基于OBE理念的計算機組成原理翻轉課堂教學模式創新研究

摘要：基于工程教育專業認證中的OBE教學理念，依據計算機組成原理的課程特點，針對傳統教學模式下計算機組成原理課程教學模式單一、學生學習興趣缺乏等問題，從棗莊學院的實際學情出發，研究翻轉課堂的創新教學模式。該研究對課中的學生小組編排和驗收考核方式進行創新，旨在調動全體學生的學習積極性，從而避免學生偷懶、搭便車的現象。同時，對計算機組成原理的理論課堂教學和實驗課堂教學模式進行全面創新，以提高應用型人才的培養質量，促進學生的全面發展。

關鍵詞：OBE理念；計算機組成原理；翻轉課堂

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）23-0168-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

工程教育專業認證是國際通行的工程教育質量保障制度，在實現教育和師資國際互認方面發揮著關鍵作用[1-2]。它突出以產出為導向的教學目標，以學生收獲、畢業達成情況為中心，并強調持續改進的培養質量。工程教育認證是未來工程教育質量評價的發展趨勢，教育質量的提升迫切要求高校專業課程做出更多的改革與創新[3]。

計算機組成原理是高校計算機專業的核心課程之一，其先修課程包括計算機導論、程序設計和數字邏輯等，在此基礎上對計算機專業知識進行拓展[4]，并為后續課程如計算機體系結構、嵌入式系統等提供知識基礎。計算機組成原理的教學內容組織如圖1所示。通過學習該課程，學生可以掌握計算機硬件組成和工作原理，建立整機系統概念[5]。

計算機組成原理同時也是一門公認的教學難度較大的課程。一方面，課程知識點比較抽象、枯燥，學生學習難度較大；另一方面，對于地方應用型本科院校的學生而言，硬件基礎薄弱，存在“重軟件輕硬件”的現象，這又進一步增加了教師授課的難度。因此，如何教授好這門課程，提升學生的學習興趣，為計算機專業的學生打下堅實的專業理論基礎，成為計算機組成原理課程教師不斷改進和創新教學方法的原動力。

課堂教學在所有教學方法中占用時間最多、傳授知識最集中，因此教師應在課堂教學中構建一種“課堂活躍、熱愛學習、善于思考、創新思維”的有效教學模式。近年來，為提升學生的培養質量，越來越多的學者和教師對計算機組成原理的課程建設、教學方法等進行了深入研究。汪麗華等人[6]基于OBE對教學模式進行了改進，引入樹莓派平臺來增加教學內容的新穎性和實用性。寧菲菲等人[7]提出了“對分”課堂教學模式，將課堂時間平分為教師講授和討論交流，以此來增進師生交流和生生交流，從而提高學生的學習能力和教學效果。紀祿平等人[8]通過對教學內容安排和學生分組管理進行有機融合創新研究，提高了學生的學習效率。盡管教師在計算機組成原理的課堂設計上投入了大量心血和精力，但基于課程自身的特點和學生的學情，最終的學習效果仍然差強人意。因此，研究計算機組成原理課程的教學模式創新，對提高學生學習積極性、綜合素質和創新能力具有重要意義。

1 計算機組成原理傳統課堂教學存在的問題

1.1 學生對先修硬件知識的掌握不夠

數字電路基礎等硬件課程作為計算機組成原理的前導課程，對學生理解計算機的硬件構成以及工作原理起著至關重要的作用。但這些課程知識點抽象瑣碎，部分基礎較差的學生學習積極性不高，對基本的進制轉換理解起來有困難，很難真正掌握相關知識。前期基礎沒有打牢，直接導致學生在后續計算機組成原理的硬件理論學習上更加吃力，甚至有的學生直接放棄課程的學習。

1.2 教師在課堂教學中占主導

隨著科技的發展，信息化教學手段也頻頻出現在計算機組成原理的課堂教學中，包括多媒體設備、計算機演示等。雖然這些現代化的輔助工具可以提高學生的學習興趣，但課堂上仍以教師講授為主，學生參與度不高。計算機組成原理作為一門介紹計算機系統硬件構成和工作原理的專業基礎課，其中概念性、原理性和應用性知識點較多，棗莊學院部分學生學習基礎薄弱，聽課過程比較枯燥。即便教師采用先進教學工具以引起學生注意，提高學習興趣，但在以教師講授為中心的傳統課堂中，學生一旦聽不懂產生疑問，也只能被動跟隨教師節奏，導致一步跟不上步步跟不上的現象。

1.3 實驗課程方法陳舊簡單

實驗環節對于學生深入了解計算機工作原理至關重要。目前棗莊學院計算機組成原理實驗課程多以驗證性實驗為主，學生按照實驗指導書上的圖示，對實驗箱進行手工插線，然后通過撥碼開關和指示燈的亮滅來進行實驗驗證。這樣的實驗方式學生自主動腦較少，僅依賴簡單插拔操作難以真正掌握相關知識。另外，實驗課程考核方式只根據實驗報告確定學生成績，不能真正培養學生解決工程實際問題的能力。甚至有的學生不懂原理，只根據實驗指導書抄寫一遍就完成實驗報告，不符合工程教育專業認證標準。

2 基于OBE的計算機組成原理翻轉課堂教學模式創新改革

計算機組成原理的理論學習和實踐學習對學生的畢業要求指標點都有著重要的支撐，因此在對課堂教學模式進行改革時，須分別對理論和實踐課堂進行創新。課程內容設計以教材與課程目標為基礎構建，對知識點進行拆分，以指令執行為依據，融合存儲器、輸入輸出系統、運算器、控制器為四大支撐點，覆蓋計算機組成原理的全部知識點。

2.1 理論課堂教學模式創新

在理論教學中，基于OBE理念將課堂分為課前、課中、課后三個階段。為了提高學生的主動學習積極性，課程組教師設計了形式多樣的課前學習資源供學生選擇，如在學習通、智慧樹平臺錄制了課程內容相關的慕課視頻，提前下發包含動畫、視頻、思考題在內的優質課件以及學習任務單。學生在自學過程中，對其中的任務完成情況進行自測，找出問題，然后帶著問題來到課堂。在課中教學階段，教師通過設計小組討論、角色扮演、辯論賽等多樣化的教學活動，鼓勵學生積極參與課堂討論。此外，教師還利用隨機點名系統，確保每個學生都有機會表達自己的觀點，從而提高整體的課堂互動性。學生在聆聽教師對重點難點講解的基礎上，與小組成員進行討論，解決課前自學存在的疑問。課后學生通過作業、測驗等多種形式檢驗知識點的掌握情況，教師對學生提交的作業及時反饋，幫助學生了解自己的不足并及時改進。課程組建立了有效的教學反饋機制，定期或不定期通過問卷調查、訪談等方式收集學生對教學的意見和建議。教師對接收的意見和建議及時進行自我反思，評估教學方法的有效性，并根據反饋進行調整。這種“學生秀、師生評”的教學評價模式，最終實現了線上線下相融合、思政與課程內容相融合、集中學習與自主學習相融合的“三融合”，從而有效提高了學生自主學習能力與團隊協作能力。

在課中教學活動中，采用了翻轉課堂教學模式。與傳統的課堂教學相比，翻轉課堂教學將課堂的主導者變為學生，加強了師生之間、生生之間的溝通交流，有利于提高學習效率。翻轉課堂教學活動的前提是對學生進行分組。因此，應該考慮在進行翻轉課堂活動時劃分小組的合理性，以及如何調動全班學生的學習積極性。

為了體現公平公正，讓全班同學都參與翻轉課堂活動中，在對小組進行劃分時，不再采用傳統的學生自由組合的方式，而是以學號順排或者隨機組隊的方式成立小組。為了激勵學生，每個小組選出的組長根據其課堂組織表現在平時成績中給予額外加分。另外，在學生交流討論發言環節，不再選取小組推選的學生起來匯報，而是采用隨機點名的方式，隨機抽取沒有發言的同學，這樣鼓勵所有人參與進來，更能體現公平性。點到同學的匯報情況作為整個小組的表現計入小組得分，這樣賦予了每個學生“集體榮譽感”，讓他感覺到自己的回答情況代表了整個小組，因此可有效避免“渾水摸魚”的情況，使得每個學生都能打起精神參與其中，不僅提升了全班的學習效果，而且培養了學生的集體責任感和榮譽感。翻轉課堂的教學方式讓學生成為課堂的主體，逐漸弱化了教師的角色，使更多的學生參與課堂的交流中，符合工程教育專業認證的標準理念。

2.2 實驗課堂教學模式創新

計算機組成原理的實驗環節在整個課程的學習中占據舉足輕重的位置，目的是將理論學習與工程實踐相結合，提高學生的專業動手能力。然而，傳統的實驗教學內容陳舊，形式簡單，并不能達到工程教育專業認證對學生的培養要求。另外，在實驗環節的考核上，如果過分依賴于實驗報告的完成情況，容易造成學生應付了事，互相抄襲的現象，這樣不僅有失公平公正，而且容易讓學生產生依賴他人的懶惰思想，不利于培養學生的自主設計能力，更加不符合工程教育認證目標導向。因此，如何增強實驗課程效果，全方位提升學生的獨立分析能力和自主創新能力，實現培養“應用創新型”人才的目標，是實驗課堂教學中亟待解決的問題。

針對傳統實驗教學環節存在的弊端，采用過程考核+實驗報告考核的雙重考核方式。主要從以下兩個方面實施改進。實驗課翻轉課堂總體示意圖如圖2所示。

2.2.1 錄制實驗慕課視頻

對于語言類課程，如Java、Python等，教師只須在課堂上向學生講解清楚知識點，然后學生在機房上機反復練習即可。而在計算機組成原理的實驗課程中，實踐內容與理論課堂講授的內容存在一定差距，且其中的設計性實驗需要用到硬件編程語言Verilog，學生們之前并未接觸過。僅憑上課時間讓學生既聽懂實驗又會用全新的語言去設計編程，難度非常大。因此，教學團隊可以像錄制理論教學視頻那樣錄制實驗慕課，讓學生提前觀看視頻來預習實驗相關知識點，大體了解實驗內容，避免在課上現學而占用大量時間。

2.2.2 采用現場驗收的考核方式

隨機挑選小組的任意一名學生進行操作，一邊演示一邊講解，匯報結果作為小組的整體基礎分。然后讓小組的每個學生針對不同問題分別進行回答，計入個人分數。這樣的考核方式可以調動全體學生的學習積極性，讓每個人都有一種“危機意識”，有效避免了部分學生依賴抄襲別人實驗報告作為考核結果的狀況。實驗結束后，學生撰寫實驗報告，對實驗結果進行分析和總結。由于每個人都能親自參與，因此實驗報告中的數據分析和實驗代碼調試更能體現出學生的掌握情況。

3 結束語

翻轉課堂顛覆了傳統教師上課“一言堂”的模式，通過學生課前學習、課中交流討論的形式使得課堂教學變得靈活多變。本研究基于工程教育專業認證中的OBE理念，針對計算機組成原理課程教學中存在的問題，利用翻轉課堂對理論和實踐教學模式進行創新，全面提升了學生的學習積極性。本文的研究對計算機類硬件專業課程教學改革具有重要的借鑒意義。未來，在計算機組成原理的教學改革中應深度融入思政元素，為國家培養全面發展的計算機人才。

參考文獻：

[1] 謝從華，徐文彬.面向工程教育認證的計算機組成原理課程改革的探索[J].計算機時代，2016（5）：97-99.

[2] 中國工程教育專業認證協會.工程教育認證標準（2015版）[S].2015.

[3] 馮婧微，張學軍，邵紅，等.基于工程認證及成果導向教育的環境工程專業體系構建：以沈陽化工大學為例[J].教育教學論壇，2017（26）：159-160.

[4] 陳華鋒.《計算機組成原理》教學中多課程知識融合探析[J].荊楚理工學院學報，2011，26（5）：70-72.

[5] 王曉麗.計算機組成原理課程教學改革探索[J].計算機時代，2013（7）：60-61，65.

[6] 汪麗華，王澤梁.新工科背景下計算機組成原理課程OBE教學研究[J].西昌學院學報（自然科學版），2020，34（2）：108-111.

[7] 寧菲菲，李真.“對分課堂”教學模式在計算機組成原理教學中的應用[J].電腦知識與技術，2018，14（4）：96-97.

[8] 紀祿平，羅克露.計算機組成原理創新型教學方法設計[J].計算機教育，2011（7）：85-87，91.

【通聯編輯：謝媛媛】