基于OBE的工程教育模式在《計算機組成原理》課程中的應用與實踐

高亞蘭 吳孝銀 徐旭 邱慧麗

摘要：《計算機組成原理》是工程教育認證模式下，宿州學院引入OBE理念對計算機專業進行課程整合的結果，是專業體系中具有承接作用的一門非常重要的專業核心課程。針對計算機組成原理課程的特點以及課程中如何提高學生的實踐能力等問題，分析如何應用OBE的教育模式進行教學目標的設定以及教學設計。通過教學實踐，總結OBE的工程教育模式在計算機組成原理課程中的具體優化作用。

關鍵詞：OBE;計算機組成原理;工程教育認證;教學設計;教學目標

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）21-0134-02

開放科學（資源服務）標識碼（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如云計算、5G、人工智能等技術的快速發展。智能時代的到來，導致市場對計算機硬件類人才需求日益強烈。計算機組成原理課程在硬件類課程中有著承上啟下的作用，是計算機專業學生的專業基礎課。為了提高工程教育人才的培養質量，工程教育認證得到了國家強有力的支持。學生能夠設計滿足市場需求的軟硬件系統，能夠提出解決計算機領域復雜工程問題的創新性的方案是工程教育認證對本科教育的基本要求。

1 計算機組成原理課程特點及現狀分析

從課程的特點來看，傳統的計算機組成原理偏向于理論教學，實踐教學沒有引起足夠的重視。計算機軟硬件系統設計的能力主要是在實踐過程中培養和提高，在開展計算機組成原理課程理論教學的同時，應注重實踐教學的比重和設計，通過合理的實踐教學設計提高學生學習計算機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習上很多學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、導致基礎較差的學生很難真正學懂相關知識點，大部分學生學習積極性不高。目前學校的硬件理論和實驗設備均顯落后，實驗內容比較陳舊，無法跟上硬件技術的發展。很多新理論和新技術并沒有融入課程教學中，因此，學生很難真正地掌握核心的硬件技術，導致學生的軟硬件系統設計的能力不強，無法滿足當今市場對人才的需求[1]。

在傳統的計算機組成原理教學過程中，課程設置中雖然有開設獨立的課程設計環節，但是課程設計的項目主要是驗證計算機硬件的工作原理，很少開設綜合性的系統設計，沒有什么實際意義，與工程能力的培養脫節，導致學生在面對工程問題時缺乏基本的思路和方法，在學習過程中很難形成硬件知識體系。另外，由于學生自身理論知識比較薄弱，很難將理論與實踐相結合，很多學生學習能力和自律能力比較差，學習的積極性低，很難保證實踐環節的教學質量。

目前宿州學院的《計算機組成原理》教學中仍存在這些問題，為了有效解決計算機組成原理課程教學環節中的局限性，根據工程認證要求對《計算機組成原理》的教學進行改革，引入OBE教育理念，通過教師對教學內容以及教學方式的設計，將工程問題的解決作為課程學習的最終目標，重點培養學生創新能力與實踐動手能力[2]。

2 OBE理念對計算機組成原理教學的啟發

OBE教育模式以產出為學習目標推動傳統教學，引領學科導向或投入導向的教育模式改革[3]。專業認證的核心內涵是構建“產出導向”的人才培養體系并持續改進。傳統的人才培養模式如圖1所示。傳統的課程體系主要關注的是課程體系的自我完善，課程教學主要關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，學生學得怎么樣，是否達到了學校的人才培養目標，教學的重心仍然在教。

OBE的人才培養體系模式如圖2所示，聚焦的重點在于“學習成果”，以學生為重心。在OBE的人才培養體系模式中課程建設是關鍵。通過課程體系形成支撐學習成果，課程教學實現支撐學習成果，考核評價證明支撐學習成果。

通過分析計算機組成原理課程的特點，并到企業調研課程所涉及應用到生產方面的關鍵技術，以產出為導向，確定課程的實踐教學目標。計算機組成原理課程的實踐教學目標應該是掌握計算機組成原理的工作原理以及控制單元的設計后，學生能自主設計出簡單的計算機模型機。

2.1 基于OBE的教學目標

OBE教育模式的關鍵是確定學習產出的目標，清晰的學習產出目標可以讓整個課程建設科學有序進行[4]。計算機組成原理課程的教學改革圍繞學生畢業要求、市場需求、專業認證三個方面確定產出目標。結合宿州學院畢業要求指標點，最終確定了基于OBE的教學目標。

課程目標1：掌握計算機基本部件的構造、基本運算的操作原理及部件和單元的設計思想，為后續硬件類課程學習奠定良好的理論基礎。

該課程目標支撐畢業要求“工程知識”：掌握計算機軟硬件相關工程基礎知識，能將其用于分析計算機領域的相關工程問題。

課程目標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的組成，設計控制單元實現所需的運算，針對計算機領域復雜工程問題設計可行的研究方案。

該課程目標支撐工程認證要求：能夠運用相關的技術手段和設計思想確定復雜工程問題的解決方案。

課程目標3：能夠設計出簡單的計算機系統，將相應的技術應用到相關的硬件系統設計中。

該課程目標支撐市場對軟硬件系統設計類人才的需求。

2.2 基于OBE的教學設計

基于OBE的教學改革，需要對整個教學體系進行改革，而不是只改革計算機組成原理這門課程。計算機組成原理這門課程是知識體系中的一個節點，在整個體系中，計算機組成原理的先導課程數字電路課程、計算機科學導論等課程要通過改革達到一定的OBE教學，這樣計算機組成原理課程才能更好地展開[5]。計算機組成原理課程是嵌入式系統應用、微機原理等課程的基石。以學生為中心的教育模式是現在本科教育所提倡的方式，因此需要對傳統的教學進行改革設計。在教學內容上不再是進行枯燥理論知識的講授，通過結合具有一定實際應用價值的具體項目案例來講授知識點，提高學生的學習興趣。通過小組討論、在線學習、知識辯論等不同的教學手段引起學生的學習興趣，實現OBE的教學目標。

3 OBE教育模式下的計算機組成原理課程實踐

3.1 計算機組成原理課程在線資源建設

“互聯網+”作為一種新的教育形態為現代教育提供了一種新的環境和手段，推進了教育信息化的進程。為實現計算機硬件類課程的教學目標，以基于OBE的教學大綱為指導進行在線資源的課程建設。

在線教學內容的設計必須依據教學大綱中明確的知識模塊，涵蓋所有的知識點，并突出重難點。對于在教學過程中學生理解起來較難的知識點，對其進行單獨進行視頻以及課件的設計，以確保學生能夠完全掌握重點，強化知識難點。根據上述設計思想，通過對計算機組成原理第4章“存儲器”進行教學知識點結構設計，共設計了9個知識點，見表1。

3.2 課堂教學內容設計

課堂教學內容要區別于在線教學視頻內容，應該是有針對性的重點、難點的講解，其定位應該是基于學生已經按要求完成自學任務為前提的進一步知識鞏固與豐富。課堂教學環節主要包括如下幾方面：

1）基礎知識鞏固以及重難點講解。該環節主要設置在課程前期階段，計算機組成原理是宿州學院信息工程學院大二開設的課程，學生之前幾乎未接觸過翻轉課堂的教學方式，應放慢節奏，給學生一個適應的過程。教師先進行基礎知識的鞏固，之后根據教學經驗對學生難以理解的知識點，著重進行講解。

2）組間辯論，師生討論。課前要求學生進行在線學習，課上小組間對遇見的相同的問題進行辯論，活躍課堂氣氛，提高學習效果，老師課上對質量高的問題進行重點講解，強化知識難點。

3）課堂練習。利用學習通的教學系統自動進行計算機組成原理的試題組卷，讓學生在課堂行現場練習，通過系統對每個題目正確率的統計，重點對失分較高的題目進行講解，及時為學生解決學習過程中的知識盲點。

3.3 教學改革成效

2017年宿州學院信息工程學院的計算機組成原理的教學利用學習通教學平臺實現了線上線下共同學習的翻轉課堂教學方式。在教學的過程中教師可以隨時了解學生的學習進展情況，主要以形成性評價給出學生的成績，并不斷獲得教學過程中的連續反饋，以此為據隨時調整教學計劃、改進教學方法提供參考。

表2的數據來源于宿州學院信息工程院利用線上教學平臺超星學習通進行計算機組成原理課程教學時的成績統計，通過對學院2017級以及2018級計算機專業學生的計算機組成原理課程的成績對比，可以看出學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。

參考文獻：

[1] 柳星，袁景凌，饒文碧，等.計算機組成原理實驗改革方法探討[J].計算機教育，2018（5）：5-9.

[2] 顧佩華，胡文龍，林鵬，等.基于“學習產出”（OBE）的工程教育模式——汕頭大學的實踐與探索[J].高等工程教育研究，2014（1）：27-37.

[3] 徐源.基于OBE教學模式的本科教學課程改革研究[J].課程教育研究，2017（17）：208.

[4] 李志義.解析工程教育專業認證的成果導向理念[J].中國高等教育，2014（17）：7-10.

[5] 王超.基于仿真實驗的計算機組成原理考核方式改革研究[J].計算機教育，2016（3）：146-148.

【通聯編輯：王力】