計算機組成與結構金課建設的研究

摘要為了提高計算機組成與結構課程的教學質量，本文從課程資源、教學手段和課程考核方式等方面對該課程進行研究和改革，建設了面向線上線下教學的混合式的金課教學體系。同時本文對實驗教學體系進行了重新設計，將傳統的在試驗箱上進行的驗證型實驗改成了基于EDA平臺的設計型實驗，構建了完整的課程實踐系統。三年的教學實踐表明，學生的學習成績取得了較為明顯的進步，說明此方法適用于目前絕大多數計算機類專業的教學，具有一定的推廣和應用價值。

關鍵詞金課建設；混合式教學；課程體系

1引言

隨著計算機相關技術的發展和普及，高校的教學方法也在進行著變革，尤其是近幾年受疫情的影響，傳統線下教學已經無法滿足教學需求，全國乃至全球都在開展線上線下相結合的混合式教學。如何在這場教學方式的變革中，取得理想的教學效果，是每一位高校教師需要思考和解決的問題[1]?！队嬎銠C組成與結構》課程是計算機類專業的核心課程，在人才培養體系中具有種舉足輕重的地位。將其建設成一門有深度、有難度、有挑戰度的“金課”，脫離“水課”，對于本專業來說，是一件非常重要的事情[2]。本文在充分研究本課程教學現狀的基礎上，提出了一系列的改革措施。針對計算機類專業學生普遍存在的學習興趣低下、硬件基礎薄弱、理論實踐脫節等問題[3]，設計了基于“五感”的教學法，改革了實踐教學體系，并完善了混合式教學資源庫，充分利用教學平臺優勢，引導學生自主學習，采用多元課程評價系統[4]。經過3年的建設與實踐，取得了良好的教學效果，獲得了學生的一致好評。

2課程建設過程與實踐

“金課”的建設主要圍繞“兩性一度”來展開。為了達到此目的，本文在實踐教學體系、完善教學資源、采用多樣化教學手段和采用多元考核方式等方面，進行了相應的改革。

2.1實踐體系教學方式

本課程自2020年進行實踐教學的全面改革。在此之前，實踐一直采用在試驗箱上進行。由于試驗箱的組件已經設計好，因此學生只能按照廠家提供的電路圖，進行驗證性的實驗。以運算器實驗為例，學生只需輸入對應的數據，設置好控制端口，查看運算結果是否正確即可，無需了解運算器的硬件組成結構與工作原理。這樣會導致學生對運算器缺乏深入的了解。針對這種情況，將實驗課的純硬件驗證性改為軟件仿真+硬件驗證的實驗模式，即在EDA（Electronicdesignautomation）平臺上進行計算機硬件體系各組件的設計。實驗課程中，根據課程的內容，學生自行設計出對應的組件。例如在進行運算器的講解后，在授課教師的帶領下，學生自行設計8位或8位以上的運算器，實現多種算數邏輯運算。確認仿真無誤后，再將整個設計下載至FPGA（FieldProgrammableGateArray）開發板中驗證。根據本課程的內容，可以分為五個小實驗，分別運算器、存儲器、程序計算器、微程序控制器和四節拍脈沖發生器。這五個小實驗各自獨立，又相互關聯。實驗以運算器為核心，將設計好的各組件依次接入運算器[5]，最終形成一個簡易單且完整的，具體結構可參考圖1.整個實驗過程，緊扣理論教學內容，學生在“學中做，做中學”，真正做到理論指導實踐，實踐加深理解，從而形成一個良性循環[5-6]。

2.2線上教學資源體系

教學資源是混合式金課能夠順利開展的重要前提[7]。目前，以廣東海洋大學為例，大部分的線上線下混合課程，主要還是采用注重線下教學、線上輔助的方式進行，即線上更多的是用于課后練習，線上的資源不成體系，因此沒有充分發揮線上教學的優勢。本課程采用了學習通平臺作為課程資源建設的主要平臺，將課程的教學大綱、課件和相關的教學視頻都集中在該平臺。教學視頻分為三部分：（1）線下教學錄播視頻，采用真實的教學場景，根據學生上課的具體情況，采用線上直播課堂全程錄播。（2）符合SPOC需要的微視頻，以知識點為單位，錄制5-10分鐘左右的微視頻。同時，推薦合適的線上共享資源，如中國大學生慕課上的優秀案例等。（3）相關的思政題材和現代技術前沿的相關視頻。此三類視頻的用處各有不同，第三類視頻適合用在課前預習和質量拓展，提高學生的學習興趣和熱情，使學生帶著問題上課；第一、二類更適合有需要的學生反復觀看，適合課前預習和課后鞏固。除了教學視頻，課后的作業和測驗部分也必不可少。本課程充分利用學習與平臺的特性，建立了試題庫。在課堂教學中設置搶答題、思考題等，課后設置對應的小作業。每一章結束后，設置小測驗。在教學中期以及課程結束后，可以在平臺上利用試題庫進行期中測試和期末模擬測試，從而提高學生的最終成績。

2.3混合式多樣化的教學手段

要建設混合式教學金課，取得良好的教學效果，需針對不同的知識點，采用不同的教學方法和教學手段，使學生能夠在掌握知識點的同時，提升實踐動手能力和專業素養。本課程采用線上和線下教學混合的多樣化教學方式進行，具體措施如圖2所示。（1）設計了基于學生的五感課堂授課形式。本課程在預習階段，教師開放合適的慕課視頻作為學生地點預習和引入方式。視頻的長度在在十五分鐘左右，允許學生在觀看視頻的同時發送彈幕，發起討論話題，使學生充分交流，保持學習的新鮮感。對于共性的問題，教師在課堂中組織討論，給與解答。同時設計課堂練習，學生在教學平臺現場完成，及時給出答題的得分，充分調動學生危機感和緊張感。為了激勵學生，制定獎懲規則。對于評定優秀的學生，在全平臺進行表彰并推送給每一位學生。該表彰可以是精神和物質，從而充分調動學生的學習積極性，使學生能夠獲得成就感和榮耀感。（2）基于知識主軸課堂內容的加法和減法設計。與傳統無差別講解不同，教師基于學生課前預習的情況，根據本節課的內容，對講課內容進行及時調整，對重點知識進行講解和討論，了解性內容不在課堂過多贅述。對于人數較多的大課來說，現場的討論效率低下且參與率不高，因此在學習通平臺開展，再由授課教師進一步引導和講解。（3）基于平臺的知識眾籌。在學生在學習通平臺討論、答題和彈幕的過程中，利用平臺的信息功能進行知識眾籌，并以眾籌的結果作為切入點，及時了解學生的各知識點的掌握程度，講授和分析知識點，進一步提高學生的學習興趣。（4）基于案例和問題的教學驅動模式。本課程將傳統的驗證性實驗轉變為EDA平臺上的設計性實驗后，實踐構成一個完整的體系，最終達到設計CPU(CentralProcessingUnit)的目的。授課內容偏重點，亦圍繞該項目設計，最終達到“學中做、做中學”的目的，使得學生能夠學以致用，理論于實踐緊密結合。

2.4多元的課程評價系統

混合式金課的教學，作為傳統課程教學和線上教學的混合交叉模式，涉及本課程線上和線下教學的各個方面。因此舊的評價體系已經完全不能滿足需求[7]。本課程的考核內容，除了包含傳統的實驗、閉卷考試和課后作業外，重點在課堂中的考核，如課堂答題部分的得分、課堂表現含課前預習、課堂分組討論以及答題獎勵情況。利用學習通、雨課堂等平臺進行信息和成績的統計。學習過程情況最終體現在課程總評中。各環節具體所占的比例如表1所示。

3改革成效

針對本課程的教學效果，在2022年10月發起了問卷調查。調查對象是廣東海洋大學軟件工程專業2021級的全體學生，共146人。調查的主要內容是對本課程各章節學習形式及效果的滿意度調查，采用網絡問卷調查的形式。本調查共回收有效問卷121份，從調查結果分析可知，學生對本課程的認可度高。具體情況如圖3所示。本課程從2020年上半年實施全面改革以來，學生的學習效果效果也取得顯著的提高，主要體現在各指標點達成度在穩步逐年提高。根據本專業制定的教學大綱，本課程有3個教學目標，課程目標1主要考察學生的基礎知識，課程目標2主要考察學生的實踐動手能力，課程目標3主要考察學生的系統設計能力。各教學目標的達成度依據專業認證的要求進行，每個教學目標的達成度，根據大綱要求，計算個支撐點的得分，最后按比例計算出最后的實際得分與各達成度的總分之比。課程目標達成度評價值=課程目標實際平均評價值/課程目標考核環節設計評價值。課程目標考核環節設計評價值計算方法：支撐課程目標N的期末考試設計總分*期末考試占總評比例（%）+∑支撐課程目標N的作業考核設計總分*作業考核成績占總評比例（%）+∑支撐課程目標N的實驗考核設計總分*實驗考核成績占總評比例（%）+∑支撐課程目標N的實驗考核表現總分*表現考核成績占總評比例（%）。課程目標實際平均評價值計算方法：支撐課程目標N的期末考試實際得分總分*期末考試占總評比例（%）+∑支撐課程目標N的作業考核實際得分總分*作業考核成績占總評比例（%）+∑支撐課程目標N的實驗考核實際得分總分*實驗考核成績占總評比例（%）。本文統計了軟件專業學生在2017級至2021共四個年級的學生學習達成度，具體如圖4所示。2017級學生學習該課程的時候，尚未實施改革。分析該圖的數據可知，進行改革后，學生的成績對比改革前，有較大幅度的提高，21年至22年，則保持在一個較為穩定的高達成度狀態。

4結語

在目前情況下，混合式教學打造“金課”是高校教學發展的一條必經之路。隨著計算機相關技術的發展，學生的心理、學習習慣和思維方式亦發生了巨大的變化。如何在當前復雜的情形下，正確引導學生積極主動地學習，取得良好的教學效果，是每一位高校教師需要思考的問題和努力的方向。本課程建設和改革前后經過3年的研究與實踐，結果表明學生的學習效果取得了較明顯進步。當然本課程在實施過程中也存在不足之處，如教學資源不夠豐富、對于考研的學生引導和關注不足等。這是后續需要持續改進的地方。

參考文獻

[1]李南楠,李杰,顧雅珍,等.計算機校企合作實訓金課建設研究.赤峰學院學報,2020(06):77-80

[2]湯曉蒙,何昕,楊婕.有關“金課”概念的省思.高教探索,2020(10):67-72

[3]吳銀銀.“金課”建設的理論探源與教學實踐.當代教育與文化,2020,12(6):93-97

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[8]湯智,計偉榮.金課:范式特征、建設困局與突圍路徑.中國高教研究,2020(11):54-59

作者:劉桃麗 張健 單位:廣東海洋大學計算機組成與結構