面向工程教育认证的计算机组成原理教改实践探究

来源:用户上传      作者:沈丹莹

　　摘要：计算机组成原理是计算机及其相关专业本科学生的一门专业基础课程，在计算机相关专业的教学中占有重要的地位和作用。工程教育专业认证以“学生中心、产出导向、持续改进”为基本理念，是推进工程人才培养质量提升、推动专业发展进入快车道，建设“一流专业”的重要举措。针对工程教育认证背景下如何实施教学、提高教学成效的问题，以计算机组成原理为例，从教学思路、教学方法与手段、教学案例设计以及教学成效与改进措施几个方面介绍计算机组成原理教学改革实践过程。
　　关键词：工程教育认证；计算机组成原理；教学改革
　　中图分类号：G642 文献标识码：A
　　文章编号：1009-3044（2022）28-0161-03
　　1 引言
　　工程教育专业认证以“学生中心、产出导向、持续改进”为基本理念，是推进工程人才培养质量提升、推动专业发展进入快车道，建设“一流专业”的重要举措[1]。闽江学院计算机科学与技术专业获批2021年度国家一流本科专业建设点，参与并通过教育部工程教育认证势在必行。积极参与并推动工程教育认证是计算机科学与技术专业每一位教师的责任，为此，本文以专业核心课程――计算机组成原理为例进行教学改革探索与实践。
　　2 计算机组成原理课程教学现状
　　学习计算机组成原理课程，能够使学生系统地了解计算机各功能部件的逻辑组成与运行机制，形成计算机整机概念，为今后学习计算机操作系统、ARM体系与接口技术等专业课程打好基础。它是计算机及其相关专业本科学生的一门专业基础课程，是计算机科学与技术专业的核心课程之一，在计算机专业教学中占有重要的地位和作用。但由于课程涉及计算机系统底层硬件，内容比较抽象且碎片化，同时在日常教学中存在教具缺乏、学校实验条件欠佳等问题，学生普遍反映学习难度较大，无法准确把握课程的重点与难点，期末考核成绩不够理想；另外，课程考核方式比较单一，过程性评价与监督机制不足，难以支持其对学生能力培养的要求。
　　3 面向工程教育认证的计算机组成原理教学改革
　　过去实行的教育关注点聚焦在教师如何教好学生，而如今工程教育认证注重的是学生如何学好课程，它使得“学生为中心”第一次有了明确合理的体系框架。以生为本，任课教师必须明确学完这门课程学生应具备的能力是什么，为什么要让学生具备这些能力，如何有效地帮助学生具备这些能力以及评价这些能力的方法和手段有哪些[2]。下文从教学思路改革、教学方法与手段改革、教学案例设计与持续改进措施四个方面阐述计算机组成原理教学改革的具体实践。
　　3.1 计算机组成原理教学思路改革
　　1） 课程教学目标的分解。工程教育认证在培养目标、毕业要求、持续改进等7个方面有明确的规定和具体要求。其中“毕业要求”是培养目标达成的重要支撑，毕业要求达成度评价是衡量学生学习成果的重要手段。基于OBE的理念，将闽江学院计算机科学与技术专业的12项毕业要求指标点进行拆解，再将指标点映射到具体课程，毕业要求的达成依赖于课程教学目标的达成。计算机组成原理课程的教学目标可分解为4个小点，分别与其4个毕业要求指标点一一对应[3]。课程教学目标1为掌握组成原理基础知识，并能用于理解计算机体系结构；课程教学目标2为掌握组成原理的基本原理与基本方法，并能对计算机系统设计方案进行推理和验证；课程教学目标3为掌握处理器及微体系结构层的相关原理，进一步提高学生对组成原理复杂工程问题进行分析和解决的能力；课程教学目标4为能够系统地理解计算机各功能部件的逻辑组成与运行机制，形成计算机整机概念，提高学生对复杂工程问题进行研究的能力。课程教学目标与毕业要求对应关系如下表所示。
　　2） 建立教学内容与教学目标之间的对应关系。课程教学内容由各个知识章节组成，为了实现课程教学目标，必须将知识章节映射到教学目标，同时明确各章与能力培养的关系。如表2所示，计算机系统概论、系统总线、存储器及输入输出系统皆对应教学目标1和4，计算机系统概论不做实际考核，只是强调目标1能力的培养，后三者是目标1的考核内容；计算机的运算方法与指令系统对应教学目标2和4，考核教学目标2 ；CPU的结构和功能、控制单元的功能和设计对应教学目标3和4，考核教学目标3；组成原理实验对应教学目标4。在对应教学目标4的知识章节中，除实验对目标4需进行考核外，其余章节仅与能力培养有关而不必进行具体考核。
　　上表中：C：Covered，E：Emphasized，AE：Assessed & Evaluated。
　　3） 将课程考核方式关联到教学目标。课程教学目标是否能够达成需经由课程考核得以衡量，在学期初将课程考核方式与占比以及评分标准等向学生公布。扩充课程过程性评价考核项目，增加阶段小测，加强学生学习过程的监督与评价。作业小测、课堂提问与实验，三项成绩均为五级制，期末总评时再换算成百分制以便衡量教学目标的达成度。考核方式与教学目标的对应关系如表3所示。
　　3.2 计算机组成原理教学方法与教学手段改革
　　1） 将碎片化的教学内容模块化，形成完整的知识体系。针对课程的特点将组成原理内容模块化，大致分为计算机系统概论、系统总线、存储器（包括主存储器、高速缓冲存储器和辅助存储器）、输入输出系统、中央处理器（包括运算方法、指令系统及CPU的结构与功能）、控制单元（包括功能与设计）六大模块。从计算机系统的整体结构入手，由整体到局部，由外围到核心，结合计算机组成发展的趋势，重点通过例题讲解来加深学生对各个知识点的理解和掌握，帮助他们学会将知识和原理应用于实际问题的分析和解决，从而达到能力培养的目的[4]。
　　2） 知识章节结束时帮助学生进行阶段小结。在每个知识章节结束时，以提问的方式引导学生概括出该章节的主要内容和重点难点，并提出还存在疑问的地方。这个方法可以帮助学生回顾已学内容，进行自我总结，教师可及时解答学生的疑难问题，促进学生对知识的理解和消化，促成教学目标的达成。自我阶段小结是过程评价的手段之一，可作为课堂提问成绩评价的依据。

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　　3） 安排学生参与出题，利用超星学习通App进行阶段小测。阶段小结之后随即进行阶段小测，打破传统由教师出题的模式，代之以学生出题，提高他们学习的主动性。课程一学期共进行6次小测，将学生分组，每组学生负责其中的一次小测出题。学生需根据阶段小结得出的课程重点和难点知识出题，每次小测的题目由教师审核修改后发布进行测试。被选中题目最多的小组，每人在过程性评价的作业小测项得到额外加分。小测题型为选择和填空，用时10～15分钟，除计算机系统概论外，在讲授新章节之前均利用课外时间进行在线小测。这种方式不仅能够及时跟踪检查学生对知识的掌握情况，而且极大提高了学生学习的积极性；教师可对小测出错率高的题目进行讲评梳理以达到及时查缺补漏巩固知识的目的。阶段小测是过程性评价与监督的有效方法，可为教学目标的达成提供有力保障。
　　4） 选用学生助教帮助作业批改与实验指导。善于利用榜样的力量促进班级学习氛围的形成。招聘高年级已学习过计算机组成原理且成绩优秀的学生担任课程助教，协助教师进行作业批改和实验指导，让学生在与优秀助教的沟通交流中受到潜移默化的影响，培养自觉学习的好习惯。助教参与实验指导既加强了对学生自主实验的监督力度，还可及时发现存在问题的实验设备，及时联系厂家进校维修，确保后续实验课能够正常上课。
　　3.3 计算机组成原理教学案例设计
　　下面以组成原理教学中的重点难点内容――“存储器容量的扩展”为例进行课前、课中和课后教学活动的设计（表4） ，遵循“以学生为中心”的教学理念，授课过程中采用提问法、练习法与案例分析法引导学生做学习的主人，在体会到主动学习乐趣的同时掌握存储器容量扩展的要诀[5]。
　　3.4 教学成效与持续改进措施
　　经过对2020级计算机科学与技术专业一个学期的教学实施，取得了一定的教学成效，学生普遍反映学习主动性得到提高，学习获得感得到了一定的增强。学期期末考核后发现：课程目标1与课程目标4达成情况较好，表明学生对组成原理的重点基础知识掌握较好，并且建立了较完备的计算机整机概念。课程目标2、3达成度较低，目标2主要考查计算机的运算方法和指令格式的设计原则，目标3主要考查CPU的结构和功能以及控制单元的功能。反映学生对组成原理的某些基本理论掌握得不够扎实，将理论应用于实际问题、分析和解决实际问题的能力还比较薄弱。
　　针对以上情况，今后的课程教学考虑从以下三个方面进行改进：
　　1） 加强学生的计算能力训练，尽力减少计算错误；针对学生掌握薄弱的知识点，如扩展操作码编码技术、中断屏蔽字的设置、流水线时空图的做法以及微指令格式的设计，增加案例讲解和练习力度。
　　2） 调整教学进度和内容安排，适当弱化其他非重点知识的介绍，腾出足够时间为重点知识服铡
　　3） 在课堂教学中增加更多的互动环节，关注学生掌握程度，及时调整教学方法。
　　4 结束语
　　本文以计算机组成原理课程为例，阐述了工程教育认证背景下该课程的教学改革思路与具体实施情况。教学是一个不断迭代和持续改进的过程，根据课程教学目标以及培养成效的评价结果，可以分析课程教学的成效和存在的问题。参与工程教育认证的过程也是教学人员不断发现问题，解决问题，改进教学的过程。在“以学生为中心、产出导向、持续改进”的基本理念指导下，积极推进工程教育认证工作，促进专业建设与人才培养的目标早日达成。
　　参考文献：
　　[1] 谌静，李锐，王伟.工程教育认证毕业要求达成度的评价方法研究――以电子科学与技术专业为例[J].无线互联科技，2019，16（22）：107-109.
　　[2] 张磊，何杰，齐悦，等.工程认证背景下计算机组成原理课程设计改革[J].实验技术与管理，2021，38（4）：179-185.
　　[3] 叶茜.基于工程教育认证的单片机课程教学分析[J].无线互联科技，2018，15（5）：88-90.
　　[4] 闫庆丰，李潇雯，段德青.高校计算机组成原理课程思政探析及教学改革[J].电脑与电信，2021（12）：5-8，13.
　　[5] 韩姗姗，沈瑛，范玉雷，等.计算机组成原理课程教学设计与案例实践[J].计算机教育，2022（5）：89-93，98.
　　【通联编辑：谢媛媛】

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