醫(yī)工融合背景下計算機組成原理課程混合式教學(xué)實踐探索

摘 要：醫(yī)工融合是當今社會發(fā)展的熱點，醫(yī)科大學(xué)中的工科院系需要做出相應(yīng)教學(xué)改革的探索才能培養(yǎng)符合社會發(fā)展需要的高層次復(fù)合型人才。文章以計算機組成原理課程為例，就目前課程在教學(xué)過程中出現(xiàn)的不足之處提出針對性的教學(xué)改革，包括設(shè)計貫穿整個課程的開發(fā)案例以鏈接課本的章節(jié)內(nèi)容；通過線上線下相結(jié)合的方式對課程內(nèi)容形成引導(dǎo)、輸入、測試、反饋等閉環(huán)學(xué)習(xí)路徑來保障對知識點的掌握；通過差異化的課程設(shè)計孵化學(xué)科競賽項目；通過競賽項目穿插基礎(chǔ)科研能力的培養(yǎng)；通過項目流程的推進培養(yǎng)學(xué)生的閉環(huán)邏輯、思維能力等。研究通過多維的效果評價，證明這種混合式教學(xué)改革方法對提升教學(xué)質(zhì)量有積極的促進意義。

關(guān)鍵詞：計算機組成原理；醫(yī)工融合；混合式教學(xué)；教學(xué)改革

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1673-7164（2024）26-0095-04

教育部高等教育司于2021年5月召開新聞發(fā)布會，提出推進新工科、新醫(yī)科、新農(nóng)科、新文科的“四新”建設(shè)，全面提高高等教育人才培養(yǎng)質(zhì)量，以應(yīng)對新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革。［1］高等教育機構(gòu)面對挑戰(zhàn)要做出主動應(yīng)答、教育應(yīng)答、時代應(yīng)答。尤其是在醫(yī)工融合的大背景下，如何培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新工程思維，讓其掌握扎實的工程技術(shù)手段，為醫(yī)學(xué)提供更加精確、有效和安全的診療方法，為患者提供更好的醫(yī)療服務(wù)，最終為社會和諧健康發(fā)展做出貢獻，是值得做出思考和嘗試的課題。作為醫(yī)工兼?zhèn)涞尼t(yī)科大學(xué)，如何在教學(xué)過程中開展復(fù)合型人才培養(yǎng)是當下迫切需要解決的問題。計算機組成原理作為計算機類專業(yè)的核心課程，也是電子信息、生物醫(yī)學(xué)工程和人工智能類專業(yè)的必修課，［2-3］在課程體系中具有承上啟下的作用。在過去的教學(xué)實踐中，尤其是在工科相對薄弱的醫(yī)科類高等院校，在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計，教學(xué)資源的建設(shè)，教學(xué)方法與理念的創(chuàng)新，教學(xué)過程的實施和教學(xué)評價的設(shè)計等方面存在諸多不足之處。文章對廣東醫(yī)科大學(xué)計算機組成原理課程的現(xiàn)狀進行了剖析，總結(jié)了課程教學(xué)中出現(xiàn)的不足之處，并提出了針對性的教學(xué)改革與實踐建議，設(shè)計了多維度的教學(xué)評價。

一、課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

信息管理與信息系統(tǒng)專業(yè)是廣東醫(yī)科大學(xué)信息工程系開辦的招生專業(yè)之一，主要培養(yǎng)從事醫(yī)院信息系統(tǒng)開發(fā)工作的專業(yè)人員。多年來已經(jīng)形成了成熟完善的教學(xué)、實踐和就業(yè)體系，并在一定程度上取得了業(yè)界的認可，是廣東省一流本科專業(yè)建設(shè)點。隨著國家深化教育改革，提出新醫(yī)科和新工科建設(shè)戰(zhàn)略，推動“醫(yī)學(xué)+X”復(fù)合型人才培養(yǎng)是教育改革的必然要求。［4］在此背景下，廣東醫(yī)科大學(xué)2014年啟動了醫(yī)學(xué)信息卓越工程師培養(yǎng)計劃，2021年開辦了醫(yī)學(xué)信息卓越創(chuàng)新班，通過“校企院”三方協(xié)同培養(yǎng)醫(yī)工融合的復(fù)合型醫(yī)學(xué)信息人才。經(jīng)過多年的積累和成長，已成為學(xué)院培養(yǎng)醫(yī)學(xué)信息工程方面人才的一張名片。計算機組成原理作為其中的核心專業(yè)課程，是軟件工程思維在硬件體系下實現(xiàn)和運行的基礎(chǔ)，是軟硬件系統(tǒng)相結(jié)合與統(tǒng)一的重要基礎(chǔ)性課程。

但是，長期以來，該課程教學(xué)仍有以下問題：1. 學(xué)生對課程缺乏興趣，積極主動性不夠，課堂上表現(xiàn)較為沉悶。2. 線上有豐富優(yōu)質(zhì)的課程資源，可滿足個性化的學(xué)習(xí)需求，但和線下課堂的互聯(lián)互通性較差，學(xué)習(xí)效果一般；教師信息化素養(yǎng)不足，對學(xué)校購置的信息化教學(xué)平臺理解和使用程度不足。3. 傳統(tǒng)軟件開發(fā)類工程實踐項目豐富，但缺乏生動、易于理解且難度適中的硬件開發(fā)類工程實踐項目，硬件開發(fā)類的學(xué)科競賽項目更是寥寥。4. 教學(xué)過程中涉及的前沿科研方向和科研要求拓展度一般。5. 對學(xué)生評價維度較為單一，對復(fù)合型人才培養(yǎng)的評價標準理解和設(shè)計不足。這些問題導(dǎo)致學(xué)生缺乏主動學(xué)習(xí)的興趣，學(xué)習(xí)效果一般，不利于高校對研究型、創(chuàng)新型本科人才的培養(yǎng)。因此對計算機組成原理課程的教學(xué)亟需實施新的改革和探索。

二、課程混合式教學(xué)實踐的探索

（一）通過設(shè)計貫穿整個課程的開發(fā)案例激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

計算機組成原理課程是對計算機的五大組成部件：運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備工作原理的詳細介紹。課程內(nèi)容和實際硬件電路結(jié)構(gòu)相關(guān)，知識面多、內(nèi)容抽象，不易理解。對工科基礎(chǔ)相對薄弱的醫(yī)科大學(xué)來講需要精心設(shè)計教學(xué)過程，否則容易導(dǎo)致學(xué)生對課程學(xué)習(xí)喪失興趣，從而造成課堂氣氛沉悶，學(xué)習(xí)效果不佳。本次實踐在課程開篇即由教師設(shè)計并展示嵌入式設(shè)備（ESP8266）通過MQTT協(xié)議接入阿里云，并使用阿里云STUDIO工具設(shè)計的UI在云端控制本地嵌入式設(shè)備上的資源。學(xué)生通過手機掃描二維碼在線獲取UI，以直觀的方式感受計算機設(shè)備可完成的功能，以可視化的界面演示計算機五大部件相互協(xié)作可完成的效果。通過效果展示激發(fā)學(xué)生對技術(shù)的熱情，通過組織小組討論和頭腦風(fēng)暴的方式深挖展示的技術(shù)在未來生活的應(yīng)用場景，以激發(fā)學(xué)生對科技改變生活所產(chǎn)生的使命感和勇于挑戰(zhàn)技術(shù)難度的勇氣。通過把開發(fā)案例所使用的技術(shù)做合理分拆，并以知識圖譜的形式展示，同時和課程章節(jié)內(nèi)容做相應(yīng)的匹配，使學(xué)生的學(xué)習(xí)不僅有目標、有內(nèi)容、有實踐，而且做到對章節(jié)內(nèi)容的掌握和開發(fā)案例的進度相呼應(yīng)，使學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)做到有的放矢，對案例的推進做到有條不紊。通過這種貫穿式的案例設(shè)計，逐步引導(dǎo)學(xué)生具備項目開發(fā)所要求的基礎(chǔ)職業(yè)素養(yǎng)，通過培養(yǎng)其能力和素養(yǎng)，為未來的工作和生活提供便捷。

（二）通過線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)模式合理推進教學(xué)進程

計算機組成原理課程內(nèi)容豐富、知識體系大，如何通過“互聯(lián)網(wǎng)+”方式開展有效的線上線下混合式教學(xué)，是課程教學(xué)改革的重點。［5］本研究充分利用本校使用的學(xué)習(xí)通+MOOC慕課平臺，設(shè)計了一系列教學(xué)實踐內(nèi)容：

1. 對課程內(nèi)容進行層次化的梳理和重構(gòu)，按照組成、結(jié)構(gòu)、功能、應(yīng)用的順序?qū)訉油七M課程教學(xué)。教師要熟練掌握教材的脈絡(luò)和重點，把章節(jié)內(nèi)容進行合理的剖析并精心收集課程資源制作素材，發(fā)布在學(xué)習(xí)通平臺以便學(xué)生課前預(yù)習(xí)。要求把重難點突出，和MOOC金牌課程中相關(guān)知識點做針對性聯(lián)結(jié)，從不同角度進行理解，加深聯(lián)動。

2. 針對課前預(yù)習(xí)，特別設(shè)計預(yù)習(xí)反饋板塊，利用學(xué)習(xí)通的投票統(tǒng)計功能對共性疑難問題進行針對性備課，做到課前即可對授課重點進行梳理，對課堂安排做到心中有數(shù)，教學(xué)過程也更容易有條不紊、從容不迫地進行，學(xué)生學(xué)習(xí)也更有針對性。

3. 課中教學(xué)時，對預(yù)習(xí)后反饋的疑難點進行重點監(jiān)測和重點反饋、解析。通過學(xué)習(xí)通中的預(yù)習(xí)反饋板塊，對教學(xué)效果不佳的共性問題進行二次答疑，對個性化的疑難問題安排單獨釋疑解答，真正做到以學(xué)生為中心，確保每一位學(xué)生都掌握相關(guān)知識點。

4. 課后通過學(xué)習(xí)通平臺發(fā)布作業(yè)，進一步檢驗、鞏固和加深學(xué)生對課堂知識的理解，尤其是學(xué)生反饋的疑難點問題。利用學(xué)習(xí)通的分析匯總功能對作業(yè)中重點出現(xiàn)的錯漏點進行梳理，并及時、有針對性地進行快速的課堂答疑、查漏補缺，使學(xué)生對課程知識的掌握更加全面、牢固。

5. 對課堂作業(yè)的評閱并不由教師完成，而是由學(xué)生組成的小組使用學(xué)習(xí)通的生生互評功能來完成。生生互評不僅是一個自我梳理、自我學(xué)習(xí)、自我展示和自我強化的過程，教師也可通過這種形式了解學(xué)生的學(xué)習(xí)進度和對同一問題不同角度、不同深度、不同層次的思考，進一步養(yǎng)成學(xué)生之間相互了解、相互學(xué)習(xí)、相互促進、相互成就的良好學(xué)習(xí)氛圍。教師端也可隨時掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)動態(tài)，對發(fā)現(xiàn)的共性問題進行及時糾正和引導(dǎo)，增進學(xué)習(xí)效果。

6. 針對計算機的五大組成部件，設(shè)計開發(fā)難度和側(cè)重點不同的差異化課程設(shè)計，學(xué)生以小組為單位自由選擇，最后成果由教師和學(xué)生共同完成評審。小組之間通過課程設(shè)計實現(xiàn)對不同知識點的強化和梳理，生生互評會形成對不同領(lǐng)域知識點融合和工程創(chuàng)新的啟發(fā)和渴望，并由教師引導(dǎo)學(xué)生，為參加學(xué)科競賽或參與科研項目打下基礎(chǔ)。

7. 利用學(xué)習(xí)通的線上特色功能對課堂教學(xué)模式和學(xué)生學(xué)習(xí)習(xí)慣進行適當?shù)囊?guī)范和引導(dǎo)。如線上簽到可保障學(xué)習(xí)時間；線上選人和搶答可活躍課堂氣氛；問卷調(diào)查和主題討論對開放性問題容易形成思考和啟發(fā)，在課程思政時效果顯著；群聊和投票功能讓班級活動的開展和事務(wù)性的選擇更加便捷和高效；教師評分功能更是教師自我提升和了解學(xué)生實際需求的重要渠道。

（三）以項目為驅(qū)動，以競賽為引導(dǎo)

本次實踐把以項目為驅(qū)動的理念貫徹于課程的全過程，開篇即精心設(shè)計并展示了使用嵌入式處理器ESP8266通過MQTT協(xié)議接入阿里云的項目，將項目中所使用的技術(shù)與方法做思維導(dǎo)圖式的分解，分解的內(nèi)容和課程的章節(jié)內(nèi)容中相關(guān)的知識點做對應(yīng)的拆解：DMA、按鍵與顯示屏控制和輸入輸出設(shè)備章節(jié)相對應(yīng)；設(shè)計的spi flash的讀寫程序和存儲器章節(jié)相對應(yīng)；通過外設(shè)和DMA中斷的處理與CPU的結(jié)構(gòu)功能章節(jié)相呼應(yīng)；通過對經(jīng)典算法的實現(xiàn)與計算機運算方法章節(jié)相呼應(yīng)；通過MQTT協(xié)議的實現(xiàn)與總線章節(jié)內(nèi)容相呼應(yīng)等。通過精心設(shè)計的案例，把計算機五大組成部件的開發(fā)和使用過程以實際案例的方式，按照課程的學(xué)習(xí)計劃進行層層推進。通過實際項目的開發(fā)加深了對章節(jié)內(nèi)容的理解，激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生做自主學(xué)習(xí)熱情并使之形成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，課堂的學(xué)bEuhxvkdawmPhyNAcCnzPQ==習(xí)氛圍和學(xué)習(xí)動力較以往有了很大改善，課間休息時經(jīng)常有學(xué)生拿開發(fā)板進行現(xiàn)場問題提問與反饋，也有部分學(xué)生在其他學(xué)生反饋的問題和解決方案中受到啟發(fā)，從而對自我技能進行打磨與提升。在此影響下，以課程項目使用的技術(shù)為基礎(chǔ)，通過課程設(shè)計的二次鞏固與鍛煉，自發(fā)組織并構(gòu)思出超低功耗便攜式神經(jīng)元信號記錄系統(tǒng)和基于阿里云的電子病歷系統(tǒng)兩個競賽項目，對項目的研究意義和技術(shù)難點進行了詳細的思考和剖析，并制訂了對應(yīng)的解決方案和計劃，在準備完善的基礎(chǔ)上獲得了校內(nèi)立項資助，為參加省賽和國賽打下基礎(chǔ)。通過定期匯報進展、鼓勵興趣旁聽的方式，以榜樣的力量引導(dǎo)班級學(xué)習(xí)氣氛，也激發(fā)了學(xué)生為科技發(fā)展貢獻力量的熱情和抱負。

（四）在項目推進過程中加深對科研方向的引導(dǎo)和科研素質(zhì)的培養(yǎng)

本科教育中的一項重要任務(wù)是對科研能力的培養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生的科學(xué)探索精神，并在科研過程中養(yǎng)成提出問題、分析問題、解決問題的基礎(chǔ)科研素養(yǎng)。［6］本次實踐非常重視且有意引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維與科學(xué)思維，尤其是發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的思維與能力，并將其融合于對科研問題的解決中。本次教學(xué)實踐在對課程設(shè)計和學(xué)科競賽中涉及的工程難點以及在解決這些難點的過程中所涉及的科研創(chuàng)新點，在項目推進過程中做重點介紹；對前沿的算法及實現(xiàn)方案進行梳理和引導(dǎo)，同時鼓勵學(xué)生進行技術(shù)調(diào)研、選擇和總結(jié)，對前沿的技術(shù)與實現(xiàn)方案形成對比性評價，在項目進展中逐漸提出關(guān)鍵的科學(xué)問題，給出關(guān)鍵科學(xué)問題的解決方案，對方案的利弊進行針對性說明。根據(jù)制訂的方案，在完成過程中引導(dǎo)學(xué)生自主實踐、總結(jié)并給予評價。教師在過程中對科研方向和科研方法加以引導(dǎo)，使學(xué)生在項目進展過程中形成對科研問題、科研方法、科研路線的自我認知，不僅鞏固了知識點，提高了解決實際問題的動手能力，也在一定程度上培養(yǎng)了科研能力，并對以后的人生有了更加清晰的認知和規(guī)劃，充分體現(xiàn)了高等教育的意義。

（五）對學(xué)生的成長引入多維的評價體系

由于采用了混合式教學(xué)和全過程項目驅(qū)動相融合的方法，本次實踐的教學(xué)評價調(diào)整了傳統(tǒng)評價中試卷成績的比例（占30%），提升了項目開發(fā)的比例（占40%），側(cè)重于評價學(xué)生解決實際問題的能力，且此部分成績由生生互評給出，引導(dǎo)學(xué)生對知識、演講、邏輯、組織等一系列能力綜合、全方位的重視和培養(yǎng)。教師的評價被有意弱化（占10%），重點對提出科學(xué)問題并提供解決方案、且積極做出嘗試的小組給與正向引導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣。出勤和課后作業(yè)完成情況占比10%，用于保障對隨堂知識的掌握。剩余的10%為集體活動的參與程度（如疑難點答疑、班級活動中給與關(guān)鍵決策、科研項目推進、競賽立項等），以線上匿名投票的方式選出表現(xiàn)突出的學(xué)生。設(shè)計的考核方式即保障了對基礎(chǔ)知識的掌握，也重點培養(yǎng)了學(xué)生的實踐能力與創(chuàng)新精神，對科研意識和科研能力也有一定程度的引導(dǎo)和培養(yǎng)；既開闊了視野，形成了新的方法論和世界觀，也鍛煉了學(xué)生在集體活動的競爭和服務(wù)意識，是一種綜合性、多維度的評價體系。

三、教學(xué)實踐效果評價

本次教學(xué)實踐的效果相比此前取得了一系列進步。以上半年的課程為例，課程設(shè)計完成率達到100%，且自發(fā)組織的課程小組人數(shù)較為平均，沒有出現(xiàn)課程設(shè)計單一所造成的選擇不均問題。通過生生互評且打分的方式給有技術(shù)難度和閉環(huán)思考環(huán)節(jié)的小組排名，得分最高的五個項目由學(xué)生自主調(diào)研和教師引導(dǎo)，產(chǎn)生了“超低功耗便攜式神經(jīng)元信號記錄系統(tǒng)”和“基于阿里云的電子病歷系統(tǒng)”兩個學(xué)科競賽項目，并在校內(nèi)獲得資助，為參加省賽和國賽打下了基礎(chǔ)。立項項目在推進過程中，自發(fā)參與旁聽的人數(shù)約占課程總?cè)藬?shù)的57%，部分學(xué)生還申請了參加指導(dǎo)教師的科研項目，開始接受系統(tǒng)的科研訓(xùn)練。在理論考試中，成績在75—90分段的學(xué)生占班級人數(shù)的74%。對比2022年（57%）有較大幅度的提高。通過問卷調(diào)查和論壇反饋的方式，學(xué)生普遍認同新的教學(xué)設(shè)計不僅激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，更重要的是培養(yǎng)了解決實際問題的實踐能力，對項目開發(fā)和團隊合作有了初步的理解和嘗試，對科研興趣和科研能力也有一定程度的培養(yǎng)，使得學(xué)生對未來的職業(yè)規(guī)劃有了更清晰的認知和更深層次的思考。

四、結(jié)語

文章對計算機組成原理課程進行了一系列教學(xué)實踐的嘗試，包括設(shè)計覆蓋全課程的開發(fā)案例以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；通過混合式教學(xué)保障學(xué)生對知識點的掌握；通過差異化的課程設(shè)計完成對知識點的開發(fā)使用；通過深挖優(yōu)秀課程設(shè)計參與學(xué)科競賽。在競賽項目中引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生的科研意識和科研能力。通過這一系列教學(xué)實踐，學(xué)生普遍認同此次教學(xué)實踐不僅激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)了其項目開發(fā)的工程實踐能力，學(xué)生對項目生命周期的管理也有一定程度的理解和思考，更有部分學(xué)生嘗試參與科研項目。更重要的是培養(yǎng)了解決問題的閉環(huán)思維，對未來的職業(yè)規(guī)劃也更加清晰、從容和自信，真正體現(xiàn)了高等教育的意義。

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（責任編輯：陳華康）

基金項目：廣東醫(yī)科大學(xué)項目“‘新工科’背景下醫(yī)學(xué)信息卓越人才培養(yǎng)模式改革與實踐”（項目編號：1JG22167）；廣東醫(yī)科大學(xué)項目“神經(jīng)元峰電位實時分類系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)”（項目編號：GDMUB2022048）。

作者簡介：王攀科（1984—），男，博士，廣東醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院講師，研究方向為神經(jīng)元信息實時處理與調(diào)控；趙云（1976—），女，碩士，廣東醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院副教授，研究方向為醫(yī)療信息化和信息安全。