基于OBE的工程教育模式在《計算機(jī)組成原理》課程中的應(yīng)用與實踐

高亞蘭 吳孝銀 徐旭 邱慧麗

摘要：《計算機(jī)組成原理》是工程教育認(rèn)證模式下，宿州學(xué)院引入OBE理念對計算機(jī)專業(yè)進(jìn)行課程整合的結(jié)果，是專業(yè)體系中具有承接作用的一門非常重要的專業(yè)核心課程。針對計算機(jī)組成原理課程的特點以及課程中如何提高學(xué)生的實踐能力等問題，分析如何應(yīng)用OBE的教育模式進(jìn)行教學(xué)目標(biāo)的設(shè)定以及教學(xué)設(shè)計。通過教學(xué)實踐，總結(jié)OBE的工程教育模式在計算機(jī)組成原理課程中的具體優(yōu)化作用。

關(guān)鍵詞：OBE;計算機(jī)組成原理;工程教育認(rèn)證;教學(xué)設(shè)計;教學(xué)目標(biāo)

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）21-0134-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

近年來，“智能時代”“智慧地球”等概念的提出，主要歸功于新一代信息技術(shù)如云計算、5G、人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展。智能時代的到來，導(dǎo)致市場對計算機(jī)硬件類人才需求日益強(qiáng)烈。計算機(jī)組成原理課程在硬件類課程中有著承上啟下的作用，是計算機(jī)專業(yè)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課。為了提高工程教育人才的培養(yǎng)質(zhì)量，工程教育認(rèn)證得到了國家強(qiáng)有力的支持。學(xué)生能夠設(shè)計滿足市場需求的軟硬件系統(tǒng)，能夠提出解決計算機(jī)領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的創(chuàng)新性的方案是工程教育認(rèn)證對本科教育的基本要求。

1 計算機(jī)組成原理課程特點及現(xiàn)狀分析

從課程的特點來看，傳統(tǒng)的計算機(jī)組成原理偏向于理論教學(xué)，實踐教學(xué)沒有引起足夠的重視。計算機(jī)軟硬件系統(tǒng)設(shè)計的能力主要是在實踐過程中培養(yǎng)和提高，在開展計算機(jī)組成原理課程理論教學(xué)的同時，應(yīng)注重實踐教學(xué)的比重和設(shè)計，通過合理的實踐教學(xué)設(shè)計提高學(xué)生學(xué)習(xí)計算機(jī)組成原理的興趣和動手能力。

目前，在硬件理論和實驗課程的學(xué)習(xí)上很多學(xué)生普遍存在著主觀能動性的缺失，在思想上“重軟輕硬”。硬件類課程知識抽象、理解困難、導(dǎo)致基礎(chǔ)較差的學(xué)生很難真正學(xué)懂相關(guān)知識點，大部分學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高。目前學(xué)校的硬件理論和實驗設(shè)備均顯落后，實驗內(nèi)容比較陳舊，無法跟上硬件技術(shù)的發(fā)展。很多新理論和新技術(shù)并沒有融入課程教學(xué)中，因此，學(xué)生很難真正地掌握核心的硬件技術(shù)，導(dǎo)致學(xué)生的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計的能力不強(qiáng)，無法滿足當(dāng)今市場對人才的需求[1]。

在傳統(tǒng)的計算機(jī)組成原理教學(xué)過程中，課程設(shè)置中雖然有開設(shè)獨立的課程設(shè)計環(huán)節(jié)，但是課程設(shè)計的項目主要是驗證計算機(jī)硬件的工作原理，很少開設(shè)綜合性的系統(tǒng)設(shè)計，沒有什么實際意義，與工程能力的培養(yǎng)脫節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生在面對工程問題時缺乏基本的思路和方法，在學(xué)習(xí)過程中很難形成硬件知識體系。另外，由于學(xué)生自身理論知識比較薄弱，很難將理論與實踐相結(jié)合，很多學(xué)生學(xué)習(xí)能力和自律能力比較差，學(xué)習(xí)的積極性低，很難保證實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)質(zhì)量。

目前宿州學(xué)院的《計算機(jī)組成原理》教學(xué)中仍存在這些問題，為了有效解決計算機(jī)組成原理課程教學(xué)環(huán)節(jié)中的局限性，根據(jù)工程認(rèn)證要求對《計算機(jī)組成原理》的教學(xué)進(jìn)行改革，引入OBE教育理念，通過教師對教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)方式的設(shè)計，將工程問題的解決作為課程學(xué)習(xí)的最終目標(biāo)，重點培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力與實踐動手能力[2]。

2 OBE理念對計算機(jī)組成原理教學(xué)的啟發(fā)

OBE教育模式以產(chǎn)出為學(xué)習(xí)目標(biāo)推動傳統(tǒng)教學(xué)，引領(lǐng)學(xué)科導(dǎo)向或投入導(dǎo)向的教育模式改革[3]。專業(yè)認(rèn)證的核心內(nèi)涵是構(gòu)建“產(chǎn)出導(dǎo)向”的人才培養(yǎng)體系并持續(xù)改進(jìn)。傳統(tǒng)的人才培養(yǎng)模式如圖1所示。傳統(tǒng)的課程體系主要關(guān)注的是課程體系的自我完善，課程教學(xué)主要關(guān)注的是知識點的覆蓋面，通過考核評價來衡量教師教得如何，學(xué)生學(xué)得怎么樣，是否達(dá)到了學(xué)校的人才培養(yǎng)目標(biāo)，教學(xué)的重心仍然在教。

OBE的人才培養(yǎng)體系模式如圖2所示，聚焦的重點在于“學(xué)習(xí)成果”，以學(xué)生為重心。在OBE的人才培養(yǎng)體系模式中課程建設(shè)是關(guān)鍵。通過課程體系形成支撐學(xué)習(xí)成果，課程教學(xué)實現(xiàn)支撐學(xué)習(xí)成果，考核評價證明支撐學(xué)習(xí)成果。

通過分析計算機(jī)組成原理課程的特點，并到企業(yè)調(diào)研課程所涉及應(yīng)用到生產(chǎn)方面的關(guān)鍵技術(shù)，以產(chǎn)出為導(dǎo)向，確定課程的實踐教學(xué)目標(biāo)。計算機(jī)組成原理課程的實踐教學(xué)目標(biāo)應(yīng)該是掌握計算機(jī)組成原理的工作原理以及控制單元的設(shè)計后，學(xué)生能自主設(shè)計出簡單的計算機(jī)模型機(jī)。

2.1 基于OBE的教學(xué)目標(biāo)

OBE教育模式的關(guān)鍵是確定學(xué)習(xí)產(chǎn)出的目標(biāo)，清晰的學(xué)習(xí)產(chǎn)出目標(biāo)可以讓整個課程建設(shè)科學(xué)有序進(jìn)行[4]。計算機(jī)組成原理課程的教學(xué)改革圍繞學(xué)生畢業(yè)要求、市場需求、專業(yè)認(rèn)證三個方面確定產(chǎn)出目標(biāo)。結(jié)合宿州學(xué)院畢業(yè)要求指標(biāo)點，最終確定了基于OBE的教學(xué)目標(biāo)。

課程目標(biāo)1：掌握計算機(jī)基本部件的構(gòu)造、基本運算的操作原理及部件和單元的設(shè)計思想，為后續(xù)硬件類課程學(xué)習(xí)奠定良好的理論基礎(chǔ)。

該課程目標(biāo)支撐畢業(yè)要求“工程知識”：掌握計算機(jī)軟硬件相關(guān)工程基礎(chǔ)知識，能將其用于分析計算機(jī)領(lǐng)域的相關(guān)工程問題。

課程目標(biāo)2：能夠運用計算思維分析問題和解決問題，針對具體問題分析計算機(jī)的組成，設(shè)計控制單元實現(xiàn)所需的運算，針對計算機(jī)領(lǐng)域復(fù)雜工程問題設(shè)計可行的研究方案。

該課程目標(biāo)支撐工程認(rèn)證要求：能夠運用相關(guān)的技術(shù)手段和設(shè)計思想確定復(fù)雜工程問題的解決方案。

課程目標(biāo)3：能夠設(shè)計出簡單的計算機(jī)系統(tǒng)，將相應(yīng)的技術(shù)應(yīng)用到相關(guān)的硬件系統(tǒng)設(shè)計中。

該課程目標(biāo)支撐市場對軟硬件系統(tǒng)設(shè)計類人才的需求。

2.2 基于OBE的教學(xué)設(shè)計

基于OBE的教學(xué)改革，需要對整個教學(xué)體系進(jìn)行改革，而不是只改革計算機(jī)組成原理這門課程。計算機(jī)組成原理這門課程是知識體系中的一個節(jié)點，在整個體系中，計算機(jī)組成原理的先導(dǎo)課程數(shù)字電路課程、計算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論等課程要通過改革達(dá)到一定的OBE教學(xué)，這樣計算機(jī)組成原理課程才能更好地展開[5]。計算機(jī)組成原理課程是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用、微機(jī)原理等課程的基石。以學(xué)生為中心的教育模式是現(xiàn)在本科教育所提倡的方式，因此需要對傳統(tǒng)的教學(xué)進(jìn)行改革設(shè)計。在教學(xué)內(nèi)容上不再是進(jìn)行枯燥理論知識的講授，通過結(jié)合具有一定實際應(yīng)用價值的具體項目案例來講授知識點，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過小組討論、在線學(xué)習(xí)、知識辯論等不同的教學(xué)手段引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，實現(xiàn)OBE的教學(xué)目標(biāo)。

3 OBE教育模式下的計算機(jī)組成原理課程實踐

3.1 計算機(jī)組成原理課程在線資源建設(shè)

“互聯(lián)網(wǎng)+”作為一種新的教育形態(tài)為現(xiàn)代教育提供了一種新的環(huán)境和手段，推進(jìn)了教育信息化的進(jìn)程。為實現(xiàn)計算機(jī)硬件類課程的教學(xué)目標(biāo)，以基于OBE的教學(xué)大綱為指導(dǎo)進(jìn)行在線資源的課程建設(shè)。

在線教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計必須依據(jù)教學(xué)大綱中明確的知識模塊，涵蓋所有的知識點，并突出重難點。對于在教學(xué)過程中學(xué)生理解起來較難的知識點，對其進(jìn)行單獨進(jìn)行視頻以及課件的設(shè)計，以確保學(xué)生能夠完全掌握重點，強(qiáng)化知識難點。根據(jù)上述設(shè)計思想，通過對計算機(jī)組成原理第4章“存儲器”進(jìn)行教學(xué)知識點結(jié)構(gòu)設(shè)計，共設(shè)計了9個知識點，見表1。

3.2 課堂教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

課堂教學(xué)內(nèi)容要區(qū)別于在線教學(xué)視頻內(nèi)容，應(yīng)該是有針對性的重點、難點的講解，其定位應(yīng)該是基于學(xué)生已經(jīng)按要求完成自學(xué)任務(wù)為前提的進(jìn)一步知識鞏固與豐富。課堂教學(xué)環(huán)節(jié)主要包括如下幾方面：

1）基礎(chǔ)知識鞏固以及重難點講解。該環(huán)節(jié)主要設(shè)置在課程前期階段，計算機(jī)組成原理是宿州學(xué)院信息工程學(xué)院大二開設(shè)的課程，學(xué)生之前幾乎未接觸過翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方式，應(yīng)放慢節(jié)奏，給學(xué)生一個適應(yīng)的過程。教師先進(jìn)行基礎(chǔ)知識的鞏固，之后根據(jù)教學(xué)經(jīng)驗對學(xué)生難以理解的知識點，著重進(jìn)行講解。

2）組間辯論，師生討論。課前要求學(xué)生進(jìn)行在線學(xué)習(xí)，課上小組間對遇見的相同的問題進(jìn)行辯論，活躍課堂氣氛，提高學(xué)習(xí)效果，老師課上對質(zhì)量高的問題進(jìn)行重點講解，強(qiáng)化知識難點。

3）課堂練習(xí)。利用學(xué)習(xí)通的教學(xué)系統(tǒng)自動進(jìn)行計算機(jī)組成原理的試題組卷，讓學(xué)生在課堂行現(xiàn)場練習(xí)，通過系統(tǒng)對每個題目正確率的統(tǒng)計，重點對失分較高的題目進(jìn)行講解，及時為學(xué)生解決學(xué)習(xí)過程中的知識盲點。

3.3 教學(xué)改革成效

2017年宿州學(xué)院信息工程學(xué)院的計算機(jī)組成原理的教學(xué)利用學(xué)習(xí)通教學(xué)平臺實現(xiàn)了線上線下共同學(xué)習(xí)的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方式。在教學(xué)的過程中教師可以隨時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)展情況，主要以形成性評價給出學(xué)生的成績，并不斷獲得教學(xué)過程中的連續(xù)反饋，以此為據(jù)隨時調(diào)整教學(xué)計劃、改進(jìn)教學(xué)方法提供參考。

表2的數(shù)據(jù)來源于宿州學(xué)院信息工程院利用線上教學(xué)平臺超星學(xué)習(xí)通進(jìn)行計算機(jī)組成原理課程教學(xué)時的成績統(tǒng)計，通過對學(xué)院2017級以及2018級計算機(jī)專業(yè)學(xué)生的計算機(jī)組成原理課程的成績對比，可以看出學(xué)生的綜合成績有了明顯的提高，在課程中引入OBE的工程教育模式取得了良好的效果。

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【通聯(lián)編輯：王力】