結合OBE的計算機組成原理混合式教學改革實踐

張謙，紀少琪，鄔依林，劉林東，徐詩語

（廣東第二師范學院計算機學院，廣東廣州 510303）

1 引言

為主動應對新一輪科技革命與產業變革，我國教育部積極推進新工科建設，要求在以“工科”本質不變的基礎上進行創新，以培養出多元化發展的創新型科技人才[1]。計算機類專業作為“新工科”的典型代表，培養出能夠適應并滿足新時代、新經濟、新產業發展需要的創新型應用人才已成為高校教育改革的重要方向。計算機組成原理是計算機類專業的核心課程之一，也是后續學習計算機體系結構、微型計算機原理、操作系統等重要專業課程的先導基礎，在計算機專業課程體系中起著承前啟后的關鍵作用[2。該課程的教學目的是使學生掌握計算機硬件系統的組成、工作原理、邏輯實現和設計方法及互連構成整機的技術，為培養學生計算機系統硬件級的分析、設計、開發和創新能力打下堅實的基礎[3]。但就目前大多數高校計算機組成原理課程的教學現狀而言，以教師為主導的傳統教學方式所取得的教學效果并不理想，學生只能被動接受理論知識也難以達到本課程的教學目標。因此，在計算機組成原理課程教學中引入新的教學模式變得非常重要。

成果導向教育(Outcome-based education，OBE)是指通過教育過程獲得的學習成果作為規劃教學設計和開展教學實施的目標，強調的是以學生的學習成果為核心進行一切教學活動的組織、實施和評價[4]。因此，本文充分討論現有計算機組成原理課程教學過程中存在的問題，探索結合OBE教育理念開展混合式教學改革的途徑，通過將“以老師教為中心”轉變為“以學生學為中心”，將傳統的“教師主導講授、學生被動灌輸”式教學方法轉換為“學生自主、教師引導”式的學習方法，將傳統“線下”課堂轉變為“線上線下”混合式教學模式，使得學生能更好地融入課堂，從而激發學生的學習興趣，提高課堂質量，鍛煉學生自主學習、積極思考、分析和解決問題等各方面的能力，以此培養出理論基礎扎實和具有創新能力的計算機人才。

2 計算機組成原理課程的教學現狀

計算機組成原理課程的教學內容主要包括運算器和計算方法、存儲層次結構、指令系統、CPU結構及功能、總線系統、控制單元設計與實現、輸入輸出系統、外設與I/O設備、中斷系統等內容，從整體框架入手，層層細化地剖析計算機的基本組成部件及工作原理[5]。盡管計算機組成原理是計算機專業入門和底層層面的“第一課”，但由于這門課程的屬性特殊，對任課教師和學生來說都有一定的難度，主要表現為：

（1）課程知識涉及面廣且內容抽象，邏輯性強

計算機組成原理課程的內容圍繞馮諾依曼體系結構的計算機展開，詳細介紹了計算機的各個功能部件及其運行原理和設計思想等知識，所以一般性的原理敘述占據篇幅較大，總體內容梳理起來比較繁雜。其次，該課程是以硬件的角度來分析計算機的運行原理，例如指令、數據和控制信號等計算機內部信息在各部件之間的保存、運算和傳送，其運行狀態是無法直接觀察到的，表述起來也比較困難，一般只能用原理圖進行講解。而越接近計算機底層，越符合機器邏輯，離人的邏輯越遠，學起來就越難。過于抽象的課程內容不僅增加了授課難度，也使得學生對于知識的理解相對吃力，導致學生的學習積極性降低，對知識的掌握程度欠佳。

（2）學生對課程的重視程度低

目前我國計算機類專業仍在沿用應試教育，很多學校對于計算機組成原理這類計算機專業的基礎課教學要求僅停留在理論層面，學生普遍抱著“應考”心理學習，忽視了這門課程的重要性。另外，多數學生認為計算機組成原理的知識在實際應用中用到的可能性較小，為能適應專業崗位的要求，他們往往更傾向于學習計算機應用層面的知識，對專業基礎課程缺乏重視。

（3）教學方法單一，教學指導缺乏針對性

在傳統課堂中，教師多以課件和視頻的方式進行授課，教學內容嚴格按照教學大綱執行，遵循“循序漸進”的原則進行“灌輸式”“填鴨式”教學，抑制了學生的自我學習能力[6]。計算機組成原理的內容本身就不易理解，單純靠羅列知識點并不能保證學生能夠有效吸收。其次，課程的知識點多為概念性理論，枯燥無味的文字容易降低學生的學習興趣。加上基礎知識掌握程度存在差異，教師在教學過程中如果缺少針對性指導，學生無法及時消化的知識點越積越多，導致學習積極性下降。

（4）理論與實踐結合不夠

課程實驗是“計算機組成原理”基礎課程的必要內容和組成部分，是進一步加深和提高學生對于計算機相關硬件和應用程序基本工作以及原理的認識和理解的有效教學手段[7]。然而，很多情況卻是實驗教學只是讓學生按照實驗指導書的步驟進行組件的連線和調試，然后觀察信號燈的變化記錄結果即為完成實驗，導致學生都不了解實驗的原理，不清楚每一個步驟的含義，更不會去思考這部分內容與所學理論知識之間的聯系。缺少正確的引導，學生的實踐能力得不到真正的鍛煉，很難在實驗教學中加強對理論知識的理解。

3 結合OBE理念的混合式教學模式

目前大多數高校沿用的是傳統的教育模式，其人才培養專業設置按學科劃分，知識結構強調學科體系的系統性和完備性，教學設計則注重學科的需要，在一定程度上忽視了專業的需求[8]，培養的人才離社會需求還存在差距。而OBE教學模式是成果導向的，其教學設計過程如圖1所示，首先從社會需求出發，由需求反向設計培養目標，再以培養目標為導向決定畢業要求，再根據畢業要求確定課程體系，最后通過正向實施達到最終成果，以閉環的形式實現教育目標與結果相統一。同時，課程體系中每一門課程的教學目標覆蓋對應的畢業要求，教學內容和教學方法支撐教學目標，教學評價考察教學目標的達成情況和學生的學習成果。通過這一系列反饋來檢驗各個教學環節之間的支撐效果，并據此持續不斷地改進教學過程，最終實現所制定的培養目標和畢業要求。

圖1 基于OBE理念的教學設計流程

鑒于傳統的計算機組成原理課程教學存在的問題，結合該課程的專業特點，提出以OBE為指導思想的以學生為教學主體的混合式教學模式，該教學模式改變傳統純線下授課，突出運用網絡教學平臺與網絡教學資源的優勢，迎合當下時代的科技趨勢以及課程特色，即利用網絡平臺將在線教學與傳統教學進行有機結合，教師更多充當指導者，學生則是自主學習者，同時保持傳統教學模式的優點，同樣注重師生互動、生生互動。

學生學習情況將考核貫穿教學全過程，主要分為線上課前預習、線下課堂互動以及課后實踐反饋三大環節。課前以教師整合挑選發布在線上平臺的教學視頻、教學課件為主，要求學生自主學習并且整合自己的學習情況；在線下課堂時教師則需要根據學生的預習情況進行相應的教學知識點的側重于與教學活動組織的靈活調整，但大多數需要在課前即準備好相應的教案；而在課后的實踐反饋環節，教師更多以督導的身份參與，關注追蹤學生的知識掌握情況，學生在課后需完成老師布置的相關作業，以此完成課程考核的要求，以上的課前預習、線下課堂活動以及課后作業都是對于學生平時成績的重要考核項目。基于OBE理念的混合式教學模式設計如圖2所示。

圖2 混合式教學模式設計

4 結合OBE理念的混合式教學改革

4.1 教學內容改革

計算機組成原理課程的教學目的是使學生能夠熟悉計算機硬件結構以及各功能部件的工作原理，掌握計算機的運作過程以及各部分之間的聯系，建立起整機的概念。如今計算機硬件的更新換代頻率較快，為實現計算機組成原理的教學目標，教師必須與時俱進，根據學生的專業和特點對教材的教學內容進行適當的刪減和擴充，在突出重點的同時根據不斷變化的新形式補充新知識，讓學生了解到最新的計算機硬件前沿動態。通過不斷增強教學內容的實時性和先進性，既能激發學生對該課程的探索興趣，又緊密聯系計算機專業的發展，幫助學生找到自己今后培養的方向。此外，教師應在講授課程內容前開展思政教育活動，挖掘該課程的思政元素，選擇與我國當前硬件行業發展有密切聯系的知識作為結合點，體現學生愛國、敬業、誠信、友善的社會主義核心價值觀，促使思政內容與計算機組成原理課程有機融合，培養學生的求真務實精神和團隊協作能力。與此同時，任課老師需要把握好各專業課程之間的內在聯系，引導學生梳理計算機組成原理內容與前導和后繼課程內容的知識脈絡，明確計算機組成原理在整個計算機結構體系中的重要地位，提高學生對該課程的重視程度。通過不同學科之間的交叉滲透，幫助學生更好地理解和應用理論知識，讓學生明白課程內容具有實際應用。

4.2 教學方式改革

目前，大多數高校的計算機組成原理課程的授課方式還是采用傳統教學，以教師講解作為教學過程的中心，學生被動接受知識輸入，在課堂上教師沒有較充足的時間組織學生針對知識點進行深入地討論交流，也無法對所學內容展開實際的教學反饋活動，學生因此在課堂上的參與度不高，學生學習的積極性和主動性受限，同時學生在課后對于知識點的復習回顧不足，對知識點掌握零散且不夠扎實。

傳統的課堂授課模式只關注到課堂短短的授課時間，而忽略了知識點講解前的預習與課后的復習，此種教學方式沒有最大限度地發揮教學資源的作用，課后對于學生的知識點掌握程度跟進未落實到位。要切實提高學生的學習效果，需改變傳統教學方式，將“以教為中心”轉變為“以學為中心”，基于OBE理念，以學生的學習成果為導向，基于問題確定教學內容并進行教學活動的組織[9]。教師作為引導者實現參與式教學，學生作為自主學習者，由被動接受轉變為主動學習，培養鍛煉學生成為課堂教學的主體，從“課前-課堂中-課后”三個教學階段入手，注重學生學習過程的效果反饋，如以學生課前預習的知識盲點整集作為教師線下課堂授課的重點教學內容等。如表1所示為計算機組成原理存儲器章節所確定的教學主體內容。

表1 教學主體內容

4.2.1 學生課前自主學習

基于OBE理念的教學模式開展要求學生在課前提前進行知識點的學習，對自身自主學習的情況進行大致的清掃，將知識盲點進行整合，在此過程中老師需要在超星學習通、微信、騰訊會議等線上平臺上發布教學資源，注重發揮教師的專業性，根據專業特色整合多方教學資源，包括導學視頻、教學視頻、教學課件和課前測試等資源，如表2所示，并且對學生一般于課前的一到兩天上傳發布。學生進行課前自主學習，不僅要觀看上述的教學資源（同類型的資源可以進行選擇性學習），通過視頻與學案課件了解本節課的學習知識點，同時要完成課前測試題，將課前的成果進行大致梳理整合，教師以學生整體的課前預習情況為背景進行線下課堂教學活動的組織，學生也可以在課堂上獲得學習問題的解答。

表2 教學資源類型

導學學案、教學視頻等資源教師可以根據專業與班級特色需要進行制作，導學學案可以包括閱讀教材哪幾頁的內容、觀看哪幾個學習視頻等，標明哪些知識點是需要了解、理解以及掌握的，教學視頻則以本節課的基礎知識點為主要內容，其中可以側重以拓展性問題引發學生的拓展思考，由淺入深，將主要的答疑解惑環節安排在師生互動的線下課堂中。而課前測試的目的是幫助學生對自己的學習成果進行自我檢測，明白自己的問題所在，帶著問題進行本節課的學習能夠達到事半功倍的效果。

以廣東第二師范學院計算機學院計算機組成原理課程中主存儲器教學為例，課前資源可有教材、中國慕課等，向學生明確發布學習任務以及學生課前思考題，具體任務清單如表3：

表3 學習任務清單示例

4.2.2 線下課堂師生互動、生生互動

在基于OBE理念的計算機組成原理課程的混合式教學模式改革中，教師主要作為教學過程中的指導者，主要任務是指導學生學習。因此教師在線下課堂要注重對教學授課過程的靈活調整，主要針對本節課的重點、難點以及學生在課前預習階段的問題集合進行教學內容的課堂活動的組織開展，包含知識點的授課、知識點的提問解答、進行課堂測試，同時多形式開展課堂實踐活動，如小組課堂討論、小組實驗實踐等。

學生在線下課堂以主動學習的身份出現，混合式教學強調師生互動、生生互動，學生主要任務是參與課堂活動，諸如回答問題、提出自身的知識盲點、進行思考、根據課堂教學內容記錄個人學習筆記、與小組成員進行拓展討論等。本校的主存儲器的線下教學過程主要有幾大流程，回顧上節課知識點——匯報課前學習情況——教師進行本節課的知識授課——進行小組討論——教師答疑解惑——發布課后作業，具體安排如表4所示：

表4 主存儲器線下課堂教學流程

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4.2.3 課后學習實踐反饋

在線下課堂結束之后，教師要注重追蹤學生的學習情況，與課前預習相似，可以通過線上平臺發布本節課的作業或者課后練習題了解學生對于課堂知識的真實掌握情況，對學習效果進行確認。

首先，對于課前預習階段發布的諸如需觀看哪幾個教學視頻的學習任務，在課后階段要進行追蹤登記，注意學生是否完成、完成度如何，結合學生的整體表現觀察學生的課堂參與度和積極度。其次，對于學生作業答題正確率不高的知識點進行歸納記錄，及時上傳針對難點的講解視頻，靈活調整教案，后期回歸線下課堂后會對這些重難點內容進一步鞏固[10]。再者，對于整體完成度不高的同學（如學習視頻觀看不及時、課前測試完成度不好、課上活動參與度不高、課后作業完成度較差等情況），教師可以通過微信、QQ或者企業微信等通信工具與學生一對一的溝通和交流，及時地給予學生學習上的幫助和指導，激發學生的學習興趣，引導后進學生主動參與學習，實現個性化教學[11]。

在課后實踐反饋部分，除了對學生學習任務完成度的追蹤登記外，還要求學生將學習情況進行可視化展示。如主存儲器模塊的學習，存儲的設計是教學中的一個難點，不容易理解，對學生來說存在一定的難度。因此，在進行本節教學過程中，在理解概念的基礎上給出了一個主存儲器設計案例，要求學生根據要求設計出滿足條件的主存儲器，大多數的設計實踐類作業以小組完成，在線下課堂時給出題目，給予學生一定的課堂討論時間，同時教師可以線下答疑部分問題，而學生需要課后小組給出具體的設計方案，對于怎樣設計，教師可以在線上平臺給出示例，將過程進行解說操作，給學生適當的引導，從簡單情況入手，逐漸增加設計難度，在設計過程中主要目的是培養學生的實踐動手能力，針對上述的主存儲器的設計題，課后實踐反饋階段大致如表5所示：

表5 主存儲器的課后實踐活動任務

4.2.4 多教育平臺、任務驅動遠程開展混合教學

整合當下社會的教學資源以及教學平臺，是混合式教學模式的另一個亮點。超星學習通、騰訊會議、雨課堂等多網絡教學平臺課前教師按照教學進度計劃每周在學習通平臺上發布作業，通過任務驅動使學生進行個性化自主學習[12]，促使學生觀看視頻、下載并學習PPT課件和對應章節的電子教材，并在學習后按時完成提交線上作業[13]。混合式教學模式利用多平臺，可增加學生課堂知識吸收情況調查，教學過程采用基于學習數據的多元化評價，將學生課前自主學習、課堂教師授課、課后知識鞏固的學生全過程學習數據采集入庫。通過對教研過程中產生的數據進行采集和挖掘，可為教師提供基于大數據的教學行為診斷和干預，促進教師教學行為的改進[14]。

5 教學評價改革

教學評價是反映和檢測任課教師教學效果和教學狀態的手段，一般分為主觀評價和客觀評價，其中主觀評價包括同行評議、教學督導評價、學生評價，客觀評價包括教學測驗、實驗完成度、考試成績等[16]。在傳統教學模式中，教學評價主要以教師為中心，著重對教師的“教”的評價而忽略學生“學”的效果，課程考核機制多以學生的階段性測驗和期末考試等終結性評價為主，這種“節點式”評價方式缺乏對學生學習時間的投入、學習主動性等學習過程的考量。而OBE理念具有持續改進的特點，強調的是過程的評價與考核，通過學生的學習效果來衡量教師的教學質量，突出學生學習過程的重要性。

計算機組成原理課程的課程考核應圍繞教學目標展開，全面地考核評價學生對課程知識的掌握程度，考核內容應以客觀評價體系為主，由平時成績、階段性成績、實驗實踐成績、期末測試成績組成。因此，增加平時成績各分項，如上課考勤成績、平時課前預習的教學視頻的觀看完成度、上課的積極度、課堂小測成績等，對此各項設置對應的權重系數，再加以學期末的線下考試或者課程設計等實踐作業，即從線上線下、課前課中課后的教學全過程對學生進行考核，具體考核各分項如表4所示，各專業可根據自身人才培養需要進行分值權重系數的設置。

表4 基于OBE的課程考核評價方式

6 結語

計算機組成原理作為計算機類專業的核心基礎課程，在計算機專業課程體系中擔任承上啟下的重要角色。針對計算機組成原理課程普遍存在教學內容廣泛抽象、知識覆蓋面廣、教學方法過時以及缺乏實踐的問題，本文提出了基于OBE理念的計算機組成原理課程混合式教學改革方案，采用“線上線下協同教學、理論與實踐融會貫通”的教學方式，利用網絡在線教學與傳統面授教學將“課前—課中—課后”有機結合，激發學生的學習積極性和主動性，增進師生間、生生間的互動與交流，提高計算機組成原理課程的教學質量，達到對學生工程能力和創新意識的培養，使其能夠更好地適應并滿足信息社會對計算機專業人才的需求。