医工融合背景下计算机组成原理课程混合式教学实践探索

摘 要：医工融合是当今社会发展的热点，医科大学中的工科院系需要做出相应教学改革的探索才能培养符合社会发展需要的高层次复合型人才。文章以计算机组成原理课程为例，就目前课程在教学过程中出现的不足之处提出针对性的教学改革，包括设计贯穿整个课程的开发案例以链接课本的章节内容；通过线上线下相结合的方式对课程内容形成引导、输入、测试、反馈等闭环学习路径来保障对知识点的掌握；通过差异化的课程设计孵化学科竞赛项目；通过竞赛项目穿插基础科研能力的培养；通过项目流程的推进培养学生的闭环逻辑、思维能力等。研究通过多维的效果评价，证明这种混合式教学改革方法对提升教学质量有积极的促进意义。

关键词：计算机组成原理；医工融合；混合式教学；教学改革

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1673-7164（2024）26-0095-04

教育部高等教育司于2021年5月召开新闻发布会，提出推进新工科、新医科、新农科、新文科的“四新”建设，全面提高高等教育人才培养质量，以应对新一轮的科技革命和产业变革。［1］高等教育机构面对挑战要做出主动应答、教育应答、时代应答。尤其是在医工融合的大背景下，如何培养学生的创新工程思维，让其掌握扎实的工程技术手段，为医学提供更加精确、有效和安全的诊疗方法，为患者提供更好的医疗服务，最终为社会和谐健康发展做出贡献，是值得做出思考和尝试的课题。作为医工兼备的医科大学，如何在教学过程中开展复合型人才培养是当下迫切需要解决的问题。计算机组成原理作为计算机类专业的核心课程，也是电子信息、生物医学工程和人工智能类专业的必修课，［2-3］在课程体系中具有承上启下的作用。在过去的教学实践中，尤其是在工科相对薄弱的医科类高等院校，在教学内容的设计，教学资源的建设，教学方法与理念的创新，教学过程的实施和教学评价的设计等方面存在诸多不足之处。文章对广东医科大学计算机组成原理课程的现状进行了剖析，总结了课程教学中出现的不足之处，并提出了针对性的教学改革与实践建议，设计了多维度的教学评价。

一、课程教学现状分析

信息管理与信息系统专业是广东医科大学信息工程系开办的招生专业之一，主要培养从事医院信息系统开发工作的专业人员。多年来已经形成了成熟完善的教学、实践和就业体系，并在一定程度上取得了业界的认可，是广东省一流本科专业建设点。随着国家深化教育改革，提出新医科和新工科建设战略，推动“医学+X”复合型人才培养是教育改革的必然要求。［4］在此背景下，广东医科大学2014年启动了医学信息卓越工程师培养计划，2021年开办了医学信息卓越创新班，通过“校企院”三方协同培养医工融合的复合型医学信息人才。经过多年的积累和成长，已成为学院培养医学信息工程方面人才的一张名片。计算机组成原理作为其中的核心专业课程，是软件工程思维在硬件体系下实现和运行的基础，是软硬件系统相结合与统一的重要基础性课程。

但是，长期以来，该课程教学仍有以下问题：1. 学生对课程缺乏兴趣，积极主动性不够，课堂上表现较为沉闷。2. 线上有丰富优质的课程资源，可满足个性化的学习需求，但和线下课堂的互联互通性较差，学习效果一般；教师信息化素养不足，对学校购置的信息化教学平台理解和使用程度不足。3. 传统软件开发类工程实践项目丰富，但缺乏生动、易于理解且难度适中的硬件开发类工程实践项目，硬件开发类的学科竞赛项目更是寥寥。4. 教学过程中涉及的前沿科研方向和科研要求拓展度一般。5. 对学生评价维度较为单一，对复合型人才培养的评价标准理解和设计不足。这些问题导致学生缺乏主动学习的兴趣，学习效果一般，不利于高校对研究型、创新型本科人才的培养。因此对计算机组成原理课程的教学亟需实施新的改革和探索。

二、课程混合式教学实践的探索

（一）通过设计贯穿整个课程的开发案例激发学生的学习兴趣

计算机组成原理课程是对计算机的五大组成部件：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备工作原理的详细介绍。课程内容和实际硬件电路结构相关，知识面多、内容抽象，不易理解。对工科基础相对薄弱的医科大学来讲需要精心设计教学过程，否则容易导致学生对课程学习丧失兴趣，从而造成课堂气氛沉闷，学习效果不佳。本次实践在课程开篇即由教师设计并展示嵌入式设备（ESP8266）通过MQTT协议接入阿里云，并使用阿里云STUDIO工具设计的UI在云端控制本地嵌入式设备上的资源。学生通过手机扫描二维码在线获取UI，以直观的方式感受计算机设备可完成的功能，以可视化的界面演示计算机五大部件相互协作可完成的效果。通过效果展示激发学生对技术的热情，通过组织小组讨论和头脑风暴的方式深挖展示的技术在未来生活的应用场景，以激发学生对科技改变生活所产生的使命感和勇于挑战技术难度的勇气。通过把开发案例所使用的技术做合理分拆，并以知识图谱的形式展示，同时和课程章节内容做相应的匹配，使学生的学习不仅有目标、有内容、有实践，而且做到对章节内容的掌握和开发案例的进度相呼应，使学生对课程的学习做到有的放矢，对案例的推进做到有条不紊。通过这种贯穿式的案例设计，逐步引导学生具备项目开发所要求的基础职业素养，通过培养其能力和素养，为未来的工作和生活提供便捷。

（二）通过线上线下相结合的混合式教学模式合理推进教学进程

计算机组成原理课程内容丰富、知识体系大，如何通过“互联网+”方式开展有效的线上线下混合式教学，是课程教学改革的重点。［5］本研究充分利用本校使用的学习通+MOOC慕课平台，设计了一系列教学实践内容：

1. 对课程内容进行层次化的梳理和重构，按照组成、结构、功能、应用的顺序层层推进课程教学。教师要熟练掌握教材的脉络和重点，把章节内容进行合理的剖析并精心收集课程资源制作素材，发布在学习通平台以便学生课前预习。要求把重难点突出，和MOOC金牌课程中相关知识点做针对性联结，从不同角度进行理解，加深联动。

2. 针对课前预习，特别设计预习反馈板块，利用学习通的投票统计功能对共性疑难问题进行针对性备课，做到课前即可对授课重点进行梳理，对课堂安排做到心中有数，教学过程也更容易有条不紊、从容不迫地进行，学生学习也更有针对性。

3. 课中教学时，对预习后反馈的疑难点进行重点监测和重点反馈、解析。通过学习通中的预习反馈板块，对教学效果不佳的共性问题进行二次答疑，对个性化的疑难问题安排单独释疑解答，真正做到以学生为中心，确保每一位学生都掌握相关知识点。

4. 课后通过学习通平台发布作业，进一步检验、巩固和加深学生对课堂知识的理解，尤其是学生反馈的疑难点问题。利用学习通的分析汇总功能对作业中重点出现的错漏点进行梳理，并及时、有针对性地进行快速的课堂答疑、查漏补缺，使学生对课程知识的掌握更加全面、牢固。

5. 对课堂作业的评阅并不由教师完成，而是由学生组成的小组使用学习通的生生互评功能来完成。生生互评不仅是一个自我梳理、自我学习、自我展示和自我强化的过程，教师也可通过这种形式了解学生的学习进度和对同一问题不同角度、不同深度、不同层次的思考，进一步养成学生之间相互了解、相互学习、相互促进、相互成就的良好学习氛围。教师端也可随时掌握学生的学习动态，对发现的共性问题进行及时纠正和引导，增进学习效果。

6. 针对计算机的五大组成部件，设计开发难度和侧重点不同的差异化课程设计，学生以小组为单位自由选择，最后成果由教师和学生共同完成评审。小组之间通过课程设计实现对不同知识点的强化和梳理，生生互评会形成对不同领域知识点融合和工程创新的启发和渴望，并由教师引导学生，为参加学科竞赛或参与科研项目打下基础。

7. 利用学习通的线上特色功能对课堂教学模式和学生学习习惯进行适当的规范和引导。如线上签到可保障学习时间；线上选人和抢答可活跃课堂气氛；问卷调查和主题讨论对开放性问题容易形成思考和启发，在课程思政时效果显著；群聊和投票功能让班级活动的开展和事务性的选择更加便捷和高效；教师评分功能更是教师自我提升和了解学生实际需求的重要渠道。

（三）以项目为驱动，以竞赛为引导

本次实践把以项目为驱动的理念贯彻于课程的全过程，开篇即精心设计并展示了使用嵌入式处理器ESP8266通过MQTT协议接入阿里云的项目，将项目中所使用的技术与方法做思维导图式的分解，分解的内容和课程的章节内容中相关的知识点做对应的拆解：DMA、按键与显示屏控制和输入输出设备章节相对应；设计的spi flash的读写程序和存储器章节相对应；通过外设和DMA中断的处理与CPU的结构功能章节相呼应；通过对经典算法的实现与计算机运算方法章节相呼应；通过MQTT协议的实现与总线章节内容相呼应等。通过精心设计的案例，把计算机五大组成部件的开发和使用过程以实际案例的方式，按照课程的学习计划进行层层推进。通过实际项目的开发加深了对章节内容的理解，激发和培养学生做自主学习热情并使之形成良好的学习习惯，课堂的学bEuhxvkdawmPhyNAcCnzPQ==习氛围和学习动力较以往有了很大改善，课间休息时经常有学生拿开发板进行现场问题提问与反馈，也有部分学生在其他学生反馈的问题和解决方案中受到启发，从而对自我技能进行打磨与提升。在此影响下，以课程项目使用的技术为基础，通过课程设计的二次巩固与锻炼，自发组织并构思出超低功耗便携式神经元信号记录系统和基于阿里云的电子病历系统两个竞赛项目，对项目的研究意义和技术难点进行了详细的思考和剖析，并制订了对应的解决方案和计划，在准备完善的基础上获得了校内立项资助，为参加省赛和国赛打下基础。通过定期汇报进展、鼓励兴趣旁听的方式，以榜样的力量引导班级学习气氛，也激发了学生为科技发展贡献力量的热情和抱负。

（四）在项目推进过程中加深对科研方向的引导和科研素质的培养

本科教育中的一项重要任务是对科研能力的培养，激发学生的科学探索精神，并在科研过程中养成提出问题、分析问题、解决问题的基础科研素养。［6］本次实践非常重视且有意引导和培养学生的逻辑思维与科学思维，尤其是发现问题、解决问题的思维与能力，并将其融合于对科研问题的解决中。本次教学实践在对课程设计和学科竞赛中涉及的工程难点以及在解决这些难点的过程中所涉及的科研创新点，在项目推进过程中做重点介绍；对前沿的算法及实现方案进行梳理和引导，同时鼓励学生进行技术调研、选择和总结，对前沿的技术与实现方案形成对比性评价，在项目进展中逐渐提出关键的科学问题，给出关键科学问题的解决方案，对方案的利弊进行针对性说明。根据制订的方案，在完成过程中引导学生自主实践、总结并给予评价。教师在过程中对科研方向和科研方法加以引导，使学生在项目进展过程中形成对科研问题、科研方法、科研路线的自我认知，不仅巩固了知识点，提高了解决实际问题的动手能力，也在一定程度上培养了科研能力，并对以后的人生有了更加清晰的认知和规划，充分体现了高等教育的意义。

（五）对学生的成长引入多维的评价体系

由于采用了混合式教学和全过程项目驱动相融合的方法，本次实践的教学评价调整了传统评价中试卷成绩的比例（占30%），提升了项目开发的比例（占40%），侧重于评价学生解决实际问题的能力，且此部分成绩由生生互评给出，引导学生对知识、演讲、逻辑、组织等一系列能力综合、全方位的重视和培养。教师的评价被有意弱化（占10%），重点对提出科学问题并提供解决方案、且积极做出尝试的小组给与正向引导，培养学生的科研兴趣。出勤和课后作业完成情况占比10%，用于保障对随堂知识的掌握。剩余的10%为集体活动的参与程度（如疑难点答疑、班级活动中给与关键决策、科研项目推进、竞赛立项等），以线上匿名投票的方式选出表现突出的学生。设计的考核方式即保障了对基础知识的掌握，也重点培养了学生的实践能力与创新精神，对科研意识和科研能力也有一定程度的引导和培养；既开阔了视野，形成了新的方法论和世界观，也锻炼了学生在集体活动的竞争和服务意识，是一种综合性、多维度的评价体系。

三、教学实践效果评价

本次教学实践的效果相比此前取得了一系列进步。以上半年的课程为例，课程设计完成率达到100%，且自发组织的课程小组人数较为平均，没有出现课程设计单一所造成的选择不均问题。通过生生互评且打分的方式给有技术难度和闭环思考环节的小组排名，得分最高的五个项目由学生自主调研和教师引导，产生了“超低功耗便携式神经元信号记录系统”和“基于阿里云的电子病历系统”两个学科竞赛项目，并在校内获得资助，为参加省赛和国赛打下了基础。立项项目在推进过程中，自发参与旁听的人数约占课程总人数的57%，部分学生还申请了参加指导教师的科研项目，开始接受系统的科研训练。在理论考试中，成绩在75—90分段的学生占班级人数的74%。对比2022年（57%）有较大幅度的提高。通过问卷调查和论坛反馈的方式，学生普遍认同新的教学设计不仅激发了学习兴趣，更重要的是培养了解决实际问题的实践能力，对项目开发和团队合作有了初步的理解和尝试，对科研兴趣和科研能力也有一定程度的培养，使得学生对未来的职业规划有了更清晰的认知和更深层次的思考。

四、结语

文章对计算机组成原理课程进行了一系列教学实践的尝试，包括设计覆盖全课程的开发案例以激发学生学习兴趣；通过混合式教学保障学生对知识点的掌握；通过差异化的课程设计完成对知识点的开发使用；通过深挖优秀课程设计参与学科竞赛。在竞赛项目中引导和培养学生的科研意识和科研能力。通过这一系列教学实践，学生普遍认同此次教学实践不仅激发了学习兴趣、培养了其项目开发的工程实践能力，学生对项目生命周期的管理也有一定程度的理解和思考，更有部分学生尝试参与科研项目。更重要的是培养了解决问题的闭环思维，对未来的职业规划也更加清晰、从容和自信，真正体现了高等教育的意义。

参考文献：

［1］ 马陆亭. 新工科、新医科、新农科、新文科：从教育理念到范式变革［J］. 中国高等教育，2022（12）：9-11.

［2］ 张永清，刘双虎，彭商濂. 新工科背景下“计算机组成原理”课程混合式教学改革与实践［J］. 科教导刊，2022（13）：123-125.

［3］ 史小松，马辉. 计算机组成原理课程教学改革探索［J］. 计算机教育，2022（08）：34-37+42.

［4］ 杨承慧，王震. “医学+X”复合型人才培养模式改革与探索［J］. 医学教育研究与实践，2023，31（01）：11-15.

［5］ 赵艳华. 高校个性化教育理念与对策研究［D］. 石家庄：河北科技大学，2016.

［6］ 张万福，李春. 以专业课程为基础的本科生科研素养的培养与实践［J］. 教育教学论坛，2020（52）：200-201.

（责任编辑：陈华康）

基金项目：广东医科大学项目“‘新工科’背景下医学信息卓越人才培养模式改革与实践”（项目编号：1JG22167）；广东医科大学项目“神经元峰电位实时分类系统的设计和实现”（项目编号：GDMUB2022048）。

作者简介：王攀科（1984—），男，博士，广东医科大学生物医学工程学院讲师，研究方向为神经元信息实时处理与调控；赵云（1976—），女，硕士，广东医科大学生物医学工程学院副教授，研究方向为医疗信息化和信息安全。