新工科背景下計算機組成原理課程混合式教學的改革探索

摘要：為應對新工科建設的需要，計算機組成原理課程需從傳統的教學模式中走出來，將混合式教學模式應用到課程中。文章首先分析了傳統教學模式下的教學現狀，再結合新工科建設要求，從課程內容體系、教學模式入手，構建了混合式教學改革模式，從課前準備、課中講授、課后總結三個環節探討混合式教學的具體實施方法。就實施效果來看，課程改革成效顯著。該課程的改革探索激發了學生學習積極性和主動性，提高了學生自主學習能力，增強了團隊協作精神和創新能力，也為培養具有工程實踐能力的新型工科人才奠定了基礎。

關鍵詞：新工科；計算機組成原理；混合式教學；改革

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）23-0165-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

新工科建設的本質在于培養具有創新能力、實踐能力和終身學習能力的新型工科人才。計算機組成原理是計算機科學與技術專業的一門重要課程[1]，其教學目的在于使學生掌握計算機硬件各組成部件的原理，幫助學生建立計算機系統的整體概念，培養學生設計、開發計算機系統的能力，為進一步學習后續的專業課程和進行與硬件有關的技術工作打下基礎。隨著信息化技術的發展，信息技術與教育教學深度融合成為新工科建設[2-3]的重要任務之一。課程應適應新工科建設對人才培養的要求，不斷探索教學改革措施，提高課堂教學質量，培養學生的工程實踐能力和創新能力。

1 教學現狀

計算機組成原理是一門實踐性很強的專業基礎課，主要涵蓋計算機系統的基本組成和工作原理，它是后續課程的基礎。該課程既要求學生具有堅實的理論基礎，又要有較強的工程實踐能力，以滿足實際應用的需要。但是，傳統教學模式下的教學存在一定問題。

1.1 教學內容相對陳舊，理論知識抽象難懂

一些課程內容多聚焦于計算機硬件及底層工作原理，缺乏與當前工程實踐緊密相關的背景知識，難以適應計算機硬件技術快速發展、新技術層出不窮的現狀。對于原理性較強的內容，須輔以大量詳盡的講解，且馮·諾依曼體系結構計算機的五大部件復雜度高，概念抽象。加之從硬件層面剖析計算機運行原理，雖便于機器邏輯，卻有悖人的思維習慣，使得缺乏良好理論基礎的初學者在掌握計算機系統工作原理時面臨巨大挑戰，進而可能影響學生的學習積極性。

1.2 學生學習方式不當

當前，眾多高校在教學大綱與教學設計上已較為完備，符合社會對計算機專業人才培養的期望。然而，一些學生長期形成的應試習慣導致他們更傾向于死記硬背而非深入理解，學習過程中存在重記憶輕理解、作業敷衍了事等問題。學生過分依賴記憶，忽視對原理和內在邏輯的探索，對作業和實驗缺乏足夠的重視，僅滿足于完成任務，缺乏深入思考與探索的精神。

1.3 教學手段單一化

傳統教學往往采用教師單向傳授、學生被動接受的模式，缺乏互動與探討的機會，可能限制了學生的參與度和主體性的發揮。此外，計算機領域日新月異，新技術、新理論層出不窮，而傳統教學方式因缺乏現代化技術支持，教學手段顯得單一，難以滿足學生多樣化的學習需求。一些傳統考核方式偏重期末考試或結合平時成績，對學生實際操作能力和工程應用能力的評估不足，促使學生偏向理論學習而忽視實踐。

1.4 理論與實踐脫節

計算機組成原理作為一門理論與實踐并重的課程，盡管多數高校設置了實驗課程，但實驗內容往往較為簡化，難以有效提升學生的動手能力和實際操作技能。以武昌工學院該課程為例，實驗設計的初衷是通過構建可運行的模型機作為課堂教學的補充，幫助學生掌握計算機各組成部分及整機的工作原理。然而，在實際操作中，部分學生多依據實驗指導書進行連線與調試，僅觀察信號燈變化，卻對實驗原理知之甚少，不解信號燈背后的意義，更缺乏對變化原因的思考及實驗與理論間聯系的探索。若缺乏正確的引導，學生實踐能力將得不到實質提升，對理論知識的理解也得不到深化。

2 新工科建設要求

新工科是以“新知識”“新產業”為核心特征的工程教育形態，旨在培養能夠適應未來社會發展需求的工程技術人才。為契合新工科建設的需求，在計算機組成原理課程的教學模式中，需著重凸顯“新”的元素[4]，主要體現在兩方面：一是對知識體系和課程內容的全面更新；二是對人才培養模式進行根本性的變革。這要求我們在傳授理論知識時，務必注重理論與實踐的結合，著重培養學生的學習能力、創新能力及團隊協作精神；而在實踐環節，則需確保與后續課程的緊密銜接，使學生掌握現代計算機系統設計的方法論及實現技術。

基于新工科建設的指導原則和計算機組成原理課程的獨特性質，筆者將該課程引入了混合式教學模式。通過這一改革嘗試，旨在構建一套既符合新工科建設標準，又適應“互聯網+”時代特征的混合式教學模式。

3 混合式教學模式構建

混合式教學模式是一種新型教學模式，它以教師為主導、學生為主體，依托在線學習平臺，巧妙融合現代教育技術，將線下課堂教學與線上網絡教學無縫對接。線下課堂教學側重知識的直接傳授，學生在此過程中相對被動地接收信息；而線上網絡課堂教學則更側重培養學生的自主學習能力、創新思維，并關注學生的學習過程與思維方式的塑造。

混合式教學模式主要由課前準備、課堂講授與課后總結三個環節構成。1） 課前準備是實施混合式教學的基礎。在此環節中，教師須精心設計問題，引導學生在線上自主預習相關知識，并將相關資源提前上傳至教學資源平臺，以便學生提前進行自主學習。學生可結合自身學習狀況，更好地掌握教學的重點和難點。2） 課堂講授則是教師與學生進行知識交流與互動的主要平臺。在實際講授過程中，通過問題驅動教學法[5]來激發學生的學習興趣，提升其實踐能力和團隊協作能力；借助案例教學，增強學生的實際問題解決能力，提高其思考與分析能力；同時，采用互動式教學，增加學生的課堂參與度，培養其溝通與合作能力。3） 課后總結環節則是對課堂講授內容的深化與拓展。通過復習式總結，幫助學生回顧課堂內容，鞏固所學知識點，加深對知識點的理解和記憶；而思考式總結則引導學生對課堂內容進行深入反思與總結，進一步培養其思維能力和創新能力。

具體混合式教學模式如圖1所示。

4 課程混合式教學具體實施方法

在計算機組成原理課程的混合式教學中，我們根據設計的混合式教學模式，將課前準備、課堂講授和課后總結三個環節緊密結合，成功地將學生的學習模式從“被動接受”轉變為“主動學習”，顯著提升了他們的自主學習能力和創新能力。

4.1 課前準備

在混合式教學的課前準備階段，教師需充分利用網絡平臺引導學生進行線上自主預習。教師應以學生為主體，制定明確的學習目標和計劃，并準備多樣化的教學資源。同時，還需組織學生進行分組討論，以促進學習交流與合作。具體包括以下方面：

1） 制定學習目標和計劃。課程開始前，教師應制定具體的學習目標和計劃，明確學生需掌握的知識點和技能，并據此制定教學計劃。同時，需與學生充分溝通，了解他們的學習狀況和需求，以制定符合實際情況的學習計劃[6]。

2） 建立線上平臺，準備教學資源。教師在線上平臺建立相應的課程和學習資源，包括課程介紹、課程視頻、課件、作業、課件、案例、實驗等。教師在對線上平臺充分的熟悉和掌握下需要及時回答學生在平臺上提出的問題和建議。

3） 引導學生自主預習。在課程開始前，教師應通過線上平臺發布預習任務和資料，引導學生自主預習，對課程內容形成初步了解。同時，需關注學生預習情況，及時解答疑問。

4） 組織學生分組討論。為了促進學生的學習交流和合作，教師需要組織學生進行分組討論。教師可以根據學生的學習情況和興趣愛好，將學生分為若干小組，并安排相應的討論主題和時間。教師需要及時跟進學生的討論情況，并給予相應的指導和建議。

4.2 課中講授

在課堂講授階段，教師應綜合運用問題驅動教學、案例教學和互動式教學等方法，以學生為主體，實現高效教學。同時，需關注學生的學情，及時給予反饋和評價，促進其全面發展。此外，還應注重理論與實踐相結合，不斷豐富和完善課程教學內容，以滿足工程實際需求。具體實施過程包括：

1） 問題驅動教學。在課堂授課之初，教師提出具有啟發性的問題，引導學生思考和探究。根據課程內容和學生的學習需求，設計相應的問題，讓學生在課堂上進行討論和解答，以此激發學生的學習興趣，培養學生的自主學習能力和創新能力。

2） 案例教學。根據授課前準備的典型案例，讓學生通過對案例的分析和討論，深入理解課程內容。教師可以選擇與計算機組成原理相關的實際應用案例，讓學生了解計算機組成原理在實際中的應用，提高學生的實踐能力。

3） 互動式教學。在講授過程中，適時與學生進行互動，包括提問、討論、小組合作等。通過分組討論、問題搶答等方式提高學生的課堂參與度，激發他們的學習積極性和主動性。

4.3 課后總結

課后總結階段充分發揮學生的積極性和主動性。首先，鼓勵學生進行復習式總結，通過觀看在線視頻、閱讀課程講義等方式鞏固課堂所學知識；同時，引導學生進行思考式總結，以小組為單位對課程內容進行深入探討，提出問題、發表觀點，加深對知識點的理解；在完成項目作業的過程中，學生不僅需要運用所學知識，還要進行團隊協作和溝通，有效提高動手能力和團隊協作能力，提高學生的學習效果。

5 課程改革成效分析

計算機組成原理混合式教學改革主要從課程內容體系、教學模式等方面進行，從實施效果來看，課程改革成效顯著，主要體現在以下幾個方面：

1） 學生的學習興趣顯著提高，學生學習自主性和自覺性明顯增強。

2） 學生自主學習能力提高，知識體系更加完善、知識結構更加合理、創新能力得到加強。

3） 學生的團隊協作精神得到了提升，通過小組合作探究解決問題的能力明顯提高。

4） 學生分析問題、解決問題的綜合能力得到了加強，通過對計算機組成原理課程知識點的綜合運用，培養了學生工程實踐能力和創新意識。

6 結束語

目前，在國家新工科建設的積極推動下，教學改革正蓬勃開展。針對新工科建設的需求，筆者從教學內容體系、教學模式等維度出發，設計并實施了基于混合式教學的計算機組成原理課程改革方案，且已在具體教學中得到應用。同時，筆者也清醒地認識到，傳統的線上線下教學模式仍存在局限性。在線下教學中，學生課堂參與度不高，教師難以及時掌握學生的提問與學習動態；而在線上教學中，教師則無法直觀了解學生的實時學習狀況。因此，在推進線上線下混合教學的過程中，強化師生間的互動顯得尤為重要，同時應加強對學生的課前引導與課后評價。唯有如此，方能不斷完善混合式教學模式，進而提升課堂效率，并有效激發學生的學習主動性和積極性。實踐表明，在新工科背景下，計算機組成原理課程的教學改革已取得了顯著成效。

然而，研究盡管取得了一定成果，但受限于研究時間和資源等因素，混合式教學方式仍有待進一步精細化，在線學習平臺的功能與體驗也有待優化。此外，如何更科學、合理地量化學生的各項學習成果，也是未來研究中亟待解決的問題。展望未來，我們將繼續深入探索混合式教學改革在高等教育課程中的應用，以期為推動整體教學改革與發展貢獻力量。

參考文獻：

[1] 丁男，宋嘉琳，董校，等.基于混合式教學模式的計算機組成原理課程建設[J].計算機教育，2021（8）：71-74.

[2] 季超越，王杰，丁丹.新工科背景下醫工類專業數學課程體系構建研究[J].科技風，2023（23）：126-128.

[3] 李國舉，劉戰合，張昕喆，等.新工科背景下線上線下混合式教學改革探究——以飛行器結構設計課程為例[J].科教導刊，2022（23）：49-51.

[4] 李姍珊，尹海云，趙儉斌.新工科課程的線上線下混合式教學改革與探索[J].對外經貿，2022（7）：157-160.

[5] 李亞，孟順建，王海瑞，等.計算機組成原理課程的任務驅動式混合教學模式設計與實踐[J].計算機教育，2022（8）：20-24.

[6] 盧欣欣，李靖，郭麗萍，等.新工科背景下計算機應用型創新人才培養研究[J].科技與創新，2022（8）：104-107.

【通聯編輯：代影】