“新工科”背景下计算机组成原理课程教学探索

蒋玉英，葛宏义，张玉宏，张自豪，孙 钊，韩中泽

（1.河南工业大学人工智能与大数据学院，河南 郑州 450001；2.河南工业大学信息科学与工程学院，河南 郑州 450001）

0 引言

随着经济社会的发展，人工智能、大数据、“互联网+”等技术迅猛发展，社会和企业对生产、建设、管理和服务等人才的培养发生了全新的变化。传统的被动式教学模式已经不再适用于当今社会发展对的人才培养的需求，在“新工科”建设[1]和课程思政理念的背景下，面向工程教育认证理念[2]，注重学生创新思维，发挥学生创新能力，以有效提升高技能创新型人才是当前高校大力提倡的教学理念。

计算机组成原理是数据科学与大数据专业的必修课，涉及知识面广、信息量大，对数据科学与大数据专业学生学好后续专业课程息息相关，旨在培养学生熟练掌握计算机组成的基本概念、逻辑实现以及工作原理。总体来说，计算机组成原理课程讲述的知识点偏硬件，由于数据科学与大数据专业的学生缺少硬件先修课程，基础薄弱而理解困难，并且缺乏有效的应用场景，同时在传统的教学模式中，以教师为中心，教师是课堂的主体，学生和教师之缺少有效地互动，导致课堂学习效率低下，学生缺乏学习积极性，因此在人工智能时代背景下，如何激发学生学习兴趣，提高课堂学习效果，培养适应新科技产业进步的新工科人才是高校亟待解决的突出问题。

因此，在多年本科教学经验积累的基础上，面向新工科建设，坚持OBE理念，以学生为中心，并根据数据科学与大数据专业的特点，结合现有教学条件与环境，改革计算机组成原理课程教学模式，培养当代大学生的自主学习、创新实践、能够解决大数据领域复杂工程问题的能力。

1 课程教学目标

计算机组成原理是数据科学与大数据专业的核心课程，也是计算机相关专业的研究生入学考试课程。计算机组成原理课程旨在引领学生深入掌握计算机系统的内部组结构组成及其工作原理。根据数据科学与大数据专业毕业要求，从知识、能力和素质培养出发，确定了如下四个课程目标：

（1）能够运用数学、数据科学与大数据技术基础知识和专业知识合理评价大数据工程解决方案。

（2）能够从数学、自然科学和数据科学与大数据技术专业知识的角度，对大数据复杂工程问题的解决方案进行分析，并尝试改进。

（3）能够根据需求确定大数据系统和应用项目的设计目标，能够针对复杂工程问题进行系统概要设计和详细设计。

（4）能够基于数据科学和大数据技术的相关原理，识别和理解大数据复杂工程问题的相关特性。

2 面向“新工科”的课程教学改革探索

根据课程教学目标，计算机组成原理课程改革从教学内容、教学模式、课程思政、实验教学、课程考核等5个方面进行，探索有效的教学方式。

2.1 拓展教学内容

目前计算机组成原理教材主要讲授经典的8086/8088系统的组成和工作原理，教学内容缺乏新颖性，因此在当前大时代背景下，以培养学生创新能力为目标，以培养能够解决实际问题的复合型新工科人才为需求[3]，调整课程教学内容，拓展理论课程的课堂教学知识内容，适当引入贴近生活易懂的前沿型案例，与学生引起共鸣，调动课程氛围。聚焦科技前沿，反哺课堂教学。例如在讲授计算机发展史的时候，引入2019问世的由中科大等单位研制的“九章”量子计算机，标志着我国计算机发展进入了一个新的高度，成功达到了量子计算研究的第一个里程碑。在讲授存储器章节知识点的时候，可以引入我国最新研发的自主产权芯片，如中国科学院计算技术所研发的龙兴芯片和华为的蛟龙芯片，让学生全面了解我国的科技发展水平，响应国家安可工程，激发学生的求知欲和学习兴趣。

2.2 教学模式改革

“新工科”改革强调创新教学模式，计算机组成原理教学模式的革新主要包括：

问题驱动，引导探索：以学生为中心，问题为导向，引导学生对新知识的探索，例如在观看视频或授课过程中增加提问环节。例如在讲授半导体存储芯片的译码驱动方式线选法时，采用动画的形式展示线选法译码驱动工作原理，并设计提问“线选法译码驱动的缺点是什么？”，在解答问题的同时提出重合法译码驱动方式。通过课程相关知识问题的设置，引导学生寻求问题的解决方案，动态考核学生对相关知识点的掌握情况，加深学生对相关知识的映像，激发了学生的学习积极性。

任务驱动，互动讨论：由于数据科学和大数据专业在计算机相关专业中的特殊性，要求面向新工科的计算机组成原理教学内容和教学模型具备探索性和前沿性。因此在授课过程中增加翻转课堂的教学模式，按照教学大纲将课程任务划分为若干个知识板块，并将学生进行分组，每组4～5位同学，每小组负责讲解一个知识板块。教师和其他学生分别对每位同学进行提问，并根据讲解和回答情况进行评价，同时小组成员内部需要进行自评和组内互评。为了防止组内成员相互包庇，组内互评时，不要根据最内贡献度评出不同分数，如果组内分数一样，将作废处理，进而逐步提升学生团队合作、遇到问题自行解决问题的素养。

项目驱动，团结协作：引导学生在学习课堂知识之余，积极参与到教师科研队伍中，在平衡学习和闲暇时间之余，积极参加各种创新创业竞赛（如挑战杯、“互联网+”等），或者任课教师根据每个知识板块布置几个小项目，例如在讲授指令系统相关章节知识时，让学生采用汇编语言动态展示左手逃生法则演示程序。由学生自主组队，3～4位同学一组，每位同学各司其职，各尽其能，合作完成并展示结果和提交设计说明报告，作为期末最终考核成绩的加分项，从而培养学生独立解决工程问题的能力和团结协作精神，锻炼沟通表达能力和动手解决问题的能力。课程目标与教学环节的对应关系如表1所示。

表1 课程目标与教学环节对应表

2.3 课程思政融入

在计算机组成原理课程授课中融入课程思政教育，建立课程思政育人模式，在隐性教育中提高学生的政治觉悟和思想政治素养[4-5]。因此任课教师需要梳理挖掘课程各章节知识与思政要素的融合点，在课堂教学过程中隐性穿插课程思政元素。例如：通过“计算机之父──冯·诺依曼”引出“中国巨型计算机之父──慈云桂”，培养学生爱国、敬业，勇于探索和发现问题的工匠精神；通过“计算机前沿动态发展、芯片制造”等知识的讲授过程中以中兴、华为为例，增强学生科技兴国的民族意识，树立吃苦耐劳、团结合作精神；通过“CPU和总线系统”等相关内容的学习，帮助学生领悟坚持党的领导，全面依法治国的真谛。

在课程中融入思政教育，强化对大学生爱国敬业、诚信友善、吃苦耐劳、勇于创新的社会责任感的培养，是提升教学质量，是培养德智体全面发展当代大学生的有效途径。

2.4 实验教学改革

为了提高本科教学中新工科人才培养质量，需要注重教学实践，实践是检验真理的唯一标准，因此在教学过程中需要将课程理论知识与实践紧密结合，培养学生实践能力，较深学生对课程理论知识的掌握程度[6]。在计算机组成原理实验课程教学中，根据课程知识点安排有5次实验，分别是计算机运算器组成实验、双端口存储器原理实验、数据通路组成实验、微程序控制器组成实验和CPU组成及机器指令的执行实验。实验项目和课程理论知识的对应关系如表2（P101）所示。

表2 实现项目与理论知识对应关系表

同时，为了充分利用现有实验室平台，实验之前引导学生通过超星学习通或者经典视频进行课前预习。实验室过程中，学通过TEC-8实验系统，对课程知识点的实践验证，加深学生对理论知识的吸收和理解。由于TEC-8实验系统有限，要求学生自行组队，能力强的学生可以帮扶能力欠佳的学生，给学生提供一个开放、轻松的实验环境。答辩时，让组内成员进行自评和互评，让学生自己按照完成贡献度进行排名，避免出现组内成绩一致的现象。根据教师评价、组内自评和互评成绩按照50%、20%和30%的比例，换算成最终的实验成绩。

2.5 考核评价改革

新工科背景下人工高智能与大数据时代的教学过程，体现以学生为中心，强调学生自主学习觉悟[7]，全方面考核学生对课程的掌握情况，弱化笔试考试的比重。计算机组成原理课程考核采用多元化方法，考核项目主要包括期末考试、实验成绩、项目成绩、平时作业成绩及平时小测试等五项组成。

期末考核：主要采用期末闭卷形式，考核学生对计算机组成原理基础知识的掌握程度，重点考核理论知识的应用能力，以及解决计算机工程相关复杂工程问题的能力。

实验考核：主要考查学生理论联系实际的动手能力。学生根据TEC-8实验系统指导书实现硬件连线和内容操作，通过结合理论原理与实际设备的配置方法，进行数据输入、结果展示，并对获得的结果进行分析说明，提交试验报告。

项目成果考核：教师根据课程知识板块设计几个小项目，学生之间合作完成，引导学生将所学知识点应用到解决实际工程问题的能力。

过程考核：主要包括平时作业成绩、讨论和小测成绩。每节课完成后布置响应的作业，随时考核学生对本次课程的掌握情况；上课过程中穿插讨论环节，激发学生上课积极性；平时小测试采用阶段性的考试方式，随时检测学生对各章节知识掌握情况，教师可根据测试结果动态调整课程进度安排。

采用多元化考核评价方全面考核评价方式，准确掌握学生的学习效果，同时体现了学生的差异性，多方位考核新工科背景下学生对计算机组成原理课程知识点的掌握情况，进而反映学生分析和解决计算机领域复杂工程问题的能力。

3 总结

根据“新工科”背景下数据科学与大数据专业毕业要求，确定计算机组成原理课程目标，改革教学模式，提升学生的课堂参与度；根据课程各章节知识有机融入思政元素，潜移默化地培养学生思政素养，增强学生艰苦奋斗，爱国敬业的民族意识；通过实验教学实践培养学生团结协作、分析和解决问题的能力；改革考核评价方式，全面考核学生对课程知识的掌握程度。因此，计算机组成原理课程改革探索有助于培养新工科建设要求下创新型全面发展优质人才。