新工科视域下课程系统化建设的研究与实践

［摘 要］ 在新工科教育背景下，以“计算机组成与结构”课程为例，探讨了课程系统化建设的方法和成效。结合专业培养目标，针对课程知识交叉融合性不足、前沿动态缺乏、工程实践欠缺等问题，提出“三层三化四评价”课程系统化建设思路。首先，对课程知识分“三个层次”，即基本原理层、发展研究层、研究热点层；其次，对不同层次的知识点采用“三化”，即知识综合化、内容任务化、课程挑战化，从教学理念、教学内容、教学模式等方面组织实施；最后，对教学效果实施“四评价”的立体化评价体系，即对学生掌握的知识由理解知识点—关联知识点—拓展知识点—应用知识点创新的点、线、面、体的评价。旨在助力学生知识、技能、素养三个维度相互促进、共同提升。

［关键词］ 新工科；系统化；计算机组成与结构

［基金项目］ 2020年度内蒙古工业大学课程建设项目“‘计算机组成与结构’新工科课程建设”；2021年度内蒙古工业大学教改项目“‘计算机组成与结构’课程思政的研究与实践”（2021208）；2022年度内蒙古工业大学课程建设项目“‘计算机组成与结构’混合课程建设”

［作者简介］ 武文红（1980—），女（蒙古族），内蒙古呼和浩特人，硕士，内蒙古工业大学信息工程学院副教授，主要从事单片机技术、图像处理研究。

［中图分类号］ G642.3 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）45-0125-04 ［收稿日期］ 2023-10-23

本文以计算机专业核心课程“计算机组成与结构”为例，从新工科内涵、课程现状出发，对课程进行顶层设计、系统化统筹，并从课程内容、教学组织实施、教学效果评价三方面通过近三年的协同推进实施，形成了“三层三化四评价”的课程建设的研究与实践，以期为推进新工科专业课程的建设提供借鉴和参考。

一、课程现状分析

“计算机组成与结构”属于计算机硬件基础课程，分析课程现状，在课程内容、课程组织及评价方面存在如下问题。

第一，课程教学内容未挖掘，对学生能力素养提升支撑不足。目前的课程内容仍以教材为主，没有将课程内容与关联课程进行知识融合，缺乏对前沿知识的融合、发展性问题的分析等具有挑战性、创新性层面的知识。

第二，课程教学方法缺新意，对教学质量提升不足。因课程内容未挖掘，教学实施过程单一、呆板，忽略了学生的个性特点、学习方式的偏好等问题，更重要的是，课程实施缺乏系统化设计理念。

第三，课程教学评价少设计，对学生学习效果推动不强。前课程评价方式主要以测试、提问等常规过程性评价方式进行，流于形式，没有真正发挥过程性评价对学生学习质量的推动作用。

二、“三层三化四评价”课程系统化设计与实践

分析课程现状后发现，课程没有系统化设计是根本问题，所以课程内容、课程实施、课程评价等方面不能够协同推进。对此，本论文首先提出“三层三化四评价”课程系统化设计思想，对课程内容分“三个层次”，即基本原理层、发展研究层、研究热点层；然后对不同层次的课程内容采用“三化”的教学实施方式，即知识综合化、内容任务化、课程挑战化，分别从教学理念、教学内容、教学模式、教学方法、教学资源等方面组织实施；最后建立立体化“四评价”体系对教学效果实施评价，即对学生掌握的知识由点到线到面到体进行评价。“三层三化四评价”的课程设计如图1所示。

（一）基于课程内容长效性和前沿性构建“三层”课程内容

组成新工科每门课程的教学内容须具备长效性和前沿性［1］。所以本文首先对课程教学内容重构归类，将课程内容分为三个层次。

第一层次是成熟的基本概念和基本原理。虽然计算机的制造技术已经发生了较大的变化，但在基本的硬件结构方面，一直沿袭冯·诺伊曼的传统框架，各部件基本工作原理变化小，因此以教材内容为主的计算机基本组成、结构、工作原理是第一层次内容。

第二层次是比较成熟但仍在发展的内容。如研究全新计算机体系结构、如何提升并行计算和处理能力、智能体系结构运用等。课程将这些研究成果作为课程内容的第二层次研究发展内容，鼓励有兴趣的学生进行深入的学习和研究。

第三层次是热点研究领域。结合学生的可行性，选择一些研究热点，如近几年推行自主化、国产化芯片，基于国产芯片龙芯、申威等开展的研究项目，进行研讨、专题交流或作为课后拓展作业，鼓励学生以这些研究热点为引领，为学生的后续创新，如大学生创新课程、申请大学生创新项目，提供思路方法和技术支持。

（二）基于布鲁姆认知理念贯穿“三化”课程教学实施

按照课程内容不同层次需达成的教学目标，对不同层次采用“三化”的方法，即综合化、任务化、挑战化，分别从教学内容、教学方法、教学模式、教学资源等方面建设优化，“三化”的培养目标见表1。

1.综合化。课程的综合化是世界一流大学课程建设和改革的重点，目的在于将解决一类工程问题所需要的知识、方法和技术等内容整合为一门综合型课程［1］。

首先，对第一层次的基本知识，将相互关联的先修课如“数字电子技术”“汇编语言”和后修课程“单片机技术”“嵌入式技术”以及“专业外语”，通过相互融合、整合重组成一门综合型课程。对第二层次的发展内容和第三层次的研究热点，结合课程授课专业的不同，增加该专业领域内的新技术、新产业、新模式、新业态的发展变化。

其次，从教学资源上，建立优慕课网络教学平台，平台资源建设打破教材结构，重组学习单元，针对第一层次课程内容引用国家级精品课程、上传教师录制课程、动画演示原理图等；针对第二、三层次课程内容链接相关研究发展及研究热点的视频、网页、上传并更新学术论文等；同时开设“思政专栏”“计算机有趣的故事专栏”等激发学生的学习兴趣和对计算机的感性层面的认识［2］。

2.任务化。为突出理论教学与任务的衔接性和融合性，按照三个层次教学内容的特点，分别从理论教学、实践教学方面实施任务化，学生通过对任务的思考和实现，理解并掌握理论知识在工程背景中的应用，培养学生的独立思考、综合应用和创新素养能力。

首先，理论教学内容上，对第一层次的基本知识，任务包括知识归纳思维导图、基本工作原理口头描述、基于某硬件结构完成具体功能的数据通路口头描述等；第二层次发展内容的任务是让学生随时关注硬件发展动态，并能及时与大家分享“新闻”；第三层次研究热点，任务包括撰写调查报告如CPU的发展现状、集体讨论完某个研究热点后撰写心得体会、分组对某个研究热点进行专题汇报等。

其次，实践教学环节上，任务包括课程实验和课程设计。其中，课程设计学生自行设计指令系统、运算器、微程序控制器，最后连接为整机成功运行一段程序，课设融合Altium Designer、Quartus II软件的使用、电路原理图、VHDL编程语言，综合“数电”“汇编”“单片机技术”等课程。

3.挑战化。提高课程的挑战性可以从教学内容、教学方法方面实施。在教学内容中增加前沿内容和研究型内容［3］。

教学内容上，除增加第二层次研究发展内容和第三层次研究热点内容外，实践环节增加基于CPLD的综合实验内容，以及“计算机硬件类参赛作品赏析”环节，引导学生分析作品的创意、难点、硬件结构等。教学方法上，注重采用“引导”教学方法，如讲完主存储器SRAM、DRAM时，学生理解了传统的存储器SRAM和DRAM泄漏功耗高、单元密度低等缺点，此时教师提出：“如何满足大数据、云计算时代的海量数据计算和存储的需求？”引发学生思考并鼓励学生提出解决方案。

（三）基于学生能力进阶推动和以学生为中心理念实施“四评价”分层体系

对教学效果实施“四评价”的立体化渐进评价体系，即对学生掌握的知识由理解—关联—拓展—应用创新的点、线、面、体的评价，从而多角度考核学生获得能力情况。

“点评价”，即理解基本概念、基本术语的评价，通过课中雨课堂随堂测试、提问进行等；“线评价”是对学生知识点关联能力的评价，通过如单元测试、任务描述及解决方案等综合型题目进行评价；“面评价”是知识拓展能力的评价，通过优慕课单元测试、期末笔试进行；在实验环节设计“问一问，答一答”的考核环节。“体评价”是知识应用和创新的评价，结合前沿动态调查报告开放评价形式进行考核。对于“体评价”的评价内容，或有学生的创新和个人发挥，或有学术的开放性问题，所以答案有“不唯一、不确定、不明确”的特点，因此采用“比一比，看一看”的方式，促进学生课程知识的应用创新，强化学生沟通合作能力与创新能力基础上的终身学习与持续发展能力的提升。

通过点、线、面、体不同层次的立体化设计评价，搭建起知识理解层、能力强化层、综合提高层、应用创新层的逐层递进的课程设计评价层次，对学生按阶段进行学习能力螺旋式的提升推动。

三、“三层三化四评价”课程教学效果

作为计算机硬件类入门课程，实施“三层三化四评价”后，学生硬件学习从入门、感兴趣、激发主动性、提高创新性的过程中发挥了奠定知识基础、综合知识能力、推动硬件应用、提高创新能力的积极作用。如在后续的大学生创新课程自主选题中，近70%的学生选择单片机、嵌入式题目，毕业设计中，硬件类题目是学生选择的热点，这与三年前硬件题目是教师和学生不敢触碰的冷门状态对比发生了较大变化，具有面对挑战进行自主学习的能力，符合新工科人才培养中的“具有创新创业精神、学科交叉融合的知识结构、国际视野、自主学习能力等”要求［3］；在学生选题时，能够结合我国、我区的新产业、新业态的发展进行选择，如题目围绕“智慧牧场的温度调节控制”等，在MCU选型过程中，学生能够关注国产芯片的现状发展。课程结束后，学生纷纷主动购买单片机、嵌入式开发板，购买学生比例占95%以上，学生自主学习“单片机技术”“嵌入式技术”等相关课程并进行实践。

结语

新工科背景下的系统化设计，在课程效果和人才培养方面取得了初步成效，下一步还要围绕“虚拟仿真实验如何在实验课程教学内容上，密切结合新工科专业特色和产业发展最优成果设置实验”“在课程实施上，如何搭建具有开放性、共享性、拓展性、兼容性和前瞻性的虚拟仿真实验教学运行平台”“落实好课程的实践性”等问题进一步思考和研究，从而全面提高学生的工程实践能力和创新能力。

参考文献

［1］林健.新工科专业课程体系改革和课程建设［J］.高等工程教育研究，2020（1）：1-13+24.

［2］武文红，董志学，张燕，等.以学生为中心的线上线下教学内容有机结合的实施案例：以《计算机组成与结构》课程为例［J］.教学方法创新与实践，2021，4（21）：56-58.

［3］周世杰，李玉柏，李平，等.新工科建设背景下“互联网+”复合型精英人才培养模式的探索与实践［J］.高等工程教育研究，2018（5）：11-16.

Research and Practice on Systematic Construction of Curriculum from the

Perspective of Emerging Engineering

WU Wen-hong， ZHANG Yan， WANG Xiao-rong

（College of Information Engineering， Inner Mongolia University of Technology， Hohhot， Inner Mongolia 010080， China）

Abstract： Under the background of emerging engineering education， this paper takes the Computer Composition and Structure course as an example， discusses the method and effect of curriculum systematization construction. Combined with the training objectives of this major， aiming at the problems of poor cross-integration of curriculum knowledge， lack of frontier dynamics and weak engineering practice， this paper puts forward the systematic construction idea of “three levels， three changes and four evaluations”. Firstly， the course knowledge is divided into “three levels”， namely， the basic principle level， the development research level and the research hotspot level. Then， the knowledge of different levels are integrated， task-based content and challenge-oriented curriculum， which are organized and implemented from the aspects of teaching concept， teaching content and teaching mode. Finally， the three-dimensional evaluation system of “four evaluations” is implemented to assess students’ performance in a progressive manner. The “four evaluations” starts from evaluating students’ ability to understand the key points; then it moves to a higher level to assess students’ competence to associate the keys points with their prior knowledge; then it upgrades to evaluate their ability to widen the scope of knowledge， and finally it reaches its highest level to evaluate students’ competence to apply the key points to innovate. It aims to help students’ knowledge， skills and accomplishment promote each other and improve together.

Key words： emerging engineering education; systematic; Computer Composition and Structure