结合OBE的计算机组成原理混合式教学改革实践

摘要：针对目前计算机组成原理课程的教学现状进行探讨与分析，提出了基于成果导向教育（OBE）理念的混合式教学模式，该模式主要从教学内容、教学方式以及教学评价三大方面着手改革，旨在提高该课程的教学质量和教学效果，有效锻炼学生的自主学习能力和动手实践能力，培养学生的工程意识和创新能力，使其能够运用计算机思维解决实际问题，从而满足新时代社会对计算机专业人才的需求。

关键词：OBE理念; 计算机组成原理; 混合式教学; 课程改革; 教学模式

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）23-0171-04

1 引言

为主动应对新一轮科技革命与产业变革，我国教育部积极推进新工科建设，要求在以“工科”本质不变的基础上进行创新，以培养出多元化发展的创新型科技人才[1]。计算机类专业作为“新工科”的典型代表，培养出能够适应并满足新时代、新经济、新产业发展需要的创新型应用人才已成为高校教育改革的重要方向。计算机组成原理是计算机类专业的核心课程之一，也是后续学习计算机体系结构、微型计算机原理、操作系统等重要专业课程的先导基础，在计算机专业课程体系中起着承前启后的关键作用[2。该课程的教学目的是使学生掌握计算机硬件系统的组成、工作原理、逻辑实现和设计方法及互连构成整机的技术，为培养学生计算机系统硬件级的分析、设计、开发和创新能力打下坚实的基础[3]。但就目前大多数高校计算机组成原理课程的教学现状而言，以教师为主导的传统教学方式所取得的教学效果并不理想，学生只能被动接受理论知识也难以达到本课程的教学目标。因此，在计算机组成原理课程教学中引入新的教学模式变得非常重要。

成果导向教育（Outcome-based education，OBE）是指通过教育过程获得的学习成果作为规划教学设计和开展教学实施的目标，强调的是以学生的学习成果为核心进行一切教学活动的组织、实施和评价[4]。因此，本文充分讨论现有计算机组成原理课程教学过程中存在的问题，探索结合OBE教育理念开展混合式教学改革的途径，通过将“以老师教为中心”转变为“以学生学为中心”，将传统的“教师主导讲授、学生被动灌输”式教学方法转换为“学生自主、教师引导”式的学习方法，将传统“线下”课堂转变为“线上线下”混合式教学模式，使得学生能更好地融入课堂，从而激发学生的学习兴趣，提高课堂质量，锻炼学生自主学习、积极思考、分析和解决问题等各方面的能力，以此培养出理论基础扎实和具有创新能力的计算机人才。

2 计算机组成原理课程的教学现状

计算机组成原理课程的教学内容主要包括运算器和计算方法、存储层次结构、指令系统、CPU结构及功能、总线系统、控制单元设计与实现、输入输出系统、外设与I/O设备、中断系统等内容，从整体框架入手，层层细化地剖析计算机的基本组成部件及工作原理[5]。尽管计算机组成原理是计算机专业入门和底层层面的“第一课”，但由于这门课程的属性特殊，对任课教师和学生来说都有一定的难度，主要表现为：

（1）课程知识涉及面广且内容抽象，逻辑性强

计算机组成原理课程的内容围绕冯诺依曼体系结构的计算机展开，详细介绍了计算机的各个功能部件及其运行原理和设计思想等知识，所以一般性的原理叙述占据篇幅较大，总体内容梳理起来比较繁杂。其次，该课程是以硬件的角度来分析计算机的运行原理，例如指令、数据和控制信号等计算机内部信息在各部件之间的保存、运算和传送，其运行状态是无法直接观察到的，表述起来也比较困难，一般只能用原理图进行讲解。而越接近计算机底层，越符合机器逻辑，离人的逻辑越远，学起来就越难。过于抽象的课程内容不仅增加了授课难度，也使得学生对于知识的理解相对吃力，导致学生的学习积极性降低，对知识的掌握程度欠佳。

（2）学生对课程的重视程度低

目前我国计算机类专业仍在沿用应试教育，很多学校对于计算机组成原理这类计算机专业的基础课教学要求仅停留在理论层面，学生普遍抱着“应考”心理学习，忽视了这门课程的重要性。另外，多数学生认为计算机组成原理的知识在实际应用中用到的可能性较小，为能适应专业岗位的要求，他们往往更倾向于学习计算机应用层面的知识，对专业基础课程缺乏重视。

（3）教学方法单一，教学指导缺乏针对性

在传统课堂中，教师多以课件和视频的方式进行授课，教学内容严格按照教学大纲执行，遵循“循序渐进”的原则进行“灌输式”“填鸭式”教学，抑制了学生的自我学习能力[6]。计算机组成原理的内容本身就不易理解，单纯靠罗列知识点并不能保证学生能够有效吸收。其次，课程的知识点多为概念性理论，枯燥无味的文字容易降低学生的学习兴趣。加上基础知识掌握程度存在差异，教师在教学过程中如果缺少针对性指导，学生无法及时消化的知识点越积越多，导致学习积极性下降。

（4）理论与实践结合不够

课程实验是“计算机组成原理”基础课程的必要内容和组成部分，是进一步加深和提高学生对于计算机相关硬件和应用程序基本工作以及原理的认识和理解的有效教学手段[7]。然而，很多情况却是实验教学只是让学生按照实验指导书的步骤进行组件的连线和调试，然后观察信号灯的变化记录结果即为完成实验，导致学生都不了解实验的原理，不清楚每一个步骤的含义，更不会去思考这部分内容与所学理论知识之间的联系。缺少正确的引导，学生的实践能力得不到真正的锻炼，很难在实验教学中加强对理论知识的理解。

3 结合OBE理念的混合式教学模式

目前大多数高校沿用的是传统的教育模式，其人才培养专业设置按学科划分，知识结构强调学科体系的系统性和完备性，教学设计则注重学科的需要，在一定程度上忽视了专业的需求[8]，培养的人才离社会需求还存在差距。而OBE教学模式是成果导向的，其教学设计过程如图1所示，首先从社会需求出发，由需求反向设计培养目标，再以培养目标为导向决定毕业要求，再根据毕业要求确定课程体系，最后通过正向实施达到最终成果，以闭环的形式实现教育目标与结果相统一。同时，课程体系中每一门课程的教学目标覆盖对应的毕业要求，教学内容和教学方法支撑教学目标，教学评价考察教学目标的达成情况和学生的学习成果。通过这一系列反馈来检验各个教学环节之间的支撑效果，并据此持续不断地改进教学过程，最终实现所制定的培养目标和毕业要求。

鉴于传统的计算机组成原理课程教学存在的问题，结合该课程的专业特点，提出以OBE为指导思想的以学生为教学主体的混合式教学模式，该教学模式改变传统纯线下授课，突出运用网络教学平台与网络教学资源的优势，迎合当下时代的科技趋势以及课程特色，即利用网络平台将在线教学与传统教学进行有机结合，教师更多充当指导者，学生则是自主学习者，同时保持传统教学模式的优点，同样注重师生互动、生生互动。

学生学习情况将考核贯穿教学全过程，主要分为线上课前预习、线下课堂互动以及课后实践反馈三大环节。课前以教师整合挑选发布在线上平台的教学视频、教学课件为主，要求学生自主学习并且整合自己的学习情况;在线下课堂时教师则需要根据学生的预习情况进行相应的教学知识点的侧重于与教学活动组织的灵活调整，但大多数需要在课前即准备好相应的教案;而在课后的实践反馈环节，教师更多以督导的身份参与，关注追踪学生的知识掌握情况，学生在课后需完成老师布置的相关作业，以此完成课程考核的要求，以上的课前预习、线下课堂活动以及课后作业都是对于学生平时成绩的重要考核项目。基于OBE理念的混合式教学模式设计如图2所示。

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图2  混合式教学模式设计

4 结合OBE理念的混合式教学改革

4.1 教学内容改革

计算机组成原理课程的教学目的是使学生能够熟悉计算机硬件结构以及各功能部件的工作原理，掌握计算机的运作过程以及各部分之间的联系，建立起整机的概念。如今计算机硬件的更新换代频率较快，为实现计算机组成原理的教学目标，教师必须与时俱进，根据学生的专业和特点对教材的教学内容进行适当的删减和扩充，在突出重点的同时根据不断变化的新形式补充新知识，让学生了解到最新的计算机硬件前沿动态。通过不断增强教学内容的实时性和先进性，既能激发学生对该课程的探索兴趣，又紧密联系计算机专业的发展，帮助学生找到自己今后培养的方向。此外，教师应在讲授课程内容前开展思政教育活动，挖掘该课程的思政元素，选择与我国当前硬件行业发展有密切联系的知识作为结合点，体现学生爱国、敬业、诚信、友善的社会主义核心价值观，促使思政内容与计算机组成原理课程有机融合，培养学生的求真务实精神和团队协作能力。与此同时，任课老师需要把握好各专业课程之间的内在联系，引导学生梳理计算机组成原理内容与前导和后继课程内容的知识脉络，明确计算机组成原理在整个计算机结构体系中的重要地位，提高学生对该课程的重视程度。通过不同学科之间的交叉渗透，帮助学生更好地理解和应用理论知识，让学生明白课程内容具有实际应用。

4.2 教学方式改革

目前，大多数高校的计算机组成原理课程的授课方式还是采用传统教学，以教师讲解作为教学过程的中心，学生被动接受知识输入，在课堂上教师没有较充足的时间组织学生针对知识点进行深入地讨论交流，也无法对所学内容展开实际的教学反馈活动，学生因此在课堂上的参与度不高，学生学习的积极性和主动性受限，同时学生在课后对于知识点的复习回顾不足，对知识点掌握零散且不够扎实。

传统的课堂授课模式只关注到课堂短短的授课时间，而忽略了知识点讲解前的预习与课后的复习，此种教学方式没有最大限度地发挥教学资源的作用，课后对于学生的知识点掌握程度跟进未落实到位。要切实提高学生的学习效果，需改变传统教学方式，将“以教为中心”转变为“以学为中心”，基于OBE理念，以学生的学习成果为导向，基于问题确定教学内容并进行教学活动的组织[9]。教师作为引导者实现参与式教学，学生作为自主学习者，由被动接受转变为主动学习，培养锻炼学生成为课堂教学的主体，从“课前-课堂中-课后”三个教学阶段入手，注重学生学习过程的效果反馈，如以学生课前预习的知识盲点整集作为教师线下课堂授课的重点教学内容等。如表1所示为计算机组成原理存储器章节所确定的教学主体内容。

4.2.1 学生课前自主学习

基于OBE理念的教学模式开展要求学生在课前提前进行知识点的学习，对自身自主学习的情况进行大致的清扫，将知识盲点进行整合，在此过程中老师需要在超星学习通、微信、腾讯会议等线上平台上发布教学资源，注重发挥教师的专业性，根据专业特色整合多方教学资源，包括导学视频、教学视频、教学课件和课前测试等资源，如表2所示，并且对学生一般于课前的一到两天上传发布。学生进行课前自主学习，不仅要观看上述的教学资源（同类型的资源可以进行选择性学习），通过视频与学案课件了解本节课的学习知识点，同时要完成课前测试题，将课前的成果进行大致梳理整合，教师以学生整体的课前预习情况为背景进行线下课堂教学活动的组织，学生也可以在课堂上获得学习问题的解答。

导学学案、教学视频等资源教师可以根据专业与班级特色需要进行制作，导学学案可以包括阅读教材哪几页的内容、观看哪几个学习视频等，标明哪些知识点是需要了解、理解以及掌握的，教学视频则以本节课的基础知识点为主要内容，其中可以侧重以拓展性问题引发学生的拓展思考，由浅入深，将主要的答疑解惑环节安排在师生互动的线下课堂中。而课前测试的目的是帮助学生对自己的学习成果进行自我检测，明白自己的问题所在，带着问题进行本节课的学习能够达到事半功倍的效果。

以广东第二师范学院计算机学院计算机组成原理课程中主存储器教学为例，课前资源可有教材、中国慕课等，向学生明确发布学习任务以及学生课前思考题，具体任务清单如表3：

4.2.2 线下课堂师生互动、生生互动

在基于OBE理念的计算机组成原理课程的混合式教学模式改革中，教师主要作为教学过程中的指导者，主要任务是指导学生学习。因此教师在线下课堂要注重对教学授课过程的灵活调整，主要针对本节课的重点、难点以及学生在课前预习阶段的问题集合进行教学内容的课堂活动的组织开展，包含知识点的授课、知识点的提问解答、进行课堂测试，同时多形式开展课堂实践活动，如小组课堂讨论、小组实验实践等。