宋婷婷?葉逸琛

摘要：新工科背景下，“立足社會需求，面向?qū)嶋H應用”是適應國家信息化建設和地方經(jīng)濟轉(zhuǎn)型發(fā)展，培養(yǎng)富有社會責任感和創(chuàng)新應用型專業(yè)技術(shù)人才的基本要求。本文以計算機組成原理課程為例，分析目前該課程教學中存在的問題，并結(jié)合課程特性探索線上線下混合多元教學模式，提出虛擬仿真與實際操作共同強化實踐教學的新型教學和考核評價方式。同時，在課程中融入思政教育，以培養(yǎng)滿足計算機專業(yè)“新工科”建設需求的德、智、體全面發(fā)展創(chuàng)新復合型人才。

關鍵詞：計算機組成原理；新工科；實踐教學；創(chuàng)新應用

一、引言

在“互聯(lián)網(wǎng)+”“網(wǎng)絡強國”等國家重大戰(zhàn)略的推動下，深化教育教學改革創(chuàng)新，打造“新結(jié)構(gòu)、新質(zhì)量、新理念、新體系、新模式”的新工科成為高校工科相關專業(yè)建設與發(fā)展的必然。2017年2月，我國教育部發(fā)布的《關于開展新工科研究與實踐的通知》中明確強調(diào)高等工程教育在我國高等教育中占有重要的地位，以及深化工程教育改革、建設工程教育強國對于服務和支撐我國經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級的重大意義[1]，其為推進高校新工科專業(yè)的建設指明了方向。與此同時，教育部積極推進新工科建設，分別在復旦大學、天津大學以及北京形成了新工科建設“三部曲”——“復旦共識”[2]、“天大行動”[3]、“北京指南”[4]，為我國高等教育新工科的建設目標和改革創(chuàng)新提出了新要求和新路線。綜上所述，基于“新工科”的辦學理念，以學生工程應用能力的培養(yǎng)為基本，堅持強化實踐教學，培養(yǎng)改革創(chuàng)新應用型專業(yè)技術(shù)人才是高校亟需實現(xiàn)的教育改革目標。本文以計算機組成原理為例，探索“新工科”背景下該門課程的新型教學模式，以改善學生對該課程的學習狀況，提升學生的應用創(chuàng)新與實踐能力。

二、課程地位與教學中存在的問題

計算機組成原理在計算機類課程體系中占有重要地位[5]，當前計算機相關專業(yè)的課程體系設置大致如圖1中所示?？梢钥闯?，計算機組成原理是計算機硬件課程的最上層，具有承上啟下的重要作用，主要講述計算機整機設計及其各部件具體實現(xiàn)。目前，在該課程的實際教學過程中存在著一些典型問題。該課程的主要知識目標是使學生掌握計算機硬件系統(tǒng)在系統(tǒng)總線、存儲器、I/O系統(tǒng)、指令系統(tǒng)、運算單元等方面的基本結(jié)構(gòu)、功能及實現(xiàn)原理，因此要求學生在課程之前具備數(shù)字電路與簡單邏輯設計的基本能力。然而，一方面由于課程本身難度較大，課程內(nèi)容比較抽象，且偏向硬件和理論，學生理解困難；另一方面當前部分高校計算機專業(yè)學生在原有的知識結(jié)構(gòu)中缺乏硬件的基本概念和基礎，尤其部分高校計算機類大類招生背景下的培養(yǎng)方案中缺少本課程的前序課程如數(shù)字電路與邏輯設計、匯編語言程序設計等，或?qū)⑸鲜稣n程與本課程安排在同一學期進行教學，學生缺少前期課程基礎、缺乏軟硬協(xié)同的全局思維，難以理解某些硬件部件的工作原理和軟硬件協(xié)同工作的過程，影響教學進度和教學效果。其次，在能力目標上期望學生通過課程的學習能夠運用計算機組成的基本原理和方法，對計算機硬件系統(tǒng)中的實際問題進行分析、計算和設計，具備不斷自主學習、適應學科發(fā)展以及解決實際復雜工程問題的能力。但是在實際教學中，課程教學內(nèi)容多，教學過程“重理論輕實踐”，忽略了學生實踐能力與工程能力的培養(yǎng)，在課程實踐教學時學生往往只是遵循實驗指導按部就班地完成驗證性實驗，缺乏一定的設計和創(chuàng)新應用能力，這與新工科專業(yè)課程的建設目標存在一定的差距。最后，應積極響應關于課程思政建設的指示精神，在課程教學中融合思政育人，潛移默化培養(yǎng)學生“科技強國”的使命感和“堪當大任”的責任感?；谏鲜龇治龊彤斍盎谟嬎銠C組成原理的課程改革情況[6-10]，本文將基于計算機組原理的“知識、能力、育人”三重目標，改革優(yōu)化教學與評價制度，建立以“基礎——專業(yè)——實踐——創(chuàng)新”為主線的授課理念，探索線上與線下相結(jié)合、虛擬仿真與實際操作相結(jié)合的教學方式，形成“知識、思維、實踐、創(chuàng)新”四位一體的課程建設模式，培養(yǎng)滿足計算機專業(yè)“新工科”建設需求的創(chuàng)新復合型人才。

三、課程教學改革與創(chuàng)新

（一）線上線下混合的多元教學模式

根據(jù)計算機組成原理的課程內(nèi)容和培養(yǎng)目標，通過課程的學習要求學生具備相應的工程知識能力、分析問題能力、設計/開發(fā)解決方案能力、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展評價能力，最終形成終身學習的能力。結(jié)合課程內(nèi)容以及“新工科”課程建設的建議和要求，基于上述教學活動中存在的問題和教學目標，在該課程的教學活動中可采取線上線下混合的多元教學模式，如表1所示。

當前信息化時代線上教學資源豐富且形式靈活，該課程內(nèi)容抽象且重難點內(nèi)容多，通過學生課前線上自主學習情況的反饋可幫助教師傾向性地展開線下教學，將線下寶貴的課堂時間用于重難點內(nèi)容的細講和精講，及時解決學生學習新知識點時遇到的疑惑和困難，保證授課效果。同時，在線下教學活動中學生可與任課老師及時互動，通過結(jié)合線上組織隨堂問答、搶答、測驗等方式，能夠充分調(diào)動學生學習的積極性，及時反饋學生的學習效果，將課堂教學模式由教師教授為主轉(zhuǎn)變?yōu)閷W生學習為主，提高學生學習的效能，培養(yǎng)學生自主探究學習和終身學習的能力。結(jié)合計算機組成原理的課程特點，在該課程中引入線上線下的混合式教學，一方面有助于改善傳統(tǒng)教學模式中存在的課堂互動率不高、學生參與度較少、課堂教學趨于枯燥、學生學習較難內(nèi)容時壓力大等問題；另一方面考核標準是檢驗學生學習效果的重要手段，也是教師反思教學活動的重要依據(jù)，線上線下混合的教學模式有助于形成診斷性評價、過程性評價和總結(jié)性評價，幫助教師制定出更全面更能體現(xiàn)學生的工程應用思維和計算機技術(shù)相關能力的考核制度。

（二）虛擬仿真與實際操作共同強化實踐教學

將“四個面向”作為科教工作者的遵循原則，強化實踐教學，使學生具備創(chuàng)新應用能力是當前高校科教的育人目標之一。計算機組成原理課程實踐涉及寄存器、存儲器、運算器、微程序計數(shù)器、時序發(fā)生器、模型機綜合實驗（微程序控制器）、組合邏輯控制、模型機擴展實驗、指令設計和指令系統(tǒng)等多個實驗內(nèi)容，單一模塊的驗證性實驗較為簡單，但是基于各個部件綜合實現(xiàn)整體功能的綜合性實驗內(nèi)容復雜難度大，學生往往難以理解。在當前計算機組成原理的實踐教學中，部分院校仍采用專用硬件實驗箱來進行實驗設計與驗證，但基于硬件實驗箱的計算機組成原理實驗通常存在幾個問題：①實驗箱通常由院校實驗室統(tǒng)一管理，學生不方便預習和回顧；②實驗課時少、課程時間緊促，學生只是機械性地按照實驗指導內(nèi)容進行電路搭建和實驗驗證，缺乏自主思考和創(chuàng)新設計的思維；③硬件實驗箱內(nèi)部器件容易損壞，維修較為困難，更新成本高、周期較慢；④部分教學環(huán)境硬件實驗設備不充裕，多個學生為一組進行課程實踐內(nèi)容，學生參與度低，渾水摸魚的情況較多，影響實踐過程化考核教師的評判標準，增加考核難度。

目前已有部分院校將該課程實驗改為基于軟件平臺的虛擬實驗仿真，學生可根據(jù)實驗內(nèi)容多時多地完成實踐內(nèi)容，并且軟件平臺不存在器件損壞等情況，軟件升級與維護成本相對較低，學生可放心大膽地設計電路進行仿真驗證，可以更好地保證每位學生的參與度，提高學生的工程實踐能力。然而，當前計算機類專業(yè)培養(yǎng)方案多存在重視軟件課程的現(xiàn)象，作為專業(yè)課程體系中為數(shù)不多的硬件課程沒有硬件實驗作為實踐支撐，在教學過程中學生軟件/硬件協(xié)同的系統(tǒng)觀和硬件思維難以建立。因此，在計算機組成原理實踐教學中，為使學生的實踐應用能力得到更好的鍛煉，可采用虛擬仿真模擬與硬件實驗實際操作相結(jié)合的方式共同強化實踐教學效果，線上基于OWVLab PCC虛擬仿真實驗平臺進行實驗安排、實驗設計、實驗報告提交、實驗批改等事宜，線下基于DICE-CP226試驗箱對虛擬仿真實驗進行驗證，進而構(gòu)建“基礎實踐、綜合實踐、科技創(chuàng)新實踐、工程導向?qū)嵺`”四個層面，體現(xiàn)多元化的實踐創(chuàng)新教學模式。這種強化實踐教學的模式便于教師進行實踐教學評價，便于學生摸索探究實驗，縮小了從單一部件實驗到復雜的綜合整機實驗難度差距，讓更多的學生都參與到實驗課堂中，提升學生工程實踐和創(chuàng)新性設計的能力，同時該方式能夠更好地滿足新冠疫情常態(tài)化防控對遠程實踐教學的需求。

（三）融入課程思政進行教學

高校教師是高校落實立德樹人的中堅力量，深入挖掘課程中所蘊含的思政要素，將思想政治工作貫穿教育教學全過程是高校“推進課程思政，助力立德樹人”的根本舉措。緊緊圍繞專業(yè)人才培養(yǎng)目標和課程教學內(nèi)容深入挖掘思政元素，形成融入課程思政元素的立體化課程資源建設是非常有必要的。計算機組成原理是計算機專業(yè)的核心基礎課程，在其中融入思政教育具有獨特的先天優(yōu)勢，可從愛國情懷、創(chuàng)新意識、文化自信、責任擔當和工匠精神這五個方面引導并幫助學生樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀，實現(xiàn)知識傳授、能力培養(yǎng)和三觀塑造的三位一體目標。同時，注重日常教學環(huán)節(jié)中規(guī)范學生的行為，潛移默化地激發(fā)學生的學習動力和學習興趣，堅定學生的學習信念，培養(yǎng)學生勇于承擔和履行建設我國信息化社會的責任，努力成為符合新工科專業(yè)建設要求的高素質(zhì)信息化人才。此外，高校教師應加深對黨的路線、方針、政策尤其是與教育領域相關政策的理解，加深對教育以及科研等工作政治意義的認知，只有不斷提升自身的政治判斷力、政治領悟力、政治執(zhí)行力，才能全面落實立德樹人的根本舉措，加強馬克思主義對青年學生的影響，使學生具備良好的黨和國家意識，更好地實現(xiàn)課程的育人目標，培養(yǎng)滿足“新工科”建設需求的復合型人才。

（四）課程教學評價與考核方式

基于上述計算機組成原理課程改革教學探析，課程教學將通過期末考試和過程化考核進行綜合評價，同時加大過程化考核占比，如表2所示為課程考核方式。期末考試主要考查學生的知識目標是否達標，過程化考核是對學生平時表現(xiàn)、線上線下課程參與度、實踐課程的綜合考評，主要考查學生是否達成能力培養(yǎng)目標，重點考查學生的實驗設計能力、運用理論知識點支撐實驗能力、實際動手能力、實驗結(jié)果分析能力、實驗結(jié)果分析能力等。

四、結(jié)束語

基于我國高等教育新工科的建設目標和改革創(chuàng)新，當務之急是培養(yǎng)擁有創(chuàng)新應用實踐能力、掌握新興科學技術(shù)的復合型人才。為深入貫徹“新工科”理念，本文針對計算機專業(yè)核心基礎課程——計算機組成原理的教學改革進行了探析，探索形成了新工科背景下該課程的新型教學模式和課程評價方式，以大力提升教師課堂的教學效率和學生課堂的學習效率，培養(yǎng)學生自主學習和終身學習的能力。同時，提出虛擬仿真與實際操作相結(jié)合的強化實踐教學模式，以培養(yǎng)適應改革創(chuàng)新應用的復合型專業(yè)技術(shù)人才。

作者單位：宋婷婷? ?重慶師范大學計算機與信息科學學院

葉逸琛 西南大學電子信息工程學院

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