基于筆試答辯考核的計算機系統實驗教學改革實踐探究

摘要：《計算機系統I》是東莞理工學院計算機科學與技術學院計算機類專業的必修課和核心課程之一，在專業教育中具有十分重要的地位。通過總結和分析本課程實驗教學模式的特點和存在的問題，從實驗教學模式和考核方式入手，進行了一系列教學改革與探索。實踐結果表明，改革后的實驗教學模式能夠激發學生的學習興趣，增強學生的學習主動性，充分體現以學生為中心的教育理念。

關鍵詞：計算機系統；課程教學；實驗考核；教學改革

中圖分類號：TP311" " " " 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）33-0122-03

1 引言

計算機系統是普通高等院校計算機、電子、通信等多個專業的專業必修課程。東莞理工學院計算機系統系列課程包含《計算機系統I》和《計算機系統II》兩門課程[1]。通過《計算機系統I》教學，使學生了解計算機基礎硬件的電路結構及功能，掌握數字電路的一般分析與設計方法，達到具有分析和設計一般數字電路的能力，為《計算機系統II》的學習打下基礎。《計算機系統I》課程已連續開課20年，前期名稱為《數字邏輯》，修讀學生已超過3000人次。近年來，為了進一步促進學生自主學習的積極性，教學團隊對本課程進行了一系列教學改革。本文結合《計算機系統I》課程特點，分析該課程教學過程中存在的問題，對原有的實驗課程教學方案進行了重新設計。

2 計算機系統實驗課程教學特點及現狀分析

本課程的工程實踐性強，傳統的實驗教學以理論授課為主，實驗為輔，實驗課程在教學方法、授課內容、學習資源和考核方式方面比較單一，主要存下以下幾個問題：

1）教學方法：以教師課堂講授實驗原理和方法為主，大多數學生處于被動學習狀態，討論交流較少；學生主動實踐能力薄弱，問題探究不夠深入，學習興趣不強，自主學習積極性不高。

2）授課內容：以驗證性實驗為主，設計性和綜合性實驗較少，學生缺乏自主設計實驗的實戰機會；課程思政案例和課程知識點結合不緊密，課程思政話題線上、線下討論交流較少。

3）學習資源：以教材、講義和課件作為主要學習資源，缺少實驗課程講解視頻；插線板式硬件實驗箱電路固化，靈活性不高；自主學習資源相對較少，導致課后自學、自主完成實驗比較困難。

4）考核方式：教師對學生提交的實驗報告、仿真作品和實物作品評分，由于部分實驗任務要求學生在課后完成，出現極少數學生實驗代做和仿作的現象，實驗考核缺乏公平性和科學性。

3 計算機系統實驗課程教學改革方案設計

為了從根本上解決以上問題，提高學生的學習自主性和積極性，增加實驗考核的公平性和科學性，需要對實驗教學和考核進行改革：一是修訂和完善教學大綱，進一步明確本課程的教學目標；二是加大實驗環節教學比重，增加更多的設計性實驗；三是建設豐富的自主學習資源以及便捷的實驗平臺，加強自主學習和自主實驗的條件；四是在考核仿真作品、實物作品、實驗報告之外，建立了期末綜合實驗筆試答辯題庫，從題庫中隨機篩選題目，學生分批次進行20分鐘的筆試答辯，這樣不僅可以提升學生學習的積極性，同時能夠加強學生對實驗原理的理解，改革后的教學活動計劃如圖1所示：

4 計算機系統實驗課程教學改革探索與實踐

4.1修訂專業課程教學大綱

課程教學大綱是課程教學的指導綱領，課程教學大綱的編寫應符合專業培養目標要求、符合教學計劃要求，體現科學性與思想性結合。通過修訂和完善教學大綱，進一步明確本課程的教學目標：一是培養學生掌握邏輯代數的基本概念和基本理論，理解常用數字器件的功能與應用；二是培養學生理解數字系統的基本概念，了解計算機基礎硬件電路的結構及功能，初步建立計算機硬件系統的概念；三是培養學生掌握數字電路分析與設計的一般方法，能夠設計開發滿足需求的硬件，在設計環節體現創新意識，遵循計算機軟、硬件及系統開發的基本要求；四是通過數字電路仿真設計、電路制作等實驗環節，培養學生分析問題與解決問題的能力[2，3]。

同時，在教學目標、教學內容、教學設計和課程考核方面，秉承“知行合一，立德樹人”的教學理念，不斷更新本課程教學內容，創新教學設計，推進“課程思政”融入課堂教學全過程。深度挖掘提煉本課程中所蘊含的思想價值和精神內涵，梳理出課程思政建設指標和思政案例，將“課程思政”育人元素有機融入課程教學的各方面、各環節。除了組織學生在線下對思政案例進行討論交流，在線上也開辟了思政討論區，學生踴躍參與討論，人均參與了6個思政話題的討論發言，實現課程思政融入點具象化、實例化。通過課程思政幫助學生運用辯證思維和歷史思維分析學習中遇到的現實問題和需求，培養學生愛國主義和集體主義精神，促使學生形成正確的人生觀、價值觀和世界觀[4]。在實驗課程環節，加入了勞動教育的課時設計，培養學生面對困難問題時鍥而不舍的精神，激發學生的創造力，促進學生德智體美勞全面發展。

4.2加大實驗環節教學比重

在以往的計算機系統I課程教學中，課程總學時為64學時，其中理論學時48學時，實踐課學時16學時；改革后的理論學時和實踐課學時均為32學時。通過加大實驗教學內容和時間，從權重過大的理論教學方式，逐步轉到實驗教學與理論教學并重的軌道上來。改革后，以實驗教學取代了部分理論教學，平時實驗計入總分，加大實驗考核權重，打破傳統課堂“滿堂灌”的授課方式，完成以教為中心向以學為中心的轉變。“做中學”取代部分“聽中學”，提高了學生學習興趣，增加學生的工程實踐能力，同時加深了理論知識的理解。

改革后的實驗課程總共包括8個實驗項目，其中驗證性實驗1個，設計性實驗5個，綜合性實驗2個，加大了設計性和綜合性實驗項目的比重，項目設計注重趣味性、系統性和導學性，大部分項目源自生產實踐。實驗項目分別為：1）SSI組合邏輯電路的分析（設計）；2）SSI組合邏輯電路的設計與制作（設計）；3）MSI組合邏輯電路的分析與設計（設計）;4）組合邏輯電路綜合設計—血型匹配檢測器設計（綜合）；5）MSI時序器件的應用（設計）；6）存儲器與A/D轉換器的應用（設計）；7）計算機硬件電路功能（驗證）；8）數字電路綜合應用（綜合）。通過更多的設計和綜合性實驗教學，不僅鍛煉了學生的動手能力和分析問題解決問題的能力，而且間接引導了學生平時持續認真地學習理論知識；促使學生增強理論應用于實踐的能力，加強自主學習和自主實驗的條件，“學”“做”并行，“學”“考”并行，避免考前突擊式學習；力求學生在“知識”“能力”“技能”齊頭并進。

4.3建設豐富的自主實驗資源

以往的實驗教學自主學習資源相對較少，缺乏實驗課程講解視頻，并且老式實驗箱電路固化、體積較大，使用不靈活，學生離開實驗室沒法進行實物實驗，導致課后自學、自主完成實驗比較困難，自主學習積極性不高。為了從根本上解決以上問題，課程組建設了豐富的自主學習資源以及便捷的實驗平臺，增設大量的實驗項目。以教學學時為單位，錄制了全課程PPT教學視頻，設計了隨堂測試題；以知識點為單位，錄制了全課程95個知識點的微課視頻，教學視頻可以有效提高學生的學習自主性，引導學生深入思考，為學生獨立解決問題和邏輯思維能力的培養提供了充足的時間和空間，實現潤物無聲、隨時隨地學習的教育效果。

結合多年的教學經驗，本課程組編寫了教材《數字邏輯與計算機硬件基礎》，即將由清華大學出版社出版，教材包含理論知識和實驗項目兩部分內容。自主開發了幾百套便攜式硬件實驗箱，學生每人一套；相比于傳統的插線板式的硬件實驗箱，便攜式實驗箱具有“小體積，大能量，開源性”的優點，方便學生二次開發；實驗的時間地點更加靈活，學生可攜帶至宿舍進行實驗，增強學生積極性和創新性[5]。實物實驗不受場地、時間限制，實驗基本可以自主進行。自主實驗平臺的創建，確保了自主實驗的實施，提高了學生獨立思考以及理論應用于實踐的動手能力。在實驗教學中，教師的工作重點在于實驗設計、實驗考核、答疑和器材管理上。學生實驗任務要求在一段時間內（通常一周）完成，這樣使學生有充裕的時間自主進行實驗。

4.4采用實驗題庫筆試答辯考核

傳統的實驗考核方式是學生在完成每次實驗任務后，提交實驗報告、仿真作品和實物作品，教師根據學生提交的實驗作品進行評分。通過實驗教學改革，給學生發放了自主研制的便攜式實驗箱，學生可以將實驗箱帶到宿舍完成實物實驗，這樣不可避免地出現了極少數學生實驗代做和仿做的現象[6]。為了科學考核，避免此類現象發生，同時加強學生對實驗原理的理解，課程組對實驗考核進行了改革：在考核仿真作品、實物作品、實驗報告之外，建立了期末綜合實驗筆試答辯題庫，從題庫中隨機篩選題目，學生分批次進行20分鐘的筆試答辯。改革后的實驗考核方式從四個方面對學生進行了科學和全面的考核：一是通過仿真作品，考核學生的設計能力及仿真技術；二是通過實物制作，考核學生的動手能力；三是通過實驗報告，考核學生的歸納總結與科技寫作能力；四是通過實驗答辯，考核學生對實驗原理的理解程度。

改革過程中發現，若采用一對一口頭答辯，花費時間太長，教師工作量太大，而且每個學生被提問的問題不一樣，提問的題量也不一樣，提問隨機性大，考核不科學不公平。于是，為了使答辯工作切實可行，并減少答辯提問的隨機性，課程組精心設計了筆試答辯題庫，答辯原理圖1張（如圖1所示）。

實驗筆試答辯題庫共50套題，每套題有4道題，每套題雖然題目不同，但是考核知識點相同，難度相近。每個學生隨機抽一套題，考試時間20分鐘，分批次筆試答辯。答辯考試用的電路圖與實驗設計的電路圖原理上近似。考試電路圖中設有多處標識點，如圖1中A、B、C、D、E、F、G、H、J、K等標識點，每套答辯題有一道題為：假定一些標識點的電平，求另一些標識點的電平。這樣每套題的答辯考核知識點有相同之處，各套題考核內容和難度相當，避免口頭答辯的隨機性。筆試答辯主要考查學生對期末實驗設計原理的理解程度，答辯題庫不對學生公開。這樣不僅考核全面科學，而且減少教師答辯工作量，同時，也杜絕了學生代做、仿做實驗的現象發生。

4.5教學改革成效匯總

從2021年開始，東莞理工學院計算機科學與技術學院的計算機系統I的課程教學采用改革后的教學方案。表1的數據來源于近年來本課程的教學綜合成績統計：

通過對本專業2018級（改革前）和2019級（改革后）計算機科學與技術專業的成績進行比較，可以看出教改后的學生綜合成績有明顯的提高，說明教改后的學習方式有利于提高學生的積極性，能夠促進學生對本學科專業知識的理解和掌握，考核更加科學，具有較好的效果。2020年，本課程獲全國高等院校計算機類專業教學能力大賽二等獎；2021年，本課程入選廣東省線上線下混合式一流課程。

5 結論

綜上所述，通過總結計算機系統I專業課程實驗教學中存在的一些不足，然后從教學和考核方式入手，對專業教學培養大綱、實驗課程設計、自主學習資源建設、實驗科學考核方式等進行了教學改革與探索。實踐結果表明，改革后的實驗課程通過仿真設計、實物制作、實驗報告和實驗答辯等方面對學生進行系統訓練，全方位地提升學生的設計能力、動手能力、寫作能力和對實驗原理的理解程度，能夠激發學生的學習興趣，增強學生的學習主動性，培養學生分析問題與解決問題的能力，提升學生實驗研究的邏輯思維能力和動手能力，以及探究工程科學的興趣、獨立思考的習慣和嚴謹的科學態度。

參考文獻：

[1] 周坤曉，張麗娟，肖慧娟.計算機組成與系統結構教學改革研究[J].東莞理工學院學報，2017，24（3）：118-122.

[2] 成耀，顧暉，梁惺彥，等.計算機硬件類課程的教學實踐分析[J].電子技術，2020，49（8）：134-135.

[3] 陶銘，曲超，洪小宇.“新工科”背景下物聯網工程專業人才培養方案探索[J].現代計算機（專業版），2017（21）：39-43.

[4] 鄭麟，周騰，蔡玲如，等.計算機硬件基礎課程的思政元素挖掘與融入研究[J].計算機教育，2021（8）：61-65.

[5] 吳蘇，馬知遠，周達華.基于口袋實驗室的數字電路課程教學模式改革與實踐[J].大學教育，2020，9（9）：102-104.

[6] 章復嘉，孫丹鳳，趙建勇，等.一種計算機硬件類課程實驗教學方法[J].實驗室研究與探索，2019，38（5）：151-154.

【通聯編輯：聞翔軍】