计算机组成与结构金课建设的研究

摘要为了提高计算机组成与结构课程的教学质量，本文从课程资源、教学手段和课程考核方式等方面对该课程进行研究和改革，建设了面向线上线下教学的混合式的金课教学体系。同时本文对实验教学体系进行了重新设计，将传统的在试验箱上进行的验证型实验改成了基于EDA平台的设计型实验，构建了完整的课程实践系统。三年的教学实践表明，学生的学习成绩取得了较为明显的进步，说明此方法适用于目前绝大多数计算机类专业的教学，具有一定的推广和应用价值。

关键词金课建设；混合式教学；课程体系

1引言

随着计算机相关技术的发展和普及，高校的教学方法也在进行着变革，尤其是近几年受疫情的影响，传统线下教学已经无法满足教学需求，全国乃至全球都在开展线上线下相结合的混合式教学。如何在这场教学方式的变革中，取得理想的教学效果，是每一位高校教师需要思考和解决的问题[1]。《计算机组成与结构》课程是计算机类专业的核心课程，在人才培养体系中具有种举足轻重的地位。将其建设成一门有深度、有难度、有挑战度的“金课”，脱离“水课”，对于本专业来说，是一件非常重要的事情[2]。本文在充分研究本课程教学现状的基础上，提出了一系列的改革措施。针对计算机类专业学生普遍存在的学习兴趣低下、硬件基础薄弱、理论实践脱节等问题[3]，设计了基于“五感”的教学法，改革了实践教学体系，并完善了混合式教学资源库，充分利用教学平台优势，引导学生自主学习，采用多元课程评价系统[4]。经过3年的建设与实践，取得了良好的教学效果，获得了学生的一致好评。

2课程建设过程与实践

“金课”的建设主要围绕“两性一度”来展开。为了达到此目的，本文在实践教学体系、完善教学资源、采用多样化教学手段和采用多元考核方式等方面，进行了相应的改革。

2.1实践体系教学方式

本课程自2020年进行实践教学的全面改革。在此之前，实践一直采用在试验箱上进行。由于试验箱的组件已经设计好，因此学生只能按照厂家提供的电路图，进行验证性的实验。以运算器实验为例，学生只需输入对应的数据，设置好控制端口，查看运算结果是否正确即可，无需了解运算器的硬件组成结构与工作原理。这样会导致学生对运算器缺乏深入的了解。针对这种情况，将实验课的纯硬件验证性改为软件仿真+硬件验证的实验模式，即在EDA（Electronicdesignautomation）平台上进行计算机硬件体系各组件的设计。实验课程中，根据课程的内容，学生自行设计出对应的组件。例如在进行运算器的讲解后，在授课教师的带领下，学生自行设计8位或8位以上的运算器，实现多种算数逻辑运算。确认仿真无误后，再将整个设计下载至FPGA（FieldProgrammableGateArray）开发板中验证。根据本课程的内容，可以分为五个小实验，分别运算器、存储器、程序计算器、微程序控制器和四节拍脉冲发生器。这五个小实验各自独立，又相互关联。实验以运算器为核心，将设计好的各组件依次接入运算器[5]，最终形成一个简易单且完整的，具体结构可参考图1.整个实验过程，紧扣理论教学内容，学生在“学中做，做中学”，真正做到理论指导实践，实践加深理解，从而形成一个良性循环[5-6]。

2.2线上教学资源体系

教学资源是混合式金课能够顺利开展的重要前提[7]。目前，以广东海洋大学为例，大部分的线上线下混合课程，主要还是采用注重线下教学、线上辅助的方式进行，即线上更多的是用于课后练习，线上的资源不成体系，因此没有充分发挥线上教学的优势。本课程采用了学习通平台作为课程资源建设的主要平台，将课程的教学大纲、课件和相关的教学视频都集中在该平台。教学视频分为三部分：（1）线下教学录播视频，采用真实的教学场景，根据学生上课的具体情况，采用线上直播课堂全程录播。（2）符合SPOC需要的微视频，以知识点为单位，录制5-10分钟左右的微视频。同时，推荐合适的线上共享资源，如中国大学生慕课上的优秀案例等。（3）相关的思政题材和现代技术前沿的相关视频。此三类视频的用处各有不同，第三类视频适合用在课前预习和质量拓展，提高学生的学习兴趣和热情，使学生带着问题上课；第一、二类更适合有需要的学生反复观看，适合课前预习和课后巩固。除了教学视频，课后的作业和测验部分也必不可少。本课程充分利用学习与平台的特性，建立了试题库。在课堂教学中设置抢答题、思考题等，课后设置对应的小作业。每一章结束后，设置小测验。在教学中期以及课程结束后，可以在平台上利用试题库进行期中测试和期末模拟测试，从而提高学生的最终成绩。

2.3混合式多样化的教学手段

要建设混合式教学金课，取得良好的教学效果，需针对不同的知识点，采用不同的教学方法和教学手段，使学生能够在掌握知识点的同时，提升实践动手能力和专业素养。本课程采用线上和线下教学混合的多样化教学方式进行，具体措施如图2所示。（1）设计了基于学生的五感课堂授课形式。本课程在预习阶段，教师开放合适的慕课视频作为学生地点预习和引入方式。视频的长度在在十五分钟左右，允许学生在观看视频的同时发送弹幕，发起讨论话题，使学生充分交流，保持学习的新鲜感。对于共性的问题，教师在课堂中组织讨论，给与解答。同时设计课堂练习，学生在教学平台现场完成，及时给出答题的得分，充分调动学生危机感和紧张感。为了激励学生，制定奖惩规则。对于评定优秀的学生，在全平台进行表彰并推送给每一位学生。该表彰可以是精神和物质，从而充分调动学生的学习积极性，使学生能够获得成就感和荣耀感。（2）基于知识主轴课堂内容的加法和减法设计。与传统无差别讲解不同，教师基于学生课前预习的情况，根据本节课的内容，对讲课内容进行及时调整，对重点知识进行讲解和讨论，了解性内容不在课堂过多赘述。对于人数较多的大课来说，现场的讨论效率低下且参与率不高，因此在学习通平台开展，再由授课教师进一步引导和讲解。（3）基于平台的知识众筹。在学生在学习通平台讨论、答题和弹幕的过程中，利用平台的信息功能进行知识众筹，并以众筹的结果作为切入点，及时了解学生的各知识点的掌握程度，讲授和分析知识点，进一步提高学生的学习兴趣。（4）基于案例和问题的教学驱动模式。本课程将传统的验证性实验转变为EDA平台上的设计性实验后，实践构成一个完整的体系，最终达到设计CPU(CentralProcessingUnit)的目的。授课内容偏重点，亦围绕该项目设计，最终达到“学中做、做中学”的目的，使得学生能够学以致用，理论于实践紧密结合。

2.4多元的课程评价系统

混合式金课的教学，作为传统课程教学和线上教学的混合交叉模式，涉及本课程线上和线下教学的各个方面。因此旧的评价体系已经完全不能满足需求[7]。本课程的考核内容，除了包含传统的实验、闭卷考试和课后作业外，重点在课堂中的考核，如课堂答题部分的得分、课堂表现含课前预习、课堂分组讨论以及答题奖励情况。利用学习通、雨课堂等平台进行信息和成绩的统计。学习过程情况最终体现在课程总评中。各环节具体所占的比例如表1所示。

3改革成效

针对本课程的教学效果，在2022年10月发起了问卷调查。调查对象是广东海洋大学软件工程专业2021级的全体学生，共146人。调查的主要内容是对本课程各章节学习形式及效果的满意度调查，采用网络问卷调查的形式。本调查共回收有效问卷121份，从调查结果分析可知，学生对本课程的认可度高。具体情况如图3所示。本课程从2020年上半年实施全面改革以来，学生的学习效果效果也取得显著的提高，主要体现在各指标点达成度在稳步逐年提高。根据本专业制定的教学大纲，本课程有3个教学目标，课程目标1主要考察学生的基础知识，课程目标2主要考察学生的实践动手能力，课程目标3主要考察学生的系统设计能力。各教学目标的达成度依据专业认证的要求进行，每个教学目标的达成度，根据大纲要求，计算个支撑点的得分，最后按比例计算出最后的实际得分与各达成度的总分之比。课程目标达成度评价值=课程目标实际平均评价值/课程目标考核环节设计评价值。课程目标考核环节设计评价值计算方法：支撑课程目标N的期末考试设计总分*期末考试占总评比例（%）+∑支撑课程目标N的作业考核设计总分*作业考核成绩占总评比例（%）+∑支撑课程目标N的实验考核设计总分*实验考核成绩占总评比例（%）+∑支撑课程目标N的实验考核表现总分*表现考核成绩占总评比例（%）。课程目标实际平均评价值计算方法：支撑课程目标N的期末考试实际得分总分*期末考试占总评比例（%）+∑支撑课程目标N的作业考核实际得分总分*作业考核成绩占总评比例（%）+∑支撑课程目标N的实验考核实际得分总分*实验考核成绩占总评比例（%）。本文统计了软件专业学生在2017级至2021共四个年级的学生学习达成度，具体如图4所示。2017级学生学习该课程的时候，尚未实施改革。分析该图的数据可知，进行改革后，学生的成绩对比改革前，有较大幅度的提高，21年至22年，则保持在一个较为稳定的高达成度状态。

4结语

在目前情况下，混合式教学打造“金课”是高校教学发展的一条必经之路。随着计算机相关技术的发展，学生的心理、学习习惯和思维方式亦发生了巨大的变化。如何在当前复杂的情形下，正确引导学生积极主动地学习，取得良好的教学效果，是每一位高校教师需要思考的问题和努力的方向。本课程建设和改革前后经过3年的研究与实践，结果表明学生的学习效果取得了较明显进步。当然本课程在实施过程中也存在不足之处，如教学资源不够丰富、对于考研的学生引导和关注不足等。这是后续需要持续改进的地方。

参考文献

[1]李南楠,李杰,顾雅珍,等.计算机校企合作实训金课建设研究.赤峰学院学报,2020(06):77-80

[2]汤晓蒙,何昕,杨婕.有关“金课”概念的省思.高教探索,2020(10):67-72

[3]吴银银.“金课”建设的理论探源与教学实践.当代教育与文化,2020,12(6):93-97

[4]刘斯文,程晋宽.大学“金课”的建构逻辑、起点、过程与走向.高校教育管理,2020,14(6):117-124

[5]刘桃丽,张健.基于EDA的计算机组成与结构实践教学模式探索.计算机技术与发展,2016,26(09):91-94

[6]黄学锦,廖丹.线上线下混合式金课模式探索.中国成人教育,2022(12):36-39

[7]施展,钱瑛,韩磊.工程认证为导向的计算机组成与结构课程改革.计算机教育,2019(12):141-144

[8]汤智,计伟荣.金课:范式特征、建设困局与突围路径.中国高教研究,2020(11):54-59

作者:刘桃丽 张健 单位:广东海洋大学计算机组成与结构