沈丹瑩

（閩江學(xué)院計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，福建 福州 350108)

1 引言

工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證以“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”為基本理念，是推進(jìn)工程人才培養(yǎng)質(zhì)量提升、推動(dòng)專(zhuān)業(yè)發(fā)展進(jìn)入快車(chē)道，建設(shè)“一流專(zhuān)業(yè)”的重要舉措[1]。閩江學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)獲批2021年度國(guó)家一流本科專(zhuān)業(yè)建設(shè)點(diǎn)，參與并通過(guò)教育部工程教育認(rèn)證勢(shì)在必行。積極參與并推動(dòng)工程教育認(rèn)證是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)每一位教師的責(zé)任，為此，本文以專(zhuān)業(yè)核心課程——計(jì)算機(jī)組成原理為例進(jìn)行教學(xué)改革探索與實(shí)踐。

2 計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)現(xiàn)狀

學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)組成原理課程，能夠使學(xué)生系統(tǒng)地了解計(jì)算機(jī)各功能部件的邏輯組成與運(yùn)行機(jī)制，形成計(jì)算機(jī)整機(jī)概念，為今后學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、ARM體系與接口技術(shù)等專(zhuān)業(yè)課程打好基礎(chǔ)。它是計(jì)算機(jī)及其相關(guān)專(zhuān)業(yè)本科學(xué)生的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的核心課程之一，在計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)教學(xué)中占有重要的地位和作用。但由于課程涉及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)底層硬件，內(nèi)容比較抽象且碎片化，同時(shí)在日常教學(xué)中存在教具缺乏、學(xué)校實(shí)驗(yàn)條件欠佳等問(wèn)題，學(xué)生普遍反映學(xué)習(xí)難度較大，無(wú)法準(zhǔn)確把握課程的重點(diǎn)與難點(diǎn)，期末考核成績(jī)不夠理想；另外，課程考核方式比較單一，過(guò)程性評(píng)價(jià)與監(jiān)督機(jī)制不足，難以支持其對(duì)學(xué)生能力培養(yǎng)的要求。

3 面向工程教育認(rèn)證的計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)改革

過(guò)去實(shí)行的教育關(guān)注點(diǎn)聚焦在教師如何教好學(xué)生，而如今工程教育認(rèn)證注重的是學(xué)生如何學(xué)好課程，它使得“學(xué)生為中心”第一次有了明確合理的體系框架。以生為本，任課教師必須明確學(xué)完這門(mén)課程學(xué)生應(yīng)具備的能力是什么，為什么要讓學(xué)生具備這些能力，如何有效地幫助學(xué)生具備這些能力以及評(píng)價(jià)這些能力的方法和手段有哪些[2]。下文從教學(xué)思路改革、教學(xué)方法與手段改革、教學(xué)案例設(shè)計(jì)與持續(xù)改進(jìn)措施四個(gè)方面闡述計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)改革的具體實(shí)踐。

3.1 計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)思路改革

1)課程教學(xué)目標(biāo)的分解。工程教育認(rèn)證在培養(yǎng)目標(biāo)、畢業(yè)要求、持續(xù)改進(jìn)等7個(gè)方面有明確的規(guī)定和具體要求。其中“畢業(yè)要求”是培養(yǎng)目標(biāo)達(dá)成的重要支撐，畢業(yè)要求達(dá)成度評(píng)價(jià)是衡量學(xué)生學(xué)習(xí)成果的重要手段。基于OBE的理念，將閩江學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的12項(xiàng)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行拆解，再將指標(biāo)點(diǎn)映射到具體課程，畢業(yè)要求的達(dá)成依賴(lài)于課程教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)目標(biāo)可分解為4個(gè)小點(diǎn)，分別與其4個(gè)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)[3]。課程教學(xué)目標(biāo)1為掌握組成原理基礎(chǔ)知識(shí)，并能用于理解計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)；課程教學(xué)目標(biāo)2為掌握組成原理的基本原理與基本方法，并能對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行推理和驗(yàn)證；課程教學(xué)目標(biāo)3為掌握處理器及微體系結(jié)構(gòu)層的相關(guān)原理，進(jìn)一步提高學(xué)生對(duì)組成原理復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行分析和解決的能力；課程教學(xué)目標(biāo)4為能夠系統(tǒng)地理解計(jì)算機(jī)各功能部件的邏輯組成與運(yùn)行機(jī)制，形成計(jì)算機(jī)整機(jī)概念，提高學(xué)生對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行研究的能力。課程教學(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表所示。

表1 課程教學(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2)建立教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。課程教學(xué)內(nèi)容由各個(gè)知識(shí)章節(jié)組成，為了實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)目標(biāo)，必須將知識(shí)章節(jié)映射到教學(xué)目標(biāo)，同時(shí)明確各章節(jié)與能力培養(yǎng)的關(guān)系。如表2所示，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論、系統(tǒng)總線(xiàn)、存儲(chǔ)器及輸入輸出系統(tǒng)皆對(duì)應(yīng)教學(xué)目標(biāo)1和4，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論不做實(shí)際考核，只是強(qiáng)調(diào)目標(biāo)1能力的培養(yǎng)，后三者是目標(biāo)1的考核內(nèi)容；計(jì)算機(jī)的運(yùn)算方法與指令系統(tǒng)對(duì)應(yīng)教學(xué)目標(biāo)2和4，考核教學(xué)目標(biāo)2；CPU的結(jié)構(gòu)和功能、控制單元的功能和設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)教學(xué)目標(biāo)3和4，考核教學(xué)目標(biāo)3；組成原理實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)教學(xué)目標(biāo)4。在對(duì)應(yīng)教學(xué)目標(biāo)4的知識(shí)章節(jié)中，除實(shí)驗(yàn)對(duì)目標(biāo)4需進(jìn)行考核外，其余章節(jié)僅與能力培養(yǎng)有關(guān)而不必進(jìn)行具體考核。

表2 知識(shí)章節(jié)與教學(xué)目標(biāo)

上表中：C：Covered，E：Emphasized，AE：Assessed&Evaluated。

3)將課程考核方式關(guān)聯(lián)到教學(xué)目標(biāo)。課程教學(xué)目標(biāo)是否能夠達(dá)成需經(jīng)由課程考核得以衡量，在學(xué)期初將課程考核方式與占比以及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)等向?qū)W生公布。擴(kuò)充課程過(guò)程性評(píng)價(jià)考核項(xiàng)目，增加階段小測(cè)，加強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程的監(jiān)督與評(píng)價(jià)。作業(yè)小測(cè)、課堂提問(wèn)與實(shí)驗(yàn)，三項(xiàng)成績(jī)均為五級(jí)制，期末總評(píng)時(shí)再換算成百分制以便衡量教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成度?？己朔绞脚c教學(xué)目標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。

表3 課程考核方式

3.2 計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)方法與教學(xué)手段改革

1)將碎片化的教學(xué)內(nèi)容模塊化，形成完整的知識(shí)體系。針對(duì)課程的特點(diǎn)將組成原理內(nèi)容模塊化，大致分為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論、系統(tǒng)總線(xiàn)、存儲(chǔ)器（包括主存儲(chǔ)器、高速緩沖存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器）、輸入輸出系統(tǒng)、中央處理器（包括運(yùn)算方法、指令系統(tǒng)及CPU的結(jié)構(gòu)與功能）、控制單元（包括功能與設(shè)計(jì)）六大模塊。從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)入手，由整體到局部，由外圍到核心，結(jié)合計(jì)算機(jī)組成發(fā)展的趨勢(shì)，重點(diǎn)通過(guò)例題講解來(lái)加深學(xué)生對(duì)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握，幫助他們學(xué)會(huì)將知識(shí)和原理應(yīng)用于實(shí)際問(wèn)題的分析和解決，從而達(dá)到能力培養(yǎng)的目的[4]。

2)知識(shí)章節(jié)結(jié)束時(shí)幫助學(xué)生進(jìn)行階段小結(jié)。在每個(gè)知識(shí)章節(jié)結(jié)束時(shí)，以提問(wèn)的方式引導(dǎo)學(xué)生概括出該章節(jié)的主要內(nèi)容和重點(diǎn)難點(diǎn)，并提出還存在疑問(wèn)的地方。這個(gè)方法可以幫助學(xué)生回顧已學(xué)內(nèi)容，進(jìn)行自我總結(jié)，教師可及時(shí)解答學(xué)生的疑難問(wèn)題，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和消化，促成教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。自我階段小結(jié)是過(guò)程評(píng)價(jià)的手段之一，可作為課堂提問(wèn)成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)的依據(jù)。

3)安排學(xué)生參與出題，利用超星學(xué)習(xí)通App進(jìn)行階段小測(cè)。階段小結(jié)之后隨即進(jìn)行階段小測(cè)，打破傳統(tǒng)由教師出題的模式，代之以學(xué)生出題，提高他們學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。課程一學(xué)期共進(jìn)行6次小測(cè)，將學(xué)生分組，每組學(xué)生負(fù)責(zé)其中的一次小測(cè)出題。學(xué)生需根據(jù)階段小結(jié)得出的課程重點(diǎn)和難點(diǎn)知識(shí)出題，每次小測(cè)的題目由教師審核修改后發(fā)布進(jìn)行測(cè)試。被選中題目最多的小組，每人在過(guò)程性評(píng)價(jià)的作業(yè)小測(cè)項(xiàng)得到額外加分。小測(cè)題型為選擇和填空，用時(shí)10～15分鐘，除計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論外，在講授新章節(jié)之前均利用課外時(shí)間進(jìn)行在線(xiàn)小測(cè)。這種方式不僅能夠及時(shí)跟蹤檢查學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況，而且極大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性；教師可對(duì)小測(cè)出錯(cuò)率高的題目進(jìn)行講評(píng)梳理以達(dá)到及時(shí)查缺補(bǔ)漏鞏固知識(shí)的目的。階段小測(cè)是過(guò)程性評(píng)價(jià)與監(jiān)督的有效方法，可為教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成提供有力保障。

4)選用學(xué)生助教幫助作業(yè)批改與實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。善于利用榜樣的力量促進(jìn)班級(jí)學(xué)習(xí)氛圍的形成。招聘高年級(jí)已學(xué)習(xí)過(guò)計(jì)算機(jī)組成原理且成績(jī)優(yōu)秀的學(xué)生擔(dān)任課程助教，協(xié)助教師進(jìn)行作業(yè)批改和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，讓學(xué)生在與優(yōu)秀助教的溝通交流中受到潛移默化的影響，培養(yǎng)自覺(jué)學(xué)習(xí)的好習(xí)慣。助教參與實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)既加強(qiáng)了對(duì)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)的監(jiān)督力度，還可及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，及時(shí)聯(lián)系廠(chǎng)家進(jìn)校維修，確保后續(xù)實(shí)驗(yàn)課能夠正常上課。

3.3 計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)案例設(shè)計(jì)

下面以組成原理教學(xué)中的重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容——“存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)展”為例進(jìn)行課前、課中和課后教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)（表4)，遵循“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，授課過(guò)程中采用提問(wèn)法、練習(xí)法與案例分析法引導(dǎo)學(xué)生做學(xué)習(xí)的主人，在體會(huì)到主動(dòng)學(xué)習(xí)樂(lè)趣的同時(shí)掌握存儲(chǔ)器容量擴(kuò)展的要訣[5]。

表4 教學(xué)活動(dòng)案例設(shè)計(jì)

3.4 教學(xué)成效與持續(xù)改進(jìn)措施

經(jīng)過(guò)對(duì)2020級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)一個(gè)學(xué)期的教學(xué)實(shí)施，取得了一定的教學(xué)成效，學(xué)生普遍反映學(xué)習(xí)主動(dòng)性得到提高，學(xué)習(xí)獲得感得到了一定的增強(qiáng)。學(xué)期期末考核后發(fā)現(xiàn)：課程目標(biāo)1與課程目標(biāo)4達(dá)成情況較好，表明學(xué)生對(duì)組成原理的重點(diǎn)基礎(chǔ)知識(shí)掌握較好，并且建立了較完備的計(jì)算機(jī)整機(jī)概念。課程目標(biāo)2、3達(dá)成度較低，目標(biāo)2主要考查計(jì)算機(jī)的運(yùn)算方法和指令格式的設(shè)計(jì)原則，目標(biāo)3主要考查CPU的結(jié)構(gòu)和功能以及控制單元的功能。反映學(xué)生對(duì)組成原理的某些基本理論掌握得不夠扎實(shí)，將理論應(yīng)用于實(shí)際問(wèn)題、分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力還比較薄弱。

針對(duì)以上情況，今后的課程教學(xué)考慮從以下三個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：

1)加強(qiáng)學(xué)生的計(jì)算能力訓(xùn)練，盡力減少計(jì)算錯(cuò)誤；針對(duì)學(xué)生掌握薄弱的知識(shí)點(diǎn)，如擴(kuò)展操作碼編碼技術(shù)、中斷屏蔽字的設(shè)置、流水線(xiàn)時(shí)空?qǐng)D的做法以及微指令格式的設(shè)計(jì)，增加案例講解和練習(xí)力度。

2)調(diào)整教學(xué)進(jìn)度和內(nèi)容安排，適當(dāng)弱化其他非重點(diǎn)知識(shí)的介紹，騰出足夠時(shí)間為重點(diǎn)知識(shí)服務(wù)。

3)在課堂教學(xué)中增加更多的互動(dòng)環(huán)節(jié)，關(guān)注學(xué)生掌握程度，及時(shí)調(diào)整教學(xué)方法。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以計(jì)算機(jī)組成原理課程為例，闡述了工程教育認(rèn)證背景下該課程的教學(xué)改革思路與具體實(shí)施情況。教學(xué)是一個(gè)不斷迭代和持續(xù)改進(jìn)的過(guò)程，根據(jù)課程教學(xué)目標(biāo)以及培養(yǎng)成效的評(píng)價(jià)結(jié)果，可以分析課程教學(xué)的成效和存在的問(wèn)題。參與工程教育認(rèn)證的過(guò)程也是教學(xué)人員不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，改進(jìn)教學(xué)的過(guò)程。在“以學(xué)生為中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的基本理念指導(dǎo)下，積極推進(jìn)工程教育認(rèn)證工作，促進(jìn)專(zhuān)業(yè)建設(shè)與人才培養(yǎng)的目標(biāo)早日達(dá)成。