醫工融合背景下計算機組成原理課程混合式教學實踐探索

摘 要：醫工融合是當今社會發展的熱點，醫科大學中的工科院系需要做出相應教學改革的探索才能培養符合社會發展需要的高層次復合型人才。文章以計算機組成原理課程為例，就目前課程在教學過程中出現的不足之處提出針對性的教學改革，包括設計貫穿整個課程的開發案例以鏈接課本的章節內容；通過線上線下相結合的方式對課程內容形成引導、輸入、測試、反饋等閉環學習路徑來保障對知識點的掌握；通過差異化的課程設計孵化學科競賽項目；通過競賽項目穿插基礎科研能力的培養；通過項目流程的推進培養學生的閉環邏輯、思維能力等。研究通過多維的效果評價，證明這種混合式教學改革方法對提升教學質量有積極的促進意義。

關鍵詞：計算機組成原理；醫工融合；混合式教學；教學改革

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1673-7164（2024）26-0095-04

教育部高等教育司于2021年5月召開新聞發布會，提出推進新工科、新醫科、新農科、新文科的“四新”建設，全面提高高等教育人才培養質量，以應對新一輪的科技革命和產業變革。［1］高等教育機構面對挑戰要做出主動應答、教育應答、時代應答。尤其是在醫工融合的大背景下，如何培養學生的創新工程思維，讓其掌握扎實的工程技術手段，為醫學提供更加精確、有效和安全的診療方法，為患者提供更好的醫療服務，最終為社會和諧健康發展做出貢獻，是值得做出思考和嘗試的課題。作為醫工兼備的醫科大學，如何在教學過程中開展復合型人才培養是當下迫切需要解決的問題。計算機組成原理作為計算機類專業的核心課程，也是電子信息、生物醫學工程和人工智能類專業的必修課，［2-3］在課程體系中具有承上啟下的作用。在過去的教學實踐中，尤其是在工科相對薄弱的醫科類高等院校，在教學內容的設計，教學資源的建設，教學方法與理念的創新，教學過程的實施和教學評價的設計等方面存在諸多不足之處。文章對廣東醫科大學計算機組成原理課程的現狀進行了剖析，總結了課程教學中出現的不足之處，并提出了針對性的教學改革與實踐建議，設計了多維度的教學評價。

一、課程教學現狀分析

信息管理與信息系統專業是廣東醫科大學信息工程系開辦的招生專業之一，主要培養從事醫院信息系統開發工作的專業人員。多年來已經形成了成熟完善的教學、實踐和就業體系，并在一定程度上取得了業界的認可，是廣東省一流本科專業建設點。隨著國家深化教育改革，提出新醫科和新工科建設戰略，推動“醫學+X”復合型人才培養是教育改革的必然要求。［4］在此背景下，廣東醫科大學2014年啟動了醫學信息卓越工程師培養計劃，2021年開辦了醫學信息卓越創新班，通過“校企院”三方協同培養醫工融合的復合型醫學信息人才。經過多年的積累和成長，已成為學院培養醫學信息工程方面人才的一張名片。計算機組成原理作為其中的核心專業課程，是軟件工程思維在硬件體系下實現和運行的基礎，是軟硬件系統相結合與統一的重要基礎性課程。

但是，長期以來，該課程教學仍有以下問題：1. 學生對課程缺乏興趣，積極主動性不夠，課堂上表現較為沉悶。2. 線上有豐富優質的課程資源，可滿足個性化的學習需求，但和線下課堂的互聯互通性較差，學習效果一般；教師信息化素養不足，對學校購置的信息化教學平臺理解和使用程度不足。3. 傳統軟件開發類工程實踐項目豐富，但缺乏生動、易于理解且難度適中的硬件開發類工程實踐項目，硬件開發類的學科競賽項目更是寥寥。4. 教學過程中涉及的前沿科研方向和科研要求拓展度一般。5. 對學生評價維度較為單一，對復合型人才培養的評價標準理解和設計不足。這些問題導致學生缺乏主動學習的興趣，學習效果一般，不利于高校對研究型、創新型本科人才的培養。因此對計算機組成原理課程的教學亟需實施新的改革和探索。

二、課程混合式教學實踐的探索

（一）通過設計貫穿整個課程的開發案例激發學生的學習興趣

計算機組成原理課程是對計算機的五大組成部件：運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備工作原理的詳細介紹。課程內容和實際硬件電路結構相關，知識面多、內容抽象，不易理解。對工科基礎相對薄弱的醫科大學來講需要精心設計教學過程，否則容易導致學生對課程學習喪失興趣，從而造成課堂氣氛沉悶，學習效果不佳。本次實踐在課程開篇即由教師設計并展示嵌入式設備（ESP8266）通過MQTT協議接入阿里云，并使用阿里云STUDIO工具設計的UI在云端控制本地嵌入式設備上的資源。學生通過手機掃描二維碼在線獲取UI，以直觀的方式感受計算機設備可完成的功能，以可視化的界面演示計算機五大部件相互協作可完成的效果。通過效果展示激發學生對技術的熱情，通過組織小組討論和頭腦風暴的方式深挖展示的技術在未來生活的應用場景，以激發學生對科技改變生活所產生的使命感和勇于挑戰技術難度的勇氣。通過把開發案例所使用的技術做合理分拆，并以知識圖譜的形式展示，同時和課程章節內容做相應的匹配，使學生的學習不僅有目標、有內容、有實踐，而且做到對章節內容的掌握和開發案例的進度相呼應，使學生對課程的學習做到有的放矢，對案例的推進做到有條不紊。通過這種貫穿式的案例設計，逐步引導學生具備項目開發所要求的基礎職業素養，通過培養其能力和素養，為未來的工作和生活提供便捷。

（二）通過線上線下相結合的混合式教學模式合理推進教學進程

計算機組成原理課程內容豐富、知識體系大，如何通過“互聯網+”方式開展有效的線上線下混合式教學，是課程教學改革的重點。［5］本研究充分利用本校使用的學習通+MOOC慕課平臺，設計了一系列教學實踐內容：

1. 對課程內容進行層次化的梳理和重構，按照組成、結構、功能、應用的順序層層推進課程教學。教師要熟練掌握教材的脈絡和重點，把章節內容進行合理的剖析并精心收集課程資源制作素材，發布在學習通平臺以便學生課前預習。要求把重難點突出，和MOOC金牌課程中相關知識點做針對性聯結，從不同角度進行理解，加深聯動。

2. 針對課前預習，特別設計預習反饋板塊，利用學習通的投票統計功能對共性疑難問題進行針對性備課，做到課前即可對授課重點進行梳理，對課堂安排做到心中有數，教學過程也更容易有條不紊、從容不迫地進行，學生學習也更有針對性。

3. 課中教學時，對預習后反饋的疑難點進行重點監測和重點反饋、解析。通過學習通中的預習反饋板塊，對教學效果不佳的共性問題進行二次答疑，對個性化的疑難問題安排單獨釋疑解答，真正做到以學生為中心，確保每一位學生都掌握相關知識點。

4. 課后通過學習通平臺發布作業，進一步檢驗、鞏固和加深學生對課堂知識的理解，尤其是學生反饋的疑難點問題。利用學習通的分析匯總功能對作業中重點出現的錯漏點進行梳理，并及時、有針對性地進行快速的課堂答疑、查漏補缺，使學生對課程知識的掌握更加全面、牢固。

5. 對課堂作業的評閱并不由教師完成，而是由學生組成的小組使用學習通的生生互評功能來完成。生生互評不僅是一個自我梳理、自我學習、自我展示和自我強化的過程，教師也可通過這種形式了解學生的學習進度和對同一問題不同角度、不同深度、不同層次的思考，進一步養成學生之間相互了解、相互學習、相互促進、相互成就的良好學習氛圍。教師端也可隨時掌握學生的學習動態，對發現的共性問題進行及時糾正和引導，增進學習效果。

6. 針對計算機的五大組成部件，設計開發難度和側重點不同的差異化課程設計，學生以小組為單位自由選擇，最后成果由教師和學生共同完成評審。小組之間通過課程設計實現對不同知識點的強化和梳理，生生互評會形成對不同領域知識點融合和工程創新的啟發和渴望，并由教師引導學生，為參加學科競賽或參與科研項目打下基礎。

7. 利用學習通的線上特色功能對課堂教學模式和學生學習習慣進行適當的規范和引導。如線上簽到可保障學習時間；線上選人和搶答可活躍課堂氣氛；問卷調查和主題討論對開放性問題容易形成思考和啟發，在課程思政時效果顯著；群聊和投票功能讓班級活動的開展和事務性的選擇更加便捷和高效；教師評分功能更是教師自我提升和了解學生實際需求的重要渠道。

（三）以項目為驅動，以競賽為引導

本次實踐把以項目為驅動的理念貫徹于課程的全過程，開篇即精心設計并展示了使用嵌入式處理器ESP8266通過MQTT協議接入阿里云的項目，將項目中所使用的技術與方法做思維導圖式的分解，分解的內容和課程的章節內容中相關的知識點做對應的拆解：DMA、按鍵與顯示屏控制和輸入輸出設備章節相對應；設計的spi flash的讀寫程序和存儲器章節相對應；通過外設和DMA中斷的處理與CPU的結構功能章節相呼應；通過對經典算法的實現與計算機運算方法章節相呼應；通過MQTT協議的實現與總線章節內容相呼應等。通過精心設計的案例，把計算機五大組成部件的開發和使用過程以實際案例的方式，按照課程的學習計劃進行層層推進。通過實際項目的開發加深了對章節內容的理解，激發和培養學生做自主學習熱情并使之形成良好的學習習慣，課堂的學bEuhxvkdawmPhyNAcCnzPQ==習氛圍和學習動力較以往有了很大改善，課間休息時經常有學生拿開發板進行現場問題提問與反饋，也有部分學生在其他學生反饋的問題和解決方案中受到啟發，從而對自我技能進行打磨與提升。在此影響下，以課程項目使用的技術為基礎，通過課程設計的二次鞏固與鍛煉，自發組織并構思出超低功耗便攜式神經元信號記錄系統和基于阿里云的電子病歷系統兩個競賽項目，對項目的研究意義和技術難點進行了詳細的思考和剖析，并制訂了對應的解決方案和計劃，在準備完善的基礎上獲得了校內立項資助，為參加省賽和國賽打下基礎。通過定期匯報進展、鼓勵興趣旁聽的方式，以榜樣的力量引導班級學習氣氛，也激發了學生為科技發展貢獻力量的熱情和抱負。

（四）在項目推進過程中加深對科研方向的引導和科研素質的培養

本科教育中的一項重要任務是對科研能力的培養，激發學生的科學探索精神，并在科研過程中養成提出問題、分析問題、解決問題的基礎科研素養。［6］本次實踐非常重視且有意引導和培養學生的邏輯思維與科學思維，尤其是發現問題、解決問題的思維與能力，并將其融合于對科研問題的解決中。本次教學實踐在對課程設計和學科競賽中涉及的工程難點以及在解決這些難點的過程中所涉及的科研創新點，在項目推進過程中做重點介紹；對前沿的算法及實現方案進行梳理和引導，同時鼓勵學生進行技術調研、選擇和總結，對前沿的技術與實現方案形成對比性評價，在項目進展中逐漸提出關鍵的科學問題，給出關鍵科學問題的解決方案，對方案的利弊進行針對性說明。根據制訂的方案，在完成過程中引導學生自主實踐、總結并給予評價。教師在過程中對科研方向和科研方法加以引導，使學生在項目進展過程中形成對科研問題、科研方法、科研路線的自我認知，不僅鞏固了知識點，提高了解決實際問題的動手能力，也在一定程度上培養了科研能力，并對以后的人生有了更加清晰的認知和規劃，充分體現了高等教育的意義。

（五）對學生的成長引入多維的評價體系

由于采用了混合式教學和全過程項目驅動相融合的方法，本次實踐的教學評價調整了傳統評價中試卷成績的比例（占30%），提升了項目開發的比例（占40%），側重于評價學生解決實際問題的能力，且此部分成績由生生互評給出，引導學生對知識、演講、邏輯、組織等一系列能力綜合、全方位的重視和培養。教師的評價被有意弱化（占10%），重點對提出科學問題并提供解決方案、且積極做出嘗試的小組給與正向引導，培養學生的科研興趣。出勤和課后作業完成情況占比10%，用于保障對隨堂知識的掌握。剩余的10%為集體活動的參與程度（如疑難點答疑、班級活動中給與關鍵決策、科研項目推進、競賽立項等），以線上匿名投票的方式選出表現突出的學生。設計的考核方式即保障了對基礎知識的掌握，也重點培養了學生的實踐能力與創新精神，對科研意識和科研能力也有一定程度的引導和培養；既開闊了視野，形成了新的方法論和世界觀，也鍛煉了學生在集體活動的競爭和服務意識，是一種綜合性、多維度的評價體系。

三、教學實踐效果評價

本次教學實踐的效果相比此前取得了一系列進步。以上半年的課程為例，課程設計完成率達到100%，且自發組織的課程小組人數較為平均，沒有出現課程設計單一所造成的選擇不均問題。通過生生互評且打分的方式給有技術難度和閉環思考環節的小組排名，得分最高的五個項目由學生自主調研和教師引導，產生了“超低功耗便攜式神經元信號記錄系統”和“基于阿里云的電子病歷系統”兩個學科競賽項目，并在校內獲得資助，為參加省賽和國賽打下了基礎。立項項目在推進過程中，自發參與旁聽的人數約占課程總人數的57%，部分學生還申請了參加指導教師的科研項目，開始接受系統的科研訓練。在理論考試中，成績在75—90分段的學生占班級人數的74%。對比2022年（57%）有較大幅度的提高。通過問卷調查和論壇反饋的方式，學生普遍認同新的教學設計不僅激發了學習興趣，更重要的是培養了解決實際問題的實踐能力，對項目開發和團隊合作有了初步的理解和嘗試，對科研興趣和科研能力也有一定程度的培養，使得學生對未來的職業規劃有了更清晰的認知和更深層次的思考。

四、結語

文章對計算機組成原理課程進行了一系列教學實踐的嘗試，包括設計覆蓋全課程的開發案例以激發學生學習興趣；通過混合式教學保障學生對知識點的掌握；通過差異化的課程設計完成對知識點的開發使用；通過深挖優秀課程設計參與學科競賽。在競賽項目中引導和培養學生的科研意識和科研能力。通過這一系列教學實踐，學生普遍認同此次教學實踐不僅激發了學習興趣、培養了其項目開發的工程實踐能力，學生對項目生命周期的管理也有一定程度的理解和思考，更有部分學生嘗試參與科研項目。更重要的是培養了解決問題的閉環思維，對未來的職業規劃也更加清晰、從容和自信，真正體現了高等教育的意義。

參考文獻：

［1］ 馬陸亭. 新工科、新醫科、新農科、新文科：從教育理念到范式變革［J］. 中國高等教育，2022（12）：9-11.

［2］ 張永清，劉雙虎，彭商濂. 新工科背景下“計算機組成原理”課程混合式教學改革與實踐［J］. 科教導刊，2022（13）：123-125.

［3］ 史小松，馬輝. 計算機組成原理課程教學改革探索［J］. 計算機教育，2022（08）：34-37+42.

［4］ 楊承慧，王震. “醫學+X”復合型人才培養模式改革與探索［J］. 醫學教育研究與實踐，2023，31（01）：11-15.

［5］ 趙艷華. 高校個性化教育理念與對策研究［D］. 石家莊：河北科技大學，2016.

［6］ 張萬福，李春. 以專業課程為基礎的本科生科研素養的培養與實踐［J］. 教育教學論壇，2020（52）：200-201.

（責任編輯：陳華康）

基金項目：廣東醫科大學項目“‘新工科’背景下醫學信息卓越人才培養模式改革與實踐”（項目編號：1JG22167）；廣東醫科大學項目“神經元峰電位實時分類系統的設計和實現”（項目編號：GDMUB2022048）。

作者簡介：王攀科（1984—），男，博士，廣東醫科大學生物醫學工程學院講師，研究方向為神經元信息實時處理與調控；趙云（1976—），女，碩士，廣東醫科大學生物醫學工程學院副教授，研究方向為醫療信息化和信息安全。