0 引 言
当今社会已进入了信息智能化时代，怎样更好地满足智能化社会对人才的需求有待进一步探究。国家中长期科技发展规划纲要强调，要大力发展认知科学、智能管理、信息处理、智能感知等领域科学技术[1]。智能科学与技术在今后的国家科技发展规划及重大科研课题中将发挥举足轻重的作用。
计算机组织与结构作为计算机类学科核心基础课，是硬件与软件之间的“桥梁”，由于人工智能时代发展的迫切需求，学科地位凸显，在智能科学与技术专业学习的先导与后续课程之间起着承上启下、合纵连横的关键作用[2-3]。作为计算机其他核心课程的一个“导引”，对构建智能科学与技术专业知识框架提供基础支撑。目前的教学中虽然兼顾了理论教学和实践教学，但是仍存在以下问题：计算机组织与结构的教学中课程思政所占比例较小；课程教学内容和教学形式过于单一，课程仍处于教师单向授课、学生被动接受状态，学生的课堂主动性和创新能力难以被挖掘；学生无法将计算机组织与结构课程元素（知识点）同智能科学与技术专业元素有效链接挂钩，目标认知模糊。
1 M-BTE互动闭环式教学模式
M-BTE互动闭环式教学模式如图1所示，是融合BOPPPS、团队学习（Team-Based Learning，TBL）以及实验驱动（Experiment Driven）多元素的一种增强师生互动的团队闭环教学模式，这种模式的引入将小组学习模式应用到大班课堂教学中，进一步演化成团队合作式学习，并与教师之间产生一种高强度互动反馈的教学闭环。教学模式的构建以团队学习为基础，以BOPPPS为主线，实验实践推动，思政、课程、专业等多元素嵌入，通过团队协同互动，教师实时发现问题并及时解决，从而形成逐层反馈、环环相扣的教学模型。
（1）BOPPPS以闭环式教学为核心，注重学生的主动参与、主动反馈[4-5]。这种教学模式遵循“教学目标→教学行为→学习活动→教学评估→教学目标”这一循环往复流程，在教学过程中按照6个要素层层深入地渗透课程知识点，注重学生各方面的参与，注重学生对学习信息反馈状况的关注，在此基础上对后续课程教学设计中的各项活动进行不断地调整与完善。
（2）TBL是以团队为基础，学生通过团队协作共同解决团队作业，在小组活动中学生积极参与并投入团队任务中，最终实现提高学习和团队发展的教学目标[6-7]。该教学方法弱化了传统的“填鸭式”教学，兼顾学生为中心和教师为引导，先由学生学习，然后通过评估，最后应用于实际问题的解决。
（3）实验驱动是指通过实验教学课程加深学生对专业知识的理解，引导学生运用课堂知识解决实际问题，注重学生基本实验技能、方法和手段的训练，通过实验实践驱动教学过程稳步前行，以达到较为满意的教学效果。实验过程中，让学生自己组织团队，以解决问题为目标，设计解决方案、团队实施实验、数据结果分析、上交总结报告等，自主地进行学习、研究，体验科学探索发现的过程[8-9]，以培养学生的创新思维和科学研究精神。
对于依赖先导知识较强的计算机组织与结构课程来说，三者结合而形成的M-BTE互动闭环式教学模式更注重学生各项能力的培养，充分调动学生的积极性，提高了学生的自主学习能力和团结协作精神，让学生学会在研究和创造中学习，也加强了教师与学生的互动。与此同时，在该教学闭环中，教师可以巧妙利用M-BTE的引导性作用，在课前进行思政元素导入，将立德树人的目标贯彻到实际教学过程中，遵循TBL的团队互补性和多样性，增强人工智能新背景下该学科教学的前沿性与探索性，形成较丰富的教学体系，利于学生对知识的渐进性掌握，在教育教学中可以发挥出举足轻重的启迪作用。
M-BTE互动闭环式教学模式是以学生团队为主体，在BOPPPS教学环节中加入课程实践后，与教师之间形成的更为全面的“双向反馈式闭环”。教学过程中采用横纵交叉的教学方法，纵向通过清晰的“教学目标→教学行为→学习活动→课程实践→教学评估→教学目标”的循环过程，保持原有教学过程整体连贯性的同时，在章节教学的不同环节横向嵌入课程思政、专业知识、人工智能应用等版块，打破传统学科界限和知识体系，将教学内容与时代大背景紧密相连。这种横纵交叉教学方法的应用，与人工智能学科的综合性特点相顺应，更能同步加强学生在课堂中智育和德育能力的提升。
2 M-BTE模式在计算机组织与结构课程教学中的应用
2.1 课程教学设计
1）章节导入是良好教学效果的开端。
章节导入的效果直接影响着学生对此次课程学习的兴趣程度。一个好的章节介绍可以快速建立学生与课堂的联系，帮助学生更快地进入学习状态，同时也让学生知道自己为什么要学习本章。章节导入的形式可以采用和该章知识点相关的思政或相关领域先进技术或故事为话题，也可以与先前学过的阶段所联系。比如在学习“运算器与运算方法”章节时，教师可以先向学生提问：“计算机是如何通过二进制语言实现加减乘除算术运算的？”学生团队讨论后教师可以指出运算器的运算规则是该章节学习的关键点，从而提出依法治国这一思政元素，进而导入该章。
2）章节目标是整个教学过程围绕的中心。
章节的学习目标要从模糊走向清晰，分割目标，化难为易。教师要告诉学生在完成章节学习后应该掌握什么专业技能，该章节与当今时代的思政背景有何关联，该阶段工作与当今时代的思政背景有何关联，更要带领学生充分挖掘提炼该阶段课程任务中蕴含的思政元素与智能专业发展的牵涉点，层层深入，先易后难。比如在“运算器与运算方法”这一章节，明确告诉学生完成该章节学习时要达到熟练进行各种数据类型的基本运算这一专业技能目标，与此同时，可以从运算方法、运算规则的严格执行中让学生体会到国有国法、家有家规的不可抗性，最后带领学生深刻体会运算器和运算方法在大数据时代对于智能信息处理的重要性。
3）章节前测对于教学的深度起决定性作用。
章节前测是教师对学生知识储备情况的掌握。章节学习前的前测内容可以是一些与智能方面有关的开放性题目，教师提出后让学生团队讨论，并根据回答情况了解学生的大体知识基础，进而实时调整教学方案。比如在“中央处理器”章节，教师可以通过询问学生计算机“大脑”组成、计算机“大脑”管理各部件协调运行方式等问题，然后经学生团队反馈的回答继续推进教学。
4）团队参与式学习是教学环节的重要组成部分。
参与式学习是BOPPPS中不可或缺的一环，将TBL团队教学与参与式学习交叉融合构建的M-BTE互动闭环式教学模式可以让教学环节更加生动活泼。在立德树人和人工智能的大时代背景下，M-BTE互动教学闭环的形成，无疑有利于消除学生之间的个人主义，让团队意识和统一战线目标渗入教学环节的每一个过程中，同时，团队协作过程中的思维碰撞更容易让学生自己挖掘出章节与智能发展方面的关联性，起到事半功倍的效果。在以团队为基础的参与式学习中，教师可先进行一些基础知识的讲解，在此过程需要教师不断挖掘探索专业知识与思政元素的融合点并对教学内容进行合理设计，然后通过前测的结果对学生提出实际操作问题，由学生团队讨论，组内、组间交流学习成果进而解决问题，加深学生对知识点的理解并让学生自己挖掘出章节与智能方面的关系，最后再由教师进行小组结果评价和答案讲解。这样不仅让每个学生切实参与章节学习的环节中，还将M-BTE互动教学闭环的功能发挥到最大，教学效果显著，如在存储器这一章节中“存储器与CPU的连接”，教师可先进行基础知识讲解，后通过如“如何通过存储介质提高智能运算效率”等实际问题鼓励学生团队合作解决问题、挖掘智能关联点，再由教师公布答案并指出该章节在智能存储方面起到的关键作用。
5）章节后测为章节目标提供重要的反馈。
与前测相呼应的就是章节学习之后的后测，通过后测掌握学生学习效果。后测在形式上不一定拘泥于客观测试题，还可以根据各章特点选用问卷、选择题、简答题、问答题等各种形式进行测试，甚至可以把后续实验课程的相关内容或简单的人工智能技术处理问题加入其中，让学生团队交流讨论，并通过团队后测结果对章节学习目标进行反馈。比如在“运算器与运算方法”章节中进行完课堂教学，后测时可将算数逻辑运算实验的理论知识或简单的智能信息处理题目作为后测内容，让学生团队进行初步探索，并通过学生团队的解决效果来检验学生是否达到专业技能目标。
6）章节总结是提升教学效果的重要环节。
章节总结属于归纳整理环节，教师可以在此教学过程中再突出本章要点，同时指导学生对知识点进行梳理，串联所学内容，独立建构章节知识体系框架，以达到体系化知识。在章节总结中，教师不仅要引导学生回顾本章专业知识，更要适当引入一些人工智能新技术和新方法，同时融入课程思政教育，结合时政热点、传统文化和时代精神挖掘章节思政元素，使课程发挥出提升专业能力和人文素养的作用。比如在存储器这一章节中，教师带领学生回顾总结本章知识点后，让学生对知识进行系统化框架整理，并以中兴和华为芯片断供这一事件为切入点，适当引入华为自主研发的龙芯新技术，进而激发学生的民族意识和自主创新意识。
7）实验驱动是促进学生综合素质发展的有效途径。
实验驱动是计算机组织与结构课程实践的主要部分，实验课程教学内容对应于理论教学内容，两者融合设计，实现与章节知识紧密相关实验设计，使学生对理论课的知识有更深刻的理解，了解程序在计算机中的执行过程，理解计算机单处理机的构成原理与工作原理，掌握计算机硬件系统中各个部件的逻辑实现方法以及相互连接为整机的技术。为了突出理论教学与实验教学内容衔接性和融合性，将课程理论知识点与实验教学内容相对应，便于学生在实验设计中理解和掌握理论知识在工程背景中的应用性。设置的与课程章节对应的实验有算术逻辑运算实验、存储实验、数据通路组成实验、微程序控制器实验、基本模型机实验。将课程理论教学与实验教学内容进行深度融合，逐步培养学生运用计算机组成原理知识实现综合设计的能力，为提升学生解决复杂工程问题能力提供知识支撑。
计算机组织与结构课程中的元素对应见表1，表中给出了每个章节课程元素以及内部包含的思政元素及其与智能领域关联的专业元素。
以“中央处理器”为例（课程章节：CPU的结构和功能，总体设计授课时长：8学时），具体教例见表2。
2.2 教学考核与评价体系
教学考核与评价体系是判定工程应用型人才培养方向的一项重要标志。当前高校智能科学与技术专业课程存在的诸多问题严重影响了学生综合素质的提升。课程思政教育作为一种先进思想应运而生，伴随着课程思政全面导入工科专业教学，如果仍然沿用传统单一考核评价体系进行考核评价，将不能精准诊断课程思政及专业人才的培养质量，因此，结合提出的教学模式重新分析设定了计算机组织与结构课程教学考核评价体系。
1）教学考核方式及目标。
当前，需要明确智能科学与技术专业课程教学中的“思政元素”，结合中国智能制造强国战略、全球能源互联网战略等国家当前重大战略及规划，通过课程研究报告及课程期末考试对学生的综合能力进行考核，要求学生在完成计算机组织与结构课程的学习后，能够针对国内智能计算技术、人工智能技术的系统研发和应用情况中存在的产业或技术问题选择题目完成调研及分析，同时综合运用计算机组织与结构课程理论知识和相关系统性能分析方法，有针对性地给出问题解决方案和理想结果的充分性说明，充分锻炼学生的理论知识分析能力、实际复杂问题的解决能力、逻辑思维能力等工科应用型能力，要求学生以团队合作的形式完成教师分发的任务，并在分组讨论环节进行宣讲。最后，还要求学生充分挖掘提炼计算机组织与结构课程中蕴含的思政元素，对相关行业和产业技术发展状况以及国内外技术差距等问题鞭辟入里，锻炼信息收集和文献查阅能力，并在分析实际问题时嵌入价值分析，交出一份正能量的蕴含科学素养、人文情怀和职业道德的分析报告和心得感悟。
2）评价指标。
在M-BTE互动闭环式教学模式下，计算机组织与结构的课程评价系统将围绕教学考核方式及目标制订定性定量的评价指标，采用全过程多元评价模式，设计的期末总成绩各分项具体权重分配见表3，其中，平时成绩中的分组任务由组内评价、组间互评和教师评价3部分构成；期末考试的内容除了对基础理论知识的考查外，还包括计算机组织与结构课程中涉及的思想政治元素与智能专业元素衔接的综合性简答题；课内实验的考核包括实验完成程度、实验创新程度、团队合作能力以及最终实验答辩得分；综合报告要求学生独立自主完成，报告内容评分由文本描述、思政思想体现、智能计算产业调研及分析等方面构成。利用不同模块考核，对学生的课程思政学习主动性、专业知识表现力、智能技术衔接水平等展开综合评价。
3 教学效果
将太原科技大学2020级智能科学与技术专业采用M-BTE互动闭环式教学模式的80名学生与2019级智能科学与技术专业未采用M-BTE互动闭环式教学模式授课的78名学生进行比较，其计算机组织与结构课程的各成绩区间占比见表4。
可以看出，2020级智能科学与技术专业的学生课程成绩及格率高于2019级该专业学生课程成绩及格率，且课程成绩在[80,100]区间内的学生人数远高于2019级。2019级学生课程成绩大部分分布在[60,69]区间内，而2020级学生课程成绩较多分布在[70,79]区间内。综上，2020级智能科学与技术专业学生的课程成绩整体明显提升。
在教师指导下现已录用/见刊科研论文2篇，已获软件著作权3项，并公开“一种基于超声波空化效应的触觉再现可穿戴装置及其触觉再现模拟方法”和“一种电子邮件安全防御资源优化分配方法”国家发明专利2项，授权“一种吸收二氧化碳的微藻空气净化器”“一种有利于提高微藻对气体利用率的装置”实用新型专利2项；同时，智能科学与技术专业学生累计参与8项大学生创新创业项目中，其中国家级项目2项，省级项目2项，校级项目4项。除此之外，该专业学生还在大学生数学建模竞赛、蓝桥杯计算机程序设计大赛、计算机博弈大赛、中国大学生计算机设计大赛、华北5省计算机应用大赛、团体程序设计天梯赛等赛事中获得3项国家级奖项和8项省级奖项。可见，通过两年的教学过程改革，M-BTE互动闭环式教学模式取得了一定的教学成效，有利于激发学生的课堂学习兴趣，提高学生的团队合作能力、实践应用能力、专业创新能力和思想政治德育水平。
4 结 语
通过BOPPPS、TBL、实验驱动的有机结合构建出的M-BTE反馈式闭环教学模式，将课程教学过程进行了纵向层次化划分；并在教学课程元素目标的基础上，横向融入了与各章节内容对应的思政元素和专业元素，通过横纵向的交叉，综合改善智能科学与技术专业计算机组织与结构课程思政元素挖掘不充分、课堂教学形式单一且与当下专业领域技术脱轨的问题。M-BTE互动闭环式教学模式的提出可为需要兼顾课程思政和高新技术的工科专业课程建设提供参考，为课程思政同专业教学双赢发展的教学改革方法提供新的思路。
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基金项目：山西省高等学校教学改革创新项目“新工科背景下智能科学与技术专业人才培养模式探索与实践””（J2021429）；山西省研究生教育改革研究课题项目“新工科导向的智能软件工程研究生校企协同培养模式探索及效果评价”（2021YJJG244）；教育部产学合作协同育人项目“面向新工科的‘智能+’计算机组成原理系统能力培养方法探索”（201902016003）；教育部产学合作协同育人项目“人工智能技术课程教学内容和课程体系改革”（201801121002）；教育部产学合作协同育人项目“新工科背景下‘智能+图像处理’创新人才培养研究与实践”（201902083001）；太原科技大学研究生联合培养示范基地项目“太原科技大学信息科学与智能软件产教融合研究生联合培养示范基地”（JD2022004）；太原科技大学教学改革与研究项目“新工科智能专业大学生学业多元化考核评价方式创新与实践”（JG202266）。
第一作者简介：张睿，男，太原科技大学副教授，研究方向为智能信息处理、计算机应用技术，zhangrui@tyust.edu.cn。
引文格式：张 睿，孙鲁欣，刘 哲，等. 基于M-BTE的计算机组织与结构教学探索[J].计算机教育,2023(5)：17-22.
转自：“计算机教育”微信公众号
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