新工科視域下課程系統(tǒng)化建設(shè)的研究與實(shí)踐

［摘 要］ 在新工科教育背景下，以“計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)”課程為例，探討了課程系統(tǒng)化建設(shè)的方法和成效。結(jié)合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，針對課程知識交叉融合性不足、前沿動態(tài)缺乏、工程實(shí)踐欠缺等問題，提出“三層三化四評價(jià)”課程系統(tǒng)化建設(shè)思路。首先，對課程知識分“三個層次”，即基本原理層、發(fā)展研究層、研究熱點(diǎn)層；其次，對不同層次的知識點(diǎn)采用“三化”，即知識綜合化、內(nèi)容任務(wù)化、課程挑戰(zhàn)化，從教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式等方面組織實(shí)施；最后，對教學(xué)效果實(shí)施“四評價(jià)”的立體化評價(jià)體系，即對學(xué)生掌握的知識由理解知識點(diǎn)—關(guān)聯(lián)知識點(diǎn)—拓展知識點(diǎn)—應(yīng)用知識點(diǎn)創(chuàng)新的點(diǎn)、線、面、體的評價(jià)。旨在助力學(xué)生知識、技能、素養(yǎng)三個維度相互促進(jìn)、共同提升。

［關(guān)鍵詞］ 新工科；系統(tǒng)化；計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)

［基金項(xiàng)目］ 2020年度內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)課程建設(shè)項(xiàng)目“‘計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)’新工科課程建設(shè)”；2021年度內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)教改項(xiàng)目“‘計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)’課程思政的研究與實(shí)踐”（2021208）；2022年度內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)課程建設(shè)項(xiàng)目“‘計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)’混合課程建設(shè)”

［作者簡介］ 武文紅（1980—），女（蒙古族），內(nèi)蒙古呼和浩特人，碩士，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院副教授，主要從事單片機(jī)技術(shù)、圖像處理研究。

［中圖分類號］ G642.3 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）45-0125-04 ［收稿日期］ 2023-10-23

本文以計(jì)算機(jī)專業(yè)核心課程“計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)”為例，從新工科內(nèi)涵、課程現(xiàn)狀出發(fā)，對課程進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)、系統(tǒng)化統(tǒng)籌，并從課程內(nèi)容、教學(xué)組織實(shí)施、教學(xué)效果評價(jià)三方面通過近三年的協(xié)同推進(jìn)實(shí)施，形成了“三層三化四評價(jià)”的課程建設(shè)的研究與實(shí)踐，以期為推進(jìn)新工科專業(yè)課程的建設(shè)提供借鑒和參考。

一、課程現(xiàn)狀分析

“計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)”屬于計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課程，分析課程現(xiàn)狀，在課程內(nèi)容、課程組織及評價(jià)方面存在如下問題。

第一，課程教學(xué)內(nèi)容未挖掘，對學(xué)生能力素養(yǎng)提升支撐不足。目前的課程內(nèi)容仍以教材為主，沒有將課程內(nèi)容與關(guān)聯(lián)課程進(jìn)行知識融合，缺乏對前沿知識的融合、發(fā)展性問題的分析等具有挑戰(zhàn)性、創(chuàng)新性層面的知識。

第二，課程教學(xué)方法缺新意，對教學(xué)質(zhì)量提升不足。因課程內(nèi)容未挖掘，教學(xué)實(shí)施過程單一、呆板，忽略了學(xué)生的個性特點(diǎn)、學(xué)習(xí)方式的偏好等問題，更重要的是，課程實(shí)施缺乏系統(tǒng)化設(shè)計(jì)理念。

第三，課程教學(xué)評價(jià)少設(shè)計(jì)，對學(xué)生學(xué)習(xí)效果推動不強(qiáng)。前課程評價(jià)方式主要以測試、提問等常規(guī)過程性評價(jià)方式進(jìn)行，流于形式，沒有真正發(fā)揮過程性評價(jià)對學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量的推動作用。

二、“三層三化四評價(jià)”課程系統(tǒng)化設(shè)計(jì)與實(shí)踐

分析課程現(xiàn)狀后發(fā)現(xiàn)，課程沒有系統(tǒng)化設(shè)計(jì)是根本問題，所以課程內(nèi)容、課程實(shí)施、課程評價(jià)等方面不能夠協(xié)同推進(jìn)。對此，本論文首先提出“三層三化四評價(jià)”課程系統(tǒng)化設(shè)計(jì)思想，對課程內(nèi)容分“三個層次”，即基本原理層、發(fā)展研究層、研究熱點(diǎn)層；然后對不同層次的課程內(nèi)容采用“三化”的教學(xué)實(shí)施方式，即知識綜合化、內(nèi)容任務(wù)化、課程挑戰(zhàn)化，分別從教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)方法、教學(xué)資源等方面組織實(shí)施；最后建立立體化“四評價(jià)”體系對教學(xué)效果實(shí)施評價(jià)，即對學(xué)生掌握的知識由點(diǎn)到線到面到體進(jìn)行評價(jià)?！叭龑尤脑u價(jià)”的課程設(shè)計(jì)如圖1所示。

（一）基于課程內(nèi)容長效性和前沿性構(gòu)建“三層”課程內(nèi)容

組成新工科每門課程的教學(xué)內(nèi)容須具備長效性和前沿性［1］。所以本文首先對課程教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)歸類，將課程內(nèi)容分為三個層次。

第一層次是成熟的基本概念和基本原理。雖然計(jì)算機(jī)的制造技術(shù)已經(jīng)發(fā)生了較大的變化，但在基本的硬件結(jié)構(gòu)方面，一直沿襲馮·諾伊曼的傳統(tǒng)框架，各部件基本工作原理變化小，因此以教材內(nèi)容為主的計(jì)算機(jī)基本組成、結(jié)構(gòu)、工作原理是第一層次內(nèi)容。

第二層次是比較成熟但仍在發(fā)展的內(nèi)容。如研究全新計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、如何提升并行計(jì)算和處理能力、智能體系結(jié)構(gòu)運(yùn)用等。課程將這些研究成果作為課程內(nèi)容的第二層次研究發(fā)展內(nèi)容，鼓勵有興趣的學(xué)生進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)和研究。

第三層次是熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。結(jié)合學(xué)生的可行性，選擇一些研究熱點(diǎn)，如近幾年推行自主化、國產(chǎn)化芯片，基于國產(chǎn)芯片龍芯、申威等開展的研究項(xiàng)目，進(jìn)行研討、專題交流或作為課后拓展作業(yè)，鼓勵學(xué)生以這些研究熱點(diǎn)為引領(lǐng)，為學(xué)生的后續(xù)創(chuàng)新，如大學(xué)生創(chuàng)新課程、申請大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目，提供思路方法和技術(shù)支持。

（二）基于布魯姆認(rèn)知理念貫穿“三化”課程教學(xué)實(shí)施

按照課程內(nèi)容不同層次需達(dá)成的教學(xué)目標(biāo)，對不同層次采用“三化”的方法，即綜合化、任務(wù)化、挑戰(zhàn)化，分別從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)模式、教學(xué)資源等方面建設(shè)優(yōu)化，“三化”的培養(yǎng)目標(biāo)見表1。

1.綜合化。課程的綜合化是世界一流大學(xué)課程建設(shè)和改革的重點(diǎn)，目的在于將解決一類工程問題所需要的知識、方法和技術(shù)等內(nèi)容整合為一門綜合型課程［1］。

首先，對第一層次的基本知識，將相互關(guān)聯(lián)的先修課如“數(shù)字電子技術(shù)”“匯編語言”和后修課程“單片機(jī)技術(shù)”“嵌入式技術(shù)”以及“專業(yè)外語”，通過相互融合、整合重組成一門綜合型課程。對第二層次的發(fā)展內(nèi)容和第三層次的研究熱點(diǎn)，結(jié)合課程授課專業(yè)的不同，增加該專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新模式、新業(yè)態(tài)的發(fā)展變化。

其次，從教學(xué)資源上，建立優(yōu)慕課網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，平臺資源建設(shè)打破教材結(jié)構(gòu)，重組學(xué)習(xí)單元，針對第一層次課程內(nèi)容引用國家級精品課程、上傳教師錄制課程、動畫演示原理圖等；針對第二、三層次課程內(nèi)容鏈接相關(guān)研究發(fā)展及研究熱點(diǎn)的視頻、網(wǎng)頁、上傳并更新學(xué)術(shù)論文等；同時開設(shè)“思政專欄”“計(jì)算機(jī)有趣的故事專欄”等激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和對計(jì)算機(jī)的感性層面的認(rèn)識［2］。

2.任務(wù)化。為突出理論教學(xué)與任務(wù)的銜接性和融合性，按照三個層次教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)，分別從理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)方面實(shí)施任務(wù)化，學(xué)生通過對任務(wù)的思考和實(shí)現(xiàn)，理解并掌握理論知識在工程背景中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考、綜合應(yīng)用和創(chuàng)新素養(yǎng)能力。

首先，理論教學(xué)內(nèi)容上，對第一層次的基本知識，任務(wù)包括知識歸納思維導(dǎo)圖、基本工作原理口頭描述、基于某硬件結(jié)構(gòu)完成具體功能的數(shù)據(jù)通路口頭描述等；第二層次發(fā)展內(nèi)容的任務(wù)是讓學(xué)生隨時關(guān)注硬件發(fā)展動態(tài)，并能及時與大家分享“新聞”；第三層次研究熱點(diǎn)，任務(wù)包括撰寫調(diào)查報(bào)告如CPU的發(fā)展現(xiàn)狀、集體討論完某個研究熱點(diǎn)后撰寫心得體會、分組對某個研究熱點(diǎn)進(jìn)行專題匯報(bào)等。

其次，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)上，任務(wù)包括課程實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)。其中，課程設(shè)計(jì)學(xué)生自行設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)、運(yùn)算器、微程序控制器，最后連接為整機(jī)成功運(yùn)行一段程序，課設(shè)融合Altium Designer、Quartus II軟件的使用、電路原理圖、VHDL編程語言，綜合“數(shù)電”“匯編”“單片機(jī)技術(shù)”等課程。

3.挑戰(zhàn)化。提高課程的挑戰(zhàn)性可以從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法方面實(shí)施。在教學(xué)內(nèi)容中增加前沿內(nèi)容和研究型內(nèi)容［3］。

教學(xué)內(nèi)容上，除增加第二層次研究發(fā)展內(nèi)容和第三層次研究熱點(diǎn)內(nèi)容外，實(shí)踐環(huán)節(jié)增加基于CPLD的綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以及“計(jì)算機(jī)硬件類參賽作品賞析”環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生分析作品的創(chuàng)意、難點(diǎn)、硬件結(jié)構(gòu)等。教學(xué)方法上，注重采用“引導(dǎo)”教學(xué)方法，如講完主存儲器SRAM、DRAM時，學(xué)生理解了傳統(tǒng)的存儲器SRAM和DRAM泄漏功耗高、單元密度低等缺點(diǎn)，此時教師提出：“如何滿足大數(shù)據(jù)、云計(jì)算時代的海量數(shù)據(jù)計(jì)算和存儲的需求？”引發(fā)學(xué)生思考并鼓勵學(xué)生提出解決方案。

（三）基于學(xué)生能力進(jìn)階推動和以學(xué)生為中心理念實(shí)施“四評價(jià)”分層體系

對教學(xué)效果實(shí)施“四評價(jià)”的立體化漸進(jìn)評價(jià)體系，即對學(xué)生掌握的知識由理解—關(guān)聯(lián)—拓展—應(yīng)用創(chuàng)新的點(diǎn)、線、面、體的評價(jià)，從而多角度考核學(xué)生獲得能力情況。

“點(diǎn)評價(jià)”，即理解基本概念、基本術(shù)語的評價(jià)，通過課中雨課堂隨堂測試、提問進(jìn)行等；“線評價(jià)”是對學(xué)生知識點(diǎn)關(guān)聯(lián)能力的評價(jià)，通過如單元測試、任務(wù)描述及解決方案等綜合型題目進(jìn)行評價(jià)；“面評價(jià)”是知識拓展能力的評價(jià)，通過優(yōu)慕課單元測試、期末筆試進(jìn)行；在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)“問一問，答一答”的考核環(huán)節(jié)?！绑w評價(jià)”是知識應(yīng)用和創(chuàng)新的評價(jià)，結(jié)合前沿動態(tài)調(diào)查報(bào)告開放評價(jià)形式進(jìn)行考核。對于“體評價(jià)”的評價(jià)內(nèi)容，或有學(xué)生的創(chuàng)新和個人發(fā)揮，或有學(xué)術(shù)的開放性問題，所以答案有“不唯一、不確定、不明確”的特點(diǎn)，因此采用“比一比，看一看”的方式，促進(jìn)學(xué)生課程知識的應(yīng)用創(chuàng)新，強(qiáng)化學(xué)生溝通合作能力與創(chuàng)新能力基礎(chǔ)上的終身學(xué)習(xí)與持續(xù)發(fā)展能力的提升。

通過點(diǎn)、線、面、體不同層次的立體化設(shè)計(jì)評價(jià)，搭建起知識理解層、能力強(qiáng)化層、綜合提高層、應(yīng)用創(chuàng)新層的逐層遞進(jìn)的課程設(shè)計(jì)評價(jià)層次，對學(xué)生按階段進(jìn)行學(xué)習(xí)能力螺旋式的提升推動。

三、“三層三化四評價(jià)”課程教學(xué)效果

作為計(jì)算機(jī)硬件類入門課程，實(shí)施“三層三化四評價(jià)”后，學(xué)生硬件學(xué)習(xí)從入門、感興趣、激發(fā)主動性、提高創(chuàng)新性的過程中發(fā)揮了奠定知識基礎(chǔ)、綜合知識能力、推動硬件應(yīng)用、提高創(chuàng)新能力的積極作用。如在后續(xù)的大學(xué)生創(chuàng)新課程自主選題中，近70%的學(xué)生選擇單片機(jī)、嵌入式題目，畢業(yè)設(shè)計(jì)中，硬件類題目是學(xué)生選擇的熱點(diǎn)，這與三年前硬件題目是教師和學(xué)生不敢觸碰的冷門狀態(tài)對比發(fā)生了較大變化，具有面對挑戰(zhàn)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)的能力，符合新工科人才培養(yǎng)中的“具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神、學(xué)科交叉融合的知識結(jié)構(gòu)、國際視野、自主學(xué)習(xí)能力等”要求［3］；在學(xué)生選題時，能夠結(jié)合我國、我區(qū)的新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)的發(fā)展進(jìn)行選擇，如題目圍繞“智慧牧場的溫度調(diào)節(jié)控制”等，在MCU選型過程中，學(xué)生能夠關(guān)注國產(chǎn)芯片的現(xiàn)狀發(fā)展。課程結(jié)束后，學(xué)生紛紛主動購買單片機(jī)、嵌入式開發(fā)板，購買學(xué)生比例占95%以上，學(xué)生自主學(xué)習(xí)“單片機(jī)技術(shù)”“嵌入式技術(shù)”等相關(guān)課程并進(jìn)行實(shí)踐。

結(jié)語

新工科背景下的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)，在課程效果和人才培養(yǎng)方面取得了初步成效，下一步還要圍繞“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)如何在實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)內(nèi)容上，密切結(jié)合新工科專業(yè)特色和產(chǎn)業(yè)發(fā)展最優(yōu)成果設(shè)置實(shí)驗(yàn)”“在課程實(shí)施上，如何搭建具有開放性、共享性、拓展性、兼容性和前瞻性的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)運(yùn)行平臺”“落實(shí)好課程的實(shí)踐性”等問題進(jìn)一步思考和研究，從而全面提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)

［1］林健.新工科專業(yè)課程體系改革和課程建設(shè)［J］.高等工程教育研究，2020（1）：1-13+24.

［2］武文紅，董志學(xué)，張燕，等.以學(xué)生為中心的線上線下教學(xué)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合的實(shí)施案例：以《計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)》課程為例［J］.教學(xué)方法創(chuàng)新與實(shí)踐，2021，4（21）：56-58.

［3］周世杰，李玉柏，李平，等.新工科建設(shè)背景下“互聯(lián)網(wǎng)+”復(fù)合型精英人才培養(yǎng)模式的探索與實(shí)踐［J］.高等工程教育研究，2018（5）：11-16.

Research and Practice on Systematic Construction of Curriculum from the

Perspective of Emerging Engineering

WU Wen-hong， ZHANG Yan， WANG Xiao-rong

（College of Information Engineering， Inner Mongolia University of Technology， Hohhot， Inner Mongolia 010080， China）

Abstract： Under the background of emerging engineering education， this paper takes the Computer Composition and Structure course as an example， discusses the method and effect of curriculum systematization construction. Combined with the training objectives of this major， aiming at the problems of poor cross-integration of curriculum knowledge， lack of frontier dynamics and weak engineering practice， this paper puts forward the systematic construction idea of “three levels， three changes and four evaluations”. Firstly， the course knowledge is divided into “three levels”， namely， the basic principle level， the development research level and the research hotspot level. Then， the knowledge of different levels are integrated， task-based content and challenge-oriented curriculum， which are organized and implemented from the aspects of teaching concept， teaching content and teaching mode. Finally， the three-dimensional evaluation system of “four evaluations” is implemented to assess students’ performance in a progressive manner. The “four evaluations” starts from evaluating students’ ability to understand the key points; then it moves to a higher level to assess students’ competence to associate the keys points with their prior knowledge; then it upgrades to evaluate their ability to widen the scope of knowledge， and finally it reaches its highest level to evaluate students’ competence to apply the key points to innovate. It aims to help students’ knowledge， skills and accomplishment promote each other and improve together.

Key words： emerging engineering education; systematic; Computer Composition and Structure