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计算机组成原理混合式教学模式探索与实践

2024-04-16 68 上传者：管理员

摘要：为解决当前计算机组成原理课程教学中存在的问题，本文对线上线下混合式教学模式进行研究。通过构建一个以学生为中心的线上线下混合式教学体系，设计一种混合式教学方式和课程考核机制，来提高教学评价的可测度性，以及评估学生对教学知识点的掌握程度。实践的结果表明，混合式教学模式能够有效激发学生的积极性与主动性，教学效果显著提升。

关键词：
MOOC
信息化
教学改革
混合式教学
计算机组成原理
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1、引言

混合式教学方式是将传统课堂教学和网络在线教学的优势有机结合的一种“线上”+“线下”混合式教学模式[1,2]。采取信息化的技术手段构建在线课程教学案例资源，给传统的授课方式带来很大的变化[3]。借助信息化技术手段提高教学效果是当前课堂教学开展线上线下混合式教学改革亟需解决的关键技术问题[4,5]。

当前计算机组成原理课程教学过程中存在很多问题，例如：根据冯诺依曼计算机架构，计算机系统结构复杂，在课程授课过程中学生难以建立起计算机系统的宏观概念；传统实验基于真实实验箱或实验台，学生对复杂的处理器内部数据通路、控制信号等难以建立宏观认识[6]；计算机系统结构复杂、流水线运行过程微观不可见[7]。

在此背景下，本文针对计算机大类专业基础课程《计算机组成原理》开展线上线下混合式教学实践与探索，通过慕课（Massive Open Online Course,MOOC）平台建设同步小规模在线课程（Small Private Online Courses,SPOC）课程，采取“MOOC+SPOC”的教学模式，将自建教学案例资源与课程教学要求相结合，让学生建立对计算机系统的全局认识，培养其解决复杂工程问题的思维和能力[8]。

2、教学改革目标

本课程目标为指导学生掌握计算机基本组成与工作原理，采用存储逻辑和硬布线逻辑完成控制器的设计，建立起计算机系统的整体概念，从计算技术角度对计算机组成技术进行知识体系拓展，能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理和计算思维方法对计算机技术与应用领域的复杂工程问题进行识别与有效分解，培养学生建立计算机系统的全局认识，以及解决复杂工程问题的能力。

2.1 知识目标

本课程的知识目标主要包含掌握计算机系统的发展、分类、冯-诺依曼型计算机的主要特征，掌握计算机系统的特点、层次结构、软硬件系统组成，掌握计算机系统的主要性能指标[9]。课程目标如下：

目标1：掌握计算机的基本组成、工作原理、计算机运行程序的基本过程，建立起计算机系统的整体概念。

目标2：掌握控制器的设计方法，培养应用基本原理和思维方法对计算机应用领域的复杂工程问题进行分析，并具备解决工程实践问题的能力。

目标3：培养学生的创造性思维，培养计算机系统的软硬件协同开发素养，能够对计算机系统进行故障检测和性能分析，提升学生的科学思维、系统设计能力和综合创新能力。

2.2 能力目标

通过本课程的学习，使学生掌握计算机的基本组成、工作原理、计算机程序的运行过程，掌握机器数的表示、各种运算方法及硬件实现，掌握系统总线技术，理解存储器的组成与工作原理，掌握控制器的设计方法及计算机指令系统，能够利用电子设计自动化（Electronic Design Automation,EDA）工具设计单周期中央处理器（Central Processing Unit,CPU），建立起计算机系统的整体概念，加深对计算机系统结构的理解，从实际问题中培养学生复杂工程问题的抽象建模和设计方案优化意识，提高对计算机应用领域复杂工程问题的理解能力[10]。

3、教学改革措施

3.1 课程平台

依托智慧树和头歌（EduCoder）实践教学平台构建本课程线上线下混合式共享课程教学案例库，包含：视频资源，习题库，章节测试题，期末测试题等课程资源。学生可以灵活利用各种碎片时间完成知识点的预习、复习，积极参与教学知识点的讨论，并针对疑难问题随时提问并参与研讨。本课程线上教学平台，如图1所示。

图1 课程线上教学平台

3.2 教学方法设计与改进

以问题为导向，采取渐进式与探究式教学方法，针对课前、课中和课后等多个教学环节开展全过程教学设计。课前安排学生开展知识点预习，针对待讲授的内容进行课前准备；课堂授课环节着重讲述知识重点与难点，可通过课堂提问、小组讨论等形式了解学生对课程基础理论知识的掌握程度，并设置综合性题目进行强化练习，提高学生对课程知识的掌握与灵活运用，提高课程高阶度和挑战度；课后利用智慧树平台观看在线视频，利用共享课模块完成课程作业、答疑解惑、章节测试等内容。课程目标与内容设计，如图2所示。

图2 课程目标与内容设计

在课程实践环节，针对计算机系统组成结构复杂、处理器流水线过程微观不可见的实际情况，利用虚拟仿真技术模拟计算机软硬件协同工作过程，演示流水线中对指令级并行度和可靠性影响较大的转移预测运行机制、缓存机制、数据存储、总线通信、超标量流水线等部件的详细运行过程，利用EDA工具进行每秒处理百万级机器语言指令数（Million Instructions Per Second,MIPS）处理器设计，搭建计算机系统基本模型机，提高解决复杂工程问题的能力。

4、教学改革的特色

构建课程线上线下的混合式教学模式并探索创新性教学方法，加强学生对计算机系统的深层次理解，提升自主学习的能动性。

(1）探索MOOC+SPOC混合式教学新模式。

根据学生认知规律，为克服计算机系统软硬件知识点抽象的困难，通过构建《计算机组成原理》线上（共享课程）、线下（翻转课堂）相结合的MOOC+SPOC教学模式，遵循以学生为主体的教学理念，将线上线下理论教学与工程实践有机融合，培养学生解决复杂工程问题的能力。

(2）探索多层次递进式工程实践教学新思路。

为解决课时不足与实验教学模式单一等问题，引导学生开展自主探究式学习，本着理论实践一体化、实验内容综合化、实验目标系统化、实验环境虚拟化、过程考核定量化的原则，改变传统的依赖硬件实验箱、以验证性实验为主的实验模式，发挥实验灵活、扩展性强的特点，推进EDA电路仿真与EduCoder在线功能调试相结合的混合实验模式。课程实验教学要求如表1所示。

表1 课程实验教学要求与设计

通过虚拟仿真技术，使学生从宏观和微观两个维度直观感受计算机的运行过程，掌握计算机的组成与层次结构，观察计算机运行机制与工作流程，动态跟踪计算机运行状态。

(3）构建多元化教学评价新体系。

为开展多元化考核方式并全方位拓宽考核维度，根据学生迭代学习的特征，在理论教学与实验教学过程中，突出过程性考核，淡化一次性考核。实验过程中主要依据操作表现、代码质量、问题研讨、线上通关、实验报告等跟踪学生的学情数据。教学评价分为线上、线下综合评价。线上评价数据来自于智慧树平台，线下评价主要来自于各级督导、学生评价及校外专家评价。同时，注重培养学生的创新能力，提升创新人才的培养水平。

5、教学改革实践

5.1 教学实践设计思路

在课程教学改革实践中，结合工程实践需求与人才培养目标，设计一系列不同层次、不同难度的开放性问题，积极鼓励学生自主创新，并设置小组协作任务，培养学生的团队协作和沟通能力。

通过课程实践改革，培养学生的科技创新素养与工程实践能力，针对不同的项目需求，能够达到举一反三、以点及面的目的，培养学生解决计算机应用领域复杂工程问题的能力。

5.2 案例分析

根据冯诺依曼计算机系统架构，构建一个32位单周期MIPS处理器，掌握计算机各部件的组成和运行过程。单周期处理器是指所有指令均在一个时钟周期内完成的处理器。单周期多指令微控制器实例程序如表2所示。

表2 单周期多指令微控制器实例程序

尽管不同指令执行时间不同，但对单周期处理器而言，时钟周期需设计成对所有指令等长。为保证指令能够在一个时钟周期内完成，一条指令执行过程中任何资源都不被重复使用，任何需要被多次访问的资源（如寄存器）都需要设置多个，否则就会发生资源冲突。在实践教学中，根据以上要求设计MIPS处理器微指令的处理流程，如图3所示。

具体实验教学过程如下：

(1）实验资源的共建共享。利用EduCoder实验教学平台，发布实验方案、程序源码和典型电路等各种教学资源，有助于提高教学质量。

(2）实验操作表现的评价与分析。分析学生在方案设计、功能测试和结果验证等方面的表现，并及时进行实验指导，帮助学生提升实验效果。

(3）答辩与研讨。开展实验教学分析与研讨，鼓励学生分享实验心得，并提供答疑与指导。

图3 处理器微指令源程序处理流程

6、多维度教学考核与评价

本课程开展多环节、多维度的全过程教学评价，包括线上、线下和实验实践等教学考核环节，以平时作业、小测验、大作业、课堂表现、实验操作表现等成绩作为过程考核成绩，期末考试成绩作为课程考核成绩。具体教学评价方式如表3所示。

表3 计算机组成原理课程教学评价

考核评价体系中的权重可根据授课专业适当调整，既能够反映学生的学习过程，还能全面考核学生对课程知识点的掌握情况。同时，通过计算机组成原理混合式教学改革，解决了学生实验操作不足的问题，将演示实验模式转变为自主实验模式，培养了学生的探究能力，提高了课程的高阶性和挑战度，学生对课程知识点的掌握情况显著提升。

同时，构建“学生-教师-督导-专家”多维度的教学成效评价方法。针对教学目标的达成度、教学内容的丰富度、教学方法的有效性、教学过程的流畅度、教学氛围的活跃度、教学效果的满意度等方面综合评估教师的教学效果，开展学情分析，评估教学过程是否符合教学规律与学生认知。此外，课程教学团队通过集中备课、教学研讨、青年教师导航计划等方式不断提升课程教学质量与效果。

图4 学生科技竞赛获奖情况

图5 自建线上线下混合式课程学生选课情况

目前，计算机组成原理课程已开展4个学期的线上线下混合式教学，积累了丰富的教学实践经验，并取得良好的成绩。主要包括：（1）课程成绩显著提升，优秀比例由传统教学模式下的不足8%逐步提高到15%左右。（2）实验教学效果逐年提升，从基础验证性实验逐步拓展到复杂MIPS处理器设计实验。（3）从学生科技竞赛获奖情况来看，在“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛、大学生创新创业训练计划项目、中国高校计算机大赛等主要学科竞赛中选择计算机硬件设计的学生人数稳步增加，近年来学生科技竞赛获奖情况如图4所示。（4）课程资源选课学生规模逐年增加，先后被16所本科院校选用。线上线下混合式课程学生选课情况如图5所示。

7、总结

本文围绕《计算机组成原理》线上线下混合式教学改革，采用“MOOC+SPOC”的教学模式，通过信息化技术手段，将各种课堂教学形态有机融合在一起，在智慧树MOOC平台建设同步SPOC课程，根据学情数据逐步调整教学方式，教师能够及时掌握学情数据，优化课程教学设计，及时有效的解决教学难点，提高教学质量。

通过不同要素的考核方式有机结合，建立定性与定量相结合的过程性评价体系，有效的反馈教学设计并调整教学思路，帮助学生建立起计算机系统的整体概念，培养学生复杂工程问题的建模与设计能力，为计算机大类专业人才培养提供有力支撑。

参考文献:

[1]李灵晓,仲从磊.基于SPOC+共享学习空间的混合式课堂教学模式探索与实践.黑龙江教育(高教研究与评估), 2022,1399(9):36-38

[2]汪宇玲,陆玲,等.培养新工科生自主学习力的SPOC翻转课堂教学设计—以“计算机组成原理”课程为例.东华理工大学学报(社会科学版),2021,40(04):392-396

[3]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.实验技术与管理, 2021,38(04):179-185

[4]王锋叶,李灵晓.翻转课堂在高等数学教学中的探讨.黑龙江教育(高教研究与评估),2018,1251(07):4-6

[5]周波,刘亚军.“电路与电子学基础”课程混合式教学与建设研究.教育教学论坛,2021,528(29):65-68

[6]徐少杰,彭纲,张盛,等.三维虚拟仿真实验室在肿瘤放疗教学中的应用探讨.教育教学论坛,2021,529(30):37-40

[7]谭志虎,秦磊华,胡迪青.面向系统能力培养的计算机专业实践教学模式.中国大学教学,2017,325(09):80-84

[8]曾昭平,付剑锋,等.计算机组成原理课程与思政教育结合的研究.高教学刊,2022,8(26):84-87