiàn)課程教學目標，必須將知識章節(jié)映射到教學目標，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)皆對應教學目標1和4，計算機系統(tǒng)概論不做實際考核，只是強調(diào)目標1能力的培養(yǎng)，后三者是目標1的考核內(nèi)容；計算機的運算方法與指令系統(tǒng)對應教學目標2和4，考核教學目標2；CPU的結(jié)構(gòu)和功能、控制單元的功能和設(shè)計對應教學目標3和4，考核教學目標3；組成原理實驗對應教學目標4。在對應教學目標4的知識章節(jié)中，除實驗對目標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)與教學目標

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

3)將課程考核方式關(guān)聯(lián)到教學目標。課程教學目標是否能夠達成需經(jīng)由課程考核得以衡量，在學期初將課程考核方式與占比以及評分標準等向?qū)W生公布。擴充課程過程性評價考核項目，增加階段小測，加強學生學習過程的監(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目標的達成度。考核方式與教學目標的對應關(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方法與教學手段改革

1)將碎片化的教學內(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生對各個知識點的理解和掌握，幫助他們學會將知識和原理應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，以提問的方式引導學生概括出該章節(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生回顧已學內(nèi)容，進行自我總結(jié)，教師可及時解答學生的疑難問題，促進學生對知識的理解和消化，促成教學目標的達成。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)安排學生參與出題，利用超星學習通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，代之以學生出題，提高他們學習的主動性。課程一學期共進行6次小測，將學生分組，每組學生負責其中的一次小測出題。學生需根據(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生對知識的掌握情況，而且極大提高了學生學習的積極性；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，可為教學目標的達成提供有力保障。

4)選用學生助教幫助作業(yè)批改與實驗指導。善于利用榜樣的力量促進班級學習氛圍的形成。招聘高年級已學習過計算機組成原理且成績優(yōu)秀的學生擔任課程助教，協(xié)助教師進行作業(yè)批改和實驗指導，讓學生在與優(yōu)秀助教的溝通交流中受到潛移默化的影響，培養(yǎng)自覺學習的好習慣。助教參與實驗指導既加強了對學生自主實驗的監(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案例設(shè)計

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

表4 教學活動案例設(shè)計

3.4 教學成效與持續(xù)改進措施

經(jīng)過對2020級計算機科學與技術(shù)專業(yè)一個學期的教學實施，取得了一定的教學成效，學生普遍反映學習主動性得到提高，學習獲得感得到了一定的增強。學期期末考核后發(fā)現(xiàn)：課程目標1與課程目標4達成情況較好，表明學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2、3達成度較低，目標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。反映學生對組成原理的某些基本理論掌握得不夠扎實，將理論應用于實際問題、分析和解決實際問題的能力還比較薄弱。

針對以上情況，今后的課程教學考慮從以下三個方面進行改進：

1)加強學生的計算能力訓練，盡力減少計算錯誤；針對學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力度。

2)調(diào)整教學進度和內(nèi)容安排，適當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。

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

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改革思路與具體實施情況。教學是一個不斷迭代和持續(xù)改進的過程，根據(jù)課程教學目標以及培養(yǎng)成效的評價結(jié)果，可以分析課程教學的成效和存在的問題。參與工程教育認證的過程也是教學人員不斷發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，改進教學的過程。在“以學生為中心、產(chǎn)出導向、持續(xù)改進”的基本理念指導下，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)的目標早日達成。