“新工科”背景下計算機組成原理課程教學探索

蔣玉英，葛宏義，張玉宏，張自豪，孫 釗，韓中澤

（1.河南工業大學人工智能與大數據學院，河南 鄭州 450001；2.河南工業大學信息科學與工程學院，河南 鄭州 450001）

0 引言

隨著經濟社會的發展，人工智能、大數據、“互聯網+”等技術迅猛發展，社會和企業對生產、建設、管理和服務等人才的培養發生了全新的變化。傳統的被動式教學模式已經不再適用于當今社會發展對的人才培養的需求，在“新工科”建設[1]和課程思政理念的背景下，面向工程教育認證理念[2]，注重學生創新思維，發揮學生創新能力，以有效提升高技能創新型人才是當前高校大力提倡的教學理念。

計算機組成原理是數據科學與大數據專業的必修課，涉及知識面廣、信息量大，對數據科學與大數據專業學生學好后續專業課程息息相關，旨在培養學生熟練掌握計算機組成的基本概念、邏輯實現以及工作原理。總體來說，計算機組成原理課程講述的知識點偏硬件，由于數據科學與大數據專業的學生缺少硬件先修課程，基礎薄弱而理解困難，并且缺乏有效的應用場景，同時在傳統的教學模式中，以教師為中心，教師是課堂的主體，學生和教師之缺少有效地互動，導致課堂學習效率低下，學生缺乏學習積極性，因此在人工智能時代背景下，如何激發學生學習興趣，提高課堂學習效果，培養適應新科技產業進步的新工科人才是高校亟待解決的突出問題。

因此，在多年本科教學經驗積累的基礎上，面向新工科建設，堅持OBE理念，以學生為中心，并根據數據科學與大數據專業的特點，結合現有教學條件與環境，改革計算機組成原理課程教學模式，培養當代大學生的自主學習、創新實踐、能夠解決大數據領域復雜工程問題的能力。

1 課程教學目標

計算機組成原理是數據科學與大數據專業的核心課程，也是計算機相關專業的研究生入學考試課程。計算機組成原理課程旨在引領學生深入掌握計算機系統的內部組結構組成及其工作原理。根據數據科學與大數據專業畢業要求，從知識、能力和素質培養出發，確定了如下四個課程目標：

（1）能夠運用數學、數據科學與大數據技術基礎知識和專業知識合理評價大數據工程解決方案。

（2）能夠從數學、自然科學和數據科學與大數據技術專業知識的角度，對大數據復雜工程問題的解決方案進行分析，并嘗試改進。

（3）能夠根據需求確定大數據系統和應用項目的設計目標，能夠針對復雜工程問題進行系統概要設計和詳細設計。

（4）能夠基于數據科學和大數據技術的相關原理，識別和理解大數據復雜工程問題的相關特性。

2 面向“新工科”的課程教學改革探索

根據課程教學目標，計算機組成原理課程改革從教學內容、教學模式、課程思政、實驗教學、課程考核等5個方面進行，探索有效的教學方式。

2.1 拓展教學內容

目前計算機組成原理教材主要講授經典的8086/8088系統的組成和工作原理，教學內容缺乏新穎性，因此在當前大時代背景下，以培養學生創新能力為目標，以培養能夠解決實際問題的復合型新工科人才為需求[3]，調整課程教學內容，拓展理論課程的課堂教學知識內容，適當引入貼近生活易懂的前沿型案例，與學生引起共鳴，調動課程氛圍。聚焦科技前沿，反哺課堂教學。例如在講授計算機發展史的時候，引入2019問世的由中科大等單位研制的“九章”量子計算機，標志著我國計算機發展進入了一個新的高度，成功達到了量子計算研究的第一個里程碑。在講授存儲器章節知識點的時候，可以引入我國最新研發的自主產權芯片，如中國科學院計算技術所研發的龍興芯片和華為的蛟龍芯片，讓學生全面了解我國的科技發展水平，響應國家安可工程，激發學生的求知欲和學習興趣。

2.2 教學模式改革

“新工科”改革強調創新教學模式，計算機組成原理教學模式的革新主要包括：

問題驅動，引導探索：以學生為中心，問題為導向，引導學生對新知識的探索，例如在觀看視頻或授課過程中增加提問環節。例如在講授半導體存儲芯片的譯碼驅動方式線選法時，采用動畫的形式展示線選法譯碼驅動工作原理，并設計提問“線選法譯碼驅動的缺點是什么？”，在解答問題的同時提出重合法譯碼驅動方式。通過課程相關知識問題的設置，引導學生尋求問題的解決方案，動態考核學生對相關知識點的掌握情況，加深學生對相關知識的映像，激發了學生的學習積極性。

任務驅動，互動討論：由于數據科學和大數據專業在計算機相關專業中的特殊性，要求面向新工科的計算機組成原理教學內容和教學模型具備探索性和前沿性。因此在授課過程中增加翻轉課堂的教學模式，按照教學大綱將課程任務劃分為若干個知識板塊，并將學生進行分組，每組4～5位同學，每小組負責講解一個知識板塊。教師和其他學生分別對每位同學進行提問，并根據講解和回答情況進行評價，同時小組成員內部需要進行自評和組內互評。為了防止組內成員相互包庇，組內互評時，不要根據最內貢獻度評出不同分數，如果組內分數一樣，將作廢處理，進而逐步提升學生團隊合作、遇到問題自行解決問題的素養。

項目驅動，團結協作：引導學生在學習課堂知識之余，積極參與到教師科研隊伍中，在平衡學習和閑暇時間之余，積極參加各種創新創業競賽（如挑戰杯、“互聯網+”等），或者任課教師根據每個知識板塊布置幾個小項目，例如在講授指令系統相關章節知識時，讓學生采用匯編語言動態展示左手逃生法則演示程序。由學生自主組隊，3～4位同學一組，每位同學各司其職，各盡其能，合作完成并展示結果和提交設計說明報告，作為期末最終考核成績的加分項，從而培養學生獨立解決工程問題的能力和團結協作精神，鍛煉溝通表達能力和動手解決問題的能力。課程目標與教學環節的對應關系如表1所示。

表1 課程目標與教學環節對應表

2.3 課程思政融入

在計算機組成原理課程授課中融入課程思政教育，建立課程思政育人模式，在隱性教育中提高學生的政治覺悟和思想政治素養[4-5]。因此任課教師需要梳理挖掘課程各章節知識與思政要素的融合點，在課堂教學過程中隱性穿插課程思政元素。例如：通過“計算機之父──馮·諾依曼”引出“中國巨型計算機之父──慈云桂”，培養學生愛國、敬業，勇于探索和發現問題的工匠精神；通過“計算機前沿動態發展、芯片制造”等知識的講授過程中以中興、華為為例，增強學生科技興國的民族意識，樹立吃苦耐勞、團結合作精神；通過“CPU和總線系統”等相關內容的學習，幫助學生領悟堅持黨的領導，全面依法治國的真諦。

在課程中融入思政教育，強化對大學生愛國敬業、誠信友善、吃苦耐勞、勇于創新的社會責任感的培養，是提升教學質量，是培養德智體全面發展當代大學生的有效途徑。

2.4 實驗教學改革

為了提高本科教學中新工科人才培養質量，需要注重教學實踐，實踐是檢驗真理的唯一標準，因此在教學過程中需要將課程理論知識與實踐緊密結合，培養學生實踐能力，較深學生對課程理論知識的掌握程度[6]。在計算機組成原理實驗課程教學中，根據課程知識點安排有5次實驗，分別是計算機運算器組成實驗、雙端口存儲器原理實驗、數據通路組成實驗、微程序控制器組成實驗和CPU組成及機器指令的執行實驗。實驗項目和課程理論知識的對應關系如表2（P101）所示。

表2 實現項目與理論知識對應關系表

同時，為了充分利用現有實驗室平臺，實驗之前引導學生通過超星學習通或者經典視頻進行課前預習。實驗室過程中，學通過TEC-8實驗系統，對課程知識點的實踐驗證，加深學生對理論知識的吸收和理解。由于TEC-8實驗系統有限，要求學生自行組隊，能力強的學生可以幫扶能力欠佳的學生，給學生提供一個開放、輕松的實驗環境。答辯時，讓組內成員進行自評和互評，讓學生自己按照完成貢獻度進行排名，避免出現組內成績一致的現象。根據教師評價、組內自評和互評成績按照50%、20%和30%的比例，換算成最終的實驗成績。

2.5 考核評價改革

新工科背景下人工高智能與大數據時代的教學過程，體現以學生為中心，強調學生自主學習覺悟[7]，全方面考核學生對課程的掌握情況，弱化筆試考試的比重。計算機組成原理課程考核采用多元化方法，考核項目主要包括期末考試、實驗成績、項目成績、平時作業成績及平時小測試等五項組成。

期末考核：主要采用期末閉卷形式，考核學生對計算機組成原理基礎知識的掌握程度，重點考核理論知識的應用能力，以及解決計算機工程相關復雜工程問題的能力。

實驗考核：主要考查學生理論聯系實際的動手能力。學生根據TEC-8實驗系統指導書實現硬件連線和內容操作，通過結合理論原理與實際設備的配置方法，進行數據輸入、結果展示，并對獲得的結果進行分析說明，提交試驗報告。

項目成果考核：教師根據課程知識板塊設計幾個小項目，學生之間合作完成，引導學生將所學知識點應用到解決實際工程問題的能力。

過程考核：主要包括平時作業成績、討論和小測成績。每節課完成后布置響應的作業，隨時考核學生對本次課程的掌握情況；上課過程中穿插討論環節，激發學生上課積極性；平時小測試采用階段性的考試方式，隨時檢測學生對各章節知識掌握情況，教師可根據測試結果動態調整課程進度安排。

采用多元化考核評價方全面考核評價方式，準確掌握學生的學習效果，同時體現了學生的差異性，多方位考核新工科背景下學生對計算機組成原理課程知識點的掌握情況，進而反映學生分析和解決計算機領域復雜工程問題的能力。

3 總結

根據“新工科”背景下數據科學與大數據專業畢業要求，確定計算機組成原理課程目標，改革教學模式，提升學生的課堂參與度；根據課程各章節知識有機融入思政元素，潛移默化地培養學生思政素養，增強學生艱苦奮斗，愛國敬業的民族意識；通過實驗教學實踐培養學生團結協作、分析和解決問題的能力；改革考核評價方式，全面考核學生對課程知識的掌握程度。因此，計算機組成原理課程改革探索有助于培養新工科建設要求下創新型全面發展優質人才。