蔣玉英，葛宏義，張玉宏，張自豪，孫 釗，韓中澤

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

0 引言

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，人工智能、大數(shù)據(jù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”等技術(shù)迅猛發(fā)展，社會和企業(yè)對生產(chǎn)、建設(shè)、管理和服務(wù)等人才的培養(yǎng)發(fā)生了全新的變化。傳統(tǒng)的被動式教學模式已經(jīng)不再適用于當今社會發(fā)展對的人才培養(yǎng)的需求，在“新工科”建設(shè)[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(chuàng)新思維，發(fā)揮學生創(chuàng)新能力，以有效提升高技能創(chuàng)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(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)專業(yè)的必修課，涉及知識面廣、信息量大，對數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)專業(yè)學生學好后續(xù)專業(yè)課程息息相關(guān)，旨在培養(yǎng)學生熟練掌握計算機組成的基本概念、邏輯實現(xiàn)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(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)專業(yè)的學生缺少硬件先修課程，基礎(chǔ)薄弱而理解困難，并且缺乏有效的應(yīng)用場景，同時在傳統(tǒng)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(fā)學生學習興趣，提高課堂學習效果，培養(yǎng)適應(yīng)新科技產(chǎn)業(yè)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(jīng)驗積累的基礎(chǔ)上，面向新工科建設(shè)，堅持OBE理念，以學生為中心，并根據(jù)數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)專業(yè)的特點，結(jié)合現(xiàn)有教學條件與環(huán)境，改革計算機組成原理課程教學模式，培養(yǎng)當代大學生的自主學習、創(chuàng)新實踐、能夠解決大數(shù)據(jù)領(lǐng)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(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)專業(yè)的核心課程，也是計算機相關(guān)專業(yè)的研究生入學考試課程。計算機組成原理課程旨在引領(lǐng)學生深入掌握計算機系統(tǒng)的內(nèi)部組結(jié)構(gòu)組成及其工作原理。根據(jù)數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)專業(yè)畢業(yè)要求，從知識、能力和素質(zhì)培養(yǎng)出發(fā)，確定了如下四個課程目標：

（1）能夠運用數(shù)學、數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術(shù)基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識合理評價大數(shù)據(jù)工程解決方案。

（2）能夠從數(shù)學、自然科學和數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)知識的角度，對大數(shù)據(jù)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(jù)需求確定大數(shù)據(jù)系統(tǒng)和應(yīng)用項目的設(shè)計目標，能夠針對復雜工程問題進行系統(tǒng)概要設(shè)計和詳細設(shè)計。

（4）能夠基于數(shù)據(jù)科學和大數(shù)據(jù)技術(shù)的相關(guān)原理，識別和理解大數(shù)據(jù)復雜工程問題的相關(guān)特性。

2 面向“新工科”的課程教學改革探索

根據(jù)課程教學目標，計算機組成原理課程改革從教學內(nèi)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(nèi)容

目前計算機組成原理教材主要講授經(jīng)典的8086/8088系統(tǒng)的組成和工作原理，教學內(nèi)容缺乏新穎性，因此在當前大時代背景下，以培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力為目標，以培養(yǎng)能夠解決實際問題的復合型新工科人才為需求[3]，調(diào)整課程教學內(nèi)容，拓展理論課程的課堂教學知識內(nèi)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(diào)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(fā)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(fā)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(jié)知識點的時候，可以引入我國最新研發(fā)的自主產(chǎn)權(quán)芯片，如中國科學院計算技術(shù)所研發(fā)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(fā)展水平，響應(yīng)國家安可工程，激發(fā)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(diào)創(chuàng)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(qū)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(huán)節(jié)。例如在講授半導體存儲芯片的譯碼驅(qū)動方式線選法時，采用動畫的形式展示線選法譯碼驅(qū)動工作原理，并設(shè)計提問“線選法譯碼驅(qū)動的缺點是什么？”，在解答問題的同時提出重合法譯碼驅(qū)動方式。通過課程相關(guān)知識問題的設(shè)置，引導學生尋求問題的解決方案，動態(tài)考核學生對相關(guān)知識點的掌握情況，加深學生對相關(guān)知識的映像，激發(fā)了學生的學習積極性。

任務(wù)驅(qū)動，互動討論：由于數(shù)據(jù)科學和大數(shù)據(jù)專業(yè)在計算機相關(guān)專業(yè)中的特殊性，要求面向新工科的計算機組成原理教學內(nèi)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(zhuǎn)課堂的教學模式，按照教學大綱將課程任務(wù)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(jù)講解和回答情況進行評價，同時小組成員內(nèi)部需要進行自評和組內(nèi)互評。為了防止組內(nèi)成員相互包庇，組內(nèi)互評時，不要根據(jù)最內(nèi)貢獻度評出不同分數(shù)，如果組內(nèi)分數(shù)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(yǎng)。

項目驅(qū)動，團結(jié)協(xié)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(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽（如挑戰(zhàn)杯、“互聯(lián)網(wǎng)+”等），或者任課教師根據(jù)每個知識板塊布置幾個小項目，例如在講授指令系統(tǒng)相關(guān)章節(jié)知識時，讓學生采用匯編語言動態(tài)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(jié)果和提交設(shè)計說明報告，作為期末最終考核成績的加分項，從而培養(yǎng)學生獨立解決工程問題的能力和團結(jié)協(xié)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(huán)節(jié)的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 課程目標與教學環(huán)節(jié)對應(yīng)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(yǎng)[4-5]。因此任課教師需要梳理挖掘課程各章節(jié)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(yǎng)學生愛國、敬業(yè)，勇于探索和發(fā)現(xiàn)問題的工匠精神；通過“計算機前沿動態(tài)發(fā)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(jié)合作精神；通過“CPU和總線系統(tǒng)”等相關(guān)內(nèi)容的學習，幫助學生領(lǐng)悟堅持黨的領(lǐng)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(yè)、誠信友善、吃苦耐勞、勇于創(chuàng)新的社會責任感的培養(yǎng)，是提升教學質(zhì)量，是培養(yǎng)德智體全面發(fā)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(yǎng)質(zhì)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(jié)合，培養(yǎng)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(jù)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(shù)據(jù)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(zhí)行實驗。實驗項目和課程理論知識的對應(yīng)關(guān)系如表2（P101）所示。

表2 實現(xiàn)項目與理論知識對應(yīng)關(guān)系表

同時，為了充分利用現(xiàn)有實驗室平臺，實驗之前引導學生通過超星學習通或者經(jīng)典視頻進行課前預習。實驗室過程中，學通過TEC-8實驗系統(tǒng)，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(tǒng)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(huán)境。答辯時，讓組內(nèi)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(xiàn)組內(nèi)成績一致的現(xiàn)象。根據(jù)教師評價、組內(nèi)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(shù)據(jù)時代的教學過程，體現(xiàn)以學生為中心，強調(diào)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(yè)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(chǔ)知識的掌握程度，重點考核理論知識的應(yīng)用能力，以及解決計算機工程相關(guān)復雜工程問題的能力。

實驗考核：主要考查學生理論聯(lián)系實際的動手能力。學生根據(jù)TEC-8實驗系統(tǒng)指導書實現(xiàn)硬件連線和內(nèi)容操作，通過結(jié)合理論原理與實際設(shè)備的配置方法，進行數(shù)據(jù)輸入、結(jié)果展示，并對獲得的結(jié)果進行分析說明，提交試驗報告。

項目成果考核：教師根據(jù)課程知識板塊設(shè)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(yīng)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(yè)成績、討論和小測成績。每節(jié)課完成后布置響應(yīng)的作業(yè)，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(huán)節(jié)，激發(fā)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(jié)知識掌握情況，教師可根據(jù)測試結(jié)果動態(tài)調(diào)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(xiàn)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(lǐng)域復雜工程問題的能力。

3 總結(jié)

根據(jù)“新工科”背景下數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)專業(yè)畢業(yè)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(jù)課程各章節(jié)知識有機融入思政元素，潛移默化地培養(yǎng)學生思政素養(yǎng)，增強學生艱苦奮斗，愛國敬業(yè)的民族意識；通過實驗教學實踐培養(yǎng)學生團結(jié)協(xié)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(yǎng)新工科建設(shè)要求下創(chuàng)新型全面發(fā)展優(yōu)質(zhì)人才。