基于笔试答辩考核的计算机系统实验教学改革实践探究

丁凯，肖慧娟，陶铭，李广明，谢仁平，黄培灿

摘要：《计算机系统I》是东莞理工学院计算机科学与技术学院计算机类专业的必修课和核心课程之一，在专业教育中具有十分重要的地位。通过总结和分析本课程实验教学模式的特点和存在的问题，从实验教学模式和考核方式入手，进行了一系列教学改革与探索。实践结果表明，改革后的实验教学模式能够激发学生的学习兴趣，增强学生的学习主动性，充分体现以学生为中心的教育理念。

关键词：计算机系统；课程教学；实验考核；教学改革

中图分类号：TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）33-0122-03

1 引言

计算机系统是普通高等院校计算机、电子、通信等多个专业的专业必修课程。东莞理工学院计算机系统系列课程包含《计算机系统I》和《计算机系统II》两门课程[1]。通过《计算机系统I》教学，使学生了解计算机基础硬件的电路结构及功能，掌握数字电路的一般分析与设计方法，达到具有分析和设计一般数字电路的能力，为《计算机系统II》的学习打下基础。《计算机系统I》课程已连续开课20年，前期名称为《数字逻辑》，修读学生已超过3000人次。近年来，为了进一步促进学生自主学习的积极性，教学团队对本课程进行了一系列教学改革。本文结合《计算机系统I》课程特点，分析该课程教学过程中存在的问题，对原有的实验课程教学方案进行了重新设计。

2 计算机系统实验课程教学特点及现状分析

本课程的工程实践性强，传统的实验教学以理论授课为主，实验为辅，实验课程在教学方法、授课内容、学习资源和考核方式方面比较单一，主要存下以下几个问题：

1）教学方法：以教师课堂讲授实验原理和方法为主，大多数学生处于被动学习状态，讨论交流较少；学生主动实践能力薄弱，问题探究不够深入，学习兴趣不强，自主学习积极性不高。

2）授课内容：以验证性实验为主，设计性和综合性实验较少，学生缺乏自主设计实验的实战机会；课程思政案例和课程知识点结合不紧密，课程思政话题线上、线下讨论交流较少。

3）学习资源：以教材、讲义和课件作为主要学习资源，缺少实验课程讲解视频；插线板式硬件实验箱电路固化，灵活性不高；自主学习资源相对较少，导致课后自学、自主完成实验比较困难。

4）考核方式：教师对学生提交的实验报告、仿真作品和实物作品评分，由于部分实验任务要求学生在课后完成，出现极少数学生实验代做和仿作的现象，实验考核缺乏公平性和科学性。

3 计算机系统实验课程教学改革方案设计

为了从根本上解决以上问题，提高学生的学习自主性和积极性，增加实验考核的公平性和科学性，需要对实验教学和考核进行改革：一是修订和完善教学大纲，进一步明确本课程的教学目标；二是加大实验环节教学比重，增加更多的设计性实验；三是建设丰富的自主学习资源以及便捷的实验平台，加强自主学习和自主实验的条件；四是在考核仿真作品、实物作品、实验报告之外，建立了期末综合实验笔试答辩题库，从题库中随机筛选题目，学生分批次进行20分钟的笔试答辩，这样不仅可以提升学生学习的积极性，同时能夠加强学生对实验原理的理解，改革后的教学活动计划如图1所示：

4 计算机系统实验课程教学改革探索与实践

4.1修订专业课程教学大纲

课程教学大纲是课程教学的指导纲领，课程教学大纲的编写应符合专业培养目标要求、符合教学计划要求，体现科学性与思想性结合。通过修订和完善教学大纲，进一步明确本课程的教学目标：一是培养学生掌握逻辑代数的基本概念和基本理论，理解常用数字器件的功能与应用；二是培养学生理解数字系统的基本概念，了解计算机基础硬件电路的结构及功能，初步建立计算机硬件系统的概念；三是培养学生掌握数字电路分析与设计的一般方法，能够设计开发满足需求的硬件，在设计环节体现创新意识，遵循计算机软、硬件及系统开发的基本要求；四是通过数字电路仿真设计、电路制作等实验环节，培养学生分析问题与解决问题的能力[2，3]。

同时，在教学目标、教学内容、教学设计和课程考核方面，秉承“知行合一，立德树人”的教学理念，不断更新本课程教学内容，创新教学设计，推进“课程思政”融入课堂教学全过程。深度挖掘提炼本课程中所蕴含的思想价值和精神内涵，梳理出课程思政建设指标和思政案例，将“课程思政”育人元素有机融入课程教学的各方面、各环节。除了组织学生在线下对思政案例进行讨论交流，在线上也开辟了思政讨论区，学生踊跃参与讨论，人均参与了6个思政话题的讨论发言，实现课程思政融入点具象化、实例化。通过课程思政帮助学生运用辩证思维和历史思维分析学习中遇到的现实问题和需求，培养学生爱国主义和集体主义精神，促使学生形成正确的人生观、价值观和世界观[4]。在实验课程环节，加入了劳动教育的课时设计，培养学生面对困难问题时锲而不舍的精神，激发学生的创造力，促进学生德智体美劳全面发展。

4.2加大实验环节教学比重

在以往的计算机系统I课程教学中，课程总学时为64学时，其中理论学时48学时，实践课学时16学时；改革后的理论学时和实践课学时均为32学时。通过加大实验教学内容和时间，从权重过大的理论教学方式，逐步转到实验教学与理论教学并重的轨道上来。改革后，以实验教学取代了部分理论教学，平时实验计入总分，加大实验考核权重，打破传统课堂“满堂灌”的授课方式，完成以教为中心向以学为中心的转变。“做中学”取代部分“听中学”，提高了学生学习兴趣，增加学生的工程实践能力，同时加深了理论知识的理解。

改革后的实验课程总共包括8个实验项目，其中验证性实验1个，设计性实验5个，综合性实验2个，加大了设计性和综合性实验项目的比重，项目设计注重趣味性、系统性和导学性，大部分项目源自生产实践。实验项目分别为：1）SSI组合逻辑电路的分析（设计）；2）SSI组合逻辑电路的设计与制作（设计）；3）MSI组合逻辑电路的分析与设计（设计）;4）组合逻辑电路综合设计—血型匹配检测器设计（综合）；5）MSI时序器件的应用（设计）；6）存储器与A/D转换器的应用（设计）；7）计算机硬件电路功能（验证）；8）数字电路综合应用（综合）。通过更多的设计和综合性实验教学，不仅锻炼了学生的动手能力和分析问题解决问题的能力，而且间接引导了学生平时持续认真地学习理论知识；促使学生增强理论应用于实践的能力，加强自主学习和自主实验的条件，“学”“做”并行，“学”“考”并行，避免考前突击式学习；力求学生在“知识”“能力”“技能”齐头并进。

4.3建设丰富的自主实验资源

以往的实验教学自主学习资源相对较少，缺乏实验课程讲解视频，并且老式实验箱电路固化、体积较大，使用不灵活，学生离开实验室没法进行实物实验，导致课后自学、自主完成实验比较困难，自主学习积极性不高。为了从根本上解决以上问题，课程组建设了丰富的自主学习资源以及便捷的实验平台，增设大量的实验项目。以教学学时为单位，录制了全课程PPT教学视频，设计了随堂测试题；以知识点为单位，录制了全课程95个知识点的微课视频，教学视频可以有效提高学生的学习自主性，引导学生深入思考，为学生独立解决问题和逻辑思维能力的培养提供了充足的时间和空间，实现润物无声、随时随地学习的教育效果。

结合多年的教学经验，本課程组编写了教材《数字逻辑与计算机硬件基础》，即将由清华大学出版社出版，教材包含理论知识和实验项目两部分内容。自主开发了几百套便携式硬件实验箱，学生每人一套；相比于传统的插线板式的硬件实验箱，便携式实验箱具有“小体积，大能量，开源性”的优点，方便学生二次开发；实验的时间地点更加灵活，学生可携带至宿舍进行实验，增强学生积极性和创新性[5]。实物实验不受场地、时间限制，实验基本可以自主进行。自主实验平台的创建，确保了自主实验的实施，提高了学生独立思考以及理论应用于实践的动手能力。在实验教学中，教师的工作重点在于实验设计、实验考核、答疑和器材管理上。学生实验任务要求在一段时间内（通常一周）完成，这样使学生有充裕的时间自主进行实验。

4.4采用实验题库笔试答辩考核

传统的实验考核方式是学生在完成每次实验任务后，提交实验报告、仿真作品和实物作品，教师根据学生提交的实验作品进行评分。通过实验教学改革，给学生发放了自主研制的便携式实验箱，学生可以将实验箱带到宿舍完成实物实验，这样不可避免地出现了极少数学生实验代做和仿做的现象[6]。为了科学考核，避免此类现象发生，同时加强学生对实验原理的理解，课程组对实验考核进行了改革：在考核仿真作品、实物作品、实验报告之外，建立了期末综合实验笔试答辩题库，从题库中随机筛选题目，学生分批次进行20分钟的笔试答辩。改革后的实验考核方式从四个方面对学生进行了科学和全面的考核：一是通过仿真作品，考核学生的设计能力及仿真技术；二是通过实物制作，考核学生的动手能力；三是通过实验报告，考核学生的归纳总结与科技写作能力；四是通过实验答辩，考核学生对实验原理的理解程度。

改革过程中发现，若采用一对一口头答辩，花费时间太长，教师工作量太大，而且每个学生被提问的问题不一样，提问的题量也不一样，提问随机性大，考核不科学不公平。于是，为了使答辩工作切实可行，并减少答辩提问的随机性，课程组精心设计了笔试答辩题库，答辩原理图1张（如图1所示）。

实验笔试答辩题库共50套题，每套题有4道题，每套题虽然题目不同，但是考核知识点相同，难度相近。每个学生随机抽一套题，考试时间20分钟，分批次笔试答辩。答辩考试用的电路图与实验设计的电路图原理上近似。考试电路图中设有多处标识点，如图1中A、B、C、D、E、F、G、H、J、K等标识点，每套答辩题有一道题为：假定一些标识点的电平，求另一些标识点的电平。这样每套题的答辩考核知识点有相同之处，各套题考核内容和难度相当，避免口头答辩的随机性。笔试答辩主要考查学生对期末实验设计原理的理解程度，答辩题库不对学生公开。这样不仅考核全面科学，而且减少教师答辩工作量，同时，也杜绝了学生代做、仿做实验的现象发生。

4.5教学改革成效汇总

从2021年开始，东莞理工学院计算机科学与技术学院的计算机系统I的课程教学采用改革后的教学方案。表1的数据来源于近年来本课程的教学综合成绩统计：

通过对本专业2018级（改革前）和2019级（改革后）计算机科学与技术专业的成绩进行比较，可以看出教改后的学生综合成绩有明显的提高，说明教改后的学习方式有利于提高学生的积极性，能够促进学生对本学科专业知识的理解和掌握，考核更加科学，具有较好的效果。2020年，本课程获全国高等院校计算机类专业教学能力大赛二等奖；2021年，本课程入选广东省线上线下混合式一流课程。

5 结论

综上所述，通过总结计算机系统I专业课程实验教学中存在的一些不足，然后从教学和考核方式入手，对专业教学培养大纲、实验课程设计、自主学习资源建设、实验科学考核方式等进行了教学改革与探索。实践结果表明，改革后的实验课程通过仿真设计、实物制作、实验报告和实验答辩等方面对学生进行系统训练，全方位地提升学生的设计能力、动手能力、写作能力和对实验原理的理解程度，能够激发学生的学习兴趣，增强学生的学习主动性，培养学生分析问题与解决问题的能力，提升学生实验研究的逻辑思维能力和动手能力，以及探究工程科学的兴趣、独立思考的习惯和严谨的科学态度。

参考文献：

[1] 周坤晓，张丽娟，肖慧娟.计算机组成与系统结构教学改革研究[J].东莞理工学院学报，2017，24（3）：118-122.

[2] 成耀，顾晖，梁惺彦，等.计算机硬件类课程的教学实践分析[J].电子技术，2020，49（8）：134-135.

[3] 陶铭，曲超，洪小宇.“新工科”背景下物联网工程专业人才培养方案探索[J].现代计算机（专业版），2017（21）：39-43.

[4] 郑麟，周腾，蔡玲如，等.计算机硬件基础课程的思政元素挖掘与融入研究[J].计算机教育，2021（8）：61-65.

[5] 吴苏，马知远，周达华.基于口袋实验室的数字电路课程教学模式改革与实践[J].大学教育，2020，9（9）：102-104.

[6] 章复嘉，孙丹凤，赵建勇，等.一种计算机硬件类课程实验教学方法[J].实验室研究与探索，2019，38（5）：151-154.

【通联编辑：闻翔军】