面向OBE的計(jì)算機(jī)硬件類課程實(shí)驗(yàn)改革探索

李潤(rùn)洲 康磊 宋彩利

[摘要]計(jì)算機(jī)硬件類課程的實(shí)踐性強(qiáng)、工程應(yīng)用性強(qiáng)，貫穿整個(gè)計(jì)算機(jī)專業(yè)課學(xué)習(xí)階段，是訓(xùn)練工程思維與培養(yǎng)工程能力的重要手段。面向OBE，從貼近實(shí)際工程環(huán)境，設(shè)置層次遞進(jìn)的工程性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，多個(gè)層次與結(jié)點(diǎn)上的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收與考核方式等方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)改革，并結(jié)合基于二維碼的實(shí)驗(yàn)過程監(jiān)管云平臺(tái)，探索解決實(shí)驗(yàn)環(huán)境有效學(xué)習(xí)、多結(jié)點(diǎn)驗(yàn)收、多層次能力培養(yǎng)、OBE持續(xù)改進(jìn)等問題。

[關(guān)鍵詞]二維碼;OBE;計(jì)算機(jī)硬件類課程;實(shí)驗(yàn)

[中圖分類號(hào)]G642.0

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]2095-3437（2020）03-0098-03

2013年6月，中國(guó)成為《華盛頓協(xié)議》簽約預(yù)備成員國(guó)，2015年6月轉(zhuǎn)為正式成員。《華盛頓協(xié)議》以成果導(dǎo)向教育（Outcomes-Based Education，OBE）為核心理念，是目前國(guó)際化程度最高、最具權(quán)威性的本科工程教育國(guó)際互認(rèn)協(xié)議。不同于本科教學(xué)評(píng)估，國(guó)際等效、目標(biāo)定位、能力導(dǎo)向和持續(xù)改進(jìn)是工程教育專業(yè)認(rèn)證的主要特征，它將本科教育從傳統(tǒng)的工科教育中解放出來，回歸工程教育，以學(xué)生的學(xué)習(xí)和未來的發(fā)展為中心，將關(guān)注點(diǎn)從“教什么”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩W(xué)會(huì)了什么，學(xué)會(huì)做什么”。

這一指導(dǎo)思想將實(shí)踐環(huán)節(jié)擺在重要且突出的位置。計(jì)算機(jī)硬件類課程是計(jì)算機(jī)類相關(guān)專業(yè)課程的重要組成部分，其實(shí)踐性強(qiáng)、工程應(yīng)用性強(qiáng)。該類課程從大學(xué)二年級(jí)的專業(yè)基礎(chǔ)課到硬件類相關(guān)的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），貫穿整個(gè)專業(yè)課學(xué)習(xí)階段，是學(xué)生參與工程實(shí)踐、形成工程思維、獲得工程經(jīng)驗(yàn)的重要手段。致力于服務(wù)西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)和培養(yǎng)應(yīng)用型工程人才的普通地方院校，其硬件類課程實(shí)驗(yàn)可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改革：改善實(shí)驗(yàn)環(huán)境，與實(shí)際工程環(huán)境接軌;按實(shí)驗(yàn)技能、專業(yè)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、工程?xiàng)目能力、設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力層次遞進(jìn)的方式制定課程目標(biāo)，設(shè)置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目;重視實(shí)驗(yàn)（實(shí)踐）過程，改進(jìn)考核制度。同時(shí)，對(duì)于學(xué)生是否完成得好，是否達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，后續(xù)如何改進(jìn)等，著手建設(shè)計(jì)算機(jī)硬件類課程實(shí)驗(yàn)過程監(jiān)管云平臺(tái)（Experiment Process Supervisory Cloud Platform，EPSCP），以解決上述改革實(shí)施中管理與操作碰到的問題，并為課程和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的持續(xù)改進(jìn)提供定量數(shù)據(jù)支持，以改進(jìn)當(dāng)前經(jīng)驗(yàn)型粗放評(píng)價(jià)的不足。

一、面向能力培養(yǎng)的計(jì)算機(jī)硬件類課程實(shí)驗(yàn)改革

計(jì)算機(jī)硬件類課程包括數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理、微機(jī)原理與應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及硬件類課程設(shè)計(jì)和相關(guān)的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）等，實(shí)踐性強(qiáng)、工程應(yīng)用性強(qiáng)，又普遍難懂難學(xué)，因此實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)就成為深入理解工程原理并培養(yǎng)工程能力的主要推手。根據(jù)學(xué)校生源的實(shí)際情況，計(jì)算機(jī)硬件類課程實(shí)驗(yàn)可從以下幾個(gè)方面開展改革與探索。

（一）將實(shí)驗(yàn)過程、成果作為課程考核的主要內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)成果驗(yàn)收

實(shí)驗(yàn)分兩人一組，驗(yàn)收時(shí)對(duì)每組每人進(jìn)行提問，包括設(shè)計(jì)思路、操作方法、階段性及最終成果演示、工程原理等，并將驗(yàn)收成績(jī)作為實(shí)驗(yàn)成績(jī)主要的評(píng)分依據(jù)，使考核形式多元化，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)踐能力、動(dòng)手能力的重視，促進(jìn)其工程能力的培養(yǎng)。同時(shí)，可充分促進(jìn)實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)準(zhǔn)備、問題分析、方案設(shè)計(jì);實(shí)驗(yàn)中測(cè)試和調(diào)試方法手段的掌握，問題的發(fā)現(xiàn)與解決;驗(yàn)收時(shí)對(duì)質(zhì)詢問題進(jìn)行回答、表述、演示，有助于總結(jié)、厘清思路，拓展問題的認(rèn)識(shí)深度。

（二）實(shí)驗(yàn)環(huán)境盡量與實(shí)際工程接軌，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目向?qū)嵱眯钥繑n

過去幾年的內(nèi)涵式建設(shè)與發(fā)展，計(jì)算機(jī)硬件類課程實(shí)驗(yàn)無論是在硬件平臺(tái)、軟件開發(fā)環(huán)境還是實(shí)驗(yàn)教材方面都已經(jīng)能夠跟隨工程應(yīng)用環(huán)境。比如嵌入式系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)課程的“Cortex A9核心芯片+傳感模塊+無線模塊+JDK+Eclipse框架+GNU ARM插件+ARM編譯器+FS-JTAG仿真器+云服務(wù)器”實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠讓學(xué)生學(xué)會(huì)使用較為先進(jìn)的工具與技術(shù)，畢業(yè)后經(jīng)短期培訓(xùn)即可融入實(shí)際工作環(huán)境。同時(shí)考慮計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)工具與技術(shù)快速變化的態(tài)勢(shì)，建立以工程認(rèn)證為促進(jìn)手段，以工程認(rèn)證周期為節(jié)點(diǎn)的軟件環(huán)境升級(jí)更新機(jī)制，解決經(jīng)費(fèi)、投入有限情況下的實(shí)驗(yàn)環(huán)境更新問題。

在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置與設(shè)計(jì)方面，堅(jiān)持可用、實(shí)用、結(jié)合實(shí)際情況的原則。通過將復(fù)雜項(xiàng)目拆分成簡(jiǎn)單分析、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，再組合為綜合實(shí)驗(yàn)，為課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目購(gòu)置少量特定開發(fā)平臺(tái)等手段，使學(xué)生盡早開始工程項(xiàng)目思維的訓(xùn)練。比如將秒表（數(shù)字邏輯）分解為計(jì)數(shù)器、顯示電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，將RISC模型機(jī)（計(jì)算機(jī)組成原理）分解為運(yùn)算器、存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以及四軸飛控教學(xué)系統(tǒng)（嵌入式系統(tǒng)課程與課程設(shè)計(jì)）的購(gòu)置等等。

（三）重視復(fù)雜綜合類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的開放性設(shè)計(jì)

面向OBE，提升學(xué)生學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)度并做到與國(guó)際等效，對(duì)普通地方院校來說不可謂不難。但重視考核與驗(yàn)收的復(fù)雜綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能幫助學(xué)生轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)態(tài)度，增強(qiáng)實(shí)踐能力與工程能力。面向全體學(xué)生的畢業(yè)能力要求，這一類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要重視開放性設(shè)計(jì)，允許學(xué)生在多個(gè)層次上進(jìn)行。一方面幫助低層次學(xué)生理解工程原理與培養(yǎng)基本的應(yīng)用、分析、設(shè)計(jì)能力，另一方面滿足高層次學(xué)生創(chuàng)新能力的發(fā)展要求。以計(jì)算機(jī)組成原理為例，表1給出RISC模型機(jī)的層次化設(shè)計(jì)與能力培養(yǎng)目標(biāo)，其原型采用Verilog描述的全開放設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)難度可從理解實(shí)驗(yàn)原理過渡到完全更新設(shè)計(jì)自己的模型機(jī)，保證學(xué)生在基本原理與實(shí)驗(yàn)技能掌握的基礎(chǔ)上有足夠的創(chuàng)新、拔高空間。

二、基于EPSCP的實(shí)驗(yàn)過程監(jiān)管

上述措施在實(shí)施時(shí)仍碰到一些問題：計(jì)算機(jī)硬件類實(shí)驗(yàn)依賴環(huán)境與場(chǎng)地，其調(diào)試、測(cè)試過程通常又比較耗時(shí)，多個(gè)階段性結(jié)點(diǎn)的逐組逐項(xiàng)驗(yàn)收在當(dāng)前的人員配比與實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)完成有困難;與實(shí)際工程接軌的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工具、參數(shù)、流程繁雜，成為耗費(fèi)學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)間以及影響核心分析、任務(wù)設(shè)計(jì)的主要障礙;學(xué)生完成效果、能力培養(yǎng)達(dá)成度評(píng)價(jià)依據(jù)的數(shù)據(jù)離散孤立，主要采用經(jīng)驗(yàn)型評(píng)價(jià)模式，很難形成有效的反饋及改進(jìn)建議。因此，著手建設(shè)基于二維碼的計(jì)算機(jī)硬件類課程實(shí)驗(yàn)過程監(jiān)管云平臺(tái)EPSCP，利用二維碼在手機(jī)等智能移動(dòng)設(shè)備上的廣泛應(yīng)用，完成實(shí)驗(yàn)簽到，實(shí)驗(yàn)環(huán)境學(xué)習(xí)支持，實(shí)驗(yàn)過程測(cè)查，達(dá)成度評(píng)價(jià)支持等。其體系結(jié)構(gòu)與工作流程如圖1所示。

（一）簽到

由EPSCP簽到系統(tǒng)完成，通過維護(hù)學(xué)生、課程、教師、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)開設(shè)等信息，生成學(xué)生實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相關(guān)的二維碼，用于學(xué)生實(shí)驗(yàn)簽到或開放實(shí)驗(yàn)室使用登記?；诙S碼的簽到系統(tǒng)極大地簡(jiǎn)化了考勤過程，提高了考勤準(zhǔn)確度，解決了冒名簽到以及開放實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)時(shí)間彈性變化下的實(shí)驗(yàn)時(shí)效統(tǒng)計(jì)等問題。

（二）學(xué)習(xí)

與實(shí)際工程環(huán)境接軌的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工具多、更新快、參數(shù)復(fù)雜、流程煩瑣。以數(shù)字邏輯為例，其實(shí)驗(yàn)課是學(xué)生開始專業(yè)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)技能與專業(yè)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ闹匾h(huán)節(jié)。但由于學(xué)生初次接觸EDA技術(shù)、Verilog描述語言、開發(fā)板、Quartus Ⅱ集成開發(fā)環(huán)境，因此他們掌握如何將開發(fā)資源轉(zhuǎn)換為實(shí)際的工程項(xiàng)目就需要多一些引導(dǎo)與學(xué)習(xí)。教材、廠家手冊(cè)等大而全的說明性文檔很難及時(shí)有效解決問題，非操作過程中的講解耗時(shí)費(fèi)力卻效果不彰。

利用EPSCP學(xué)習(xí)系統(tǒng)，可發(fā)布特定專題講解視頻供隨時(shí)查看，更可以依據(jù)以往的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，將常見的問題、易出錯(cuò)的問題、需要強(qiáng)調(diào)的問題等編寫錄制成有針對(duì)性的簡(jiǎn)短操作說明文檔或視頻，發(fā)布到服務(wù)器，生成資源二維碼。學(xué)生登錄簽到系統(tǒng)后，教師下載保存所有二維碼到手機(jī)，或形成打印的條碼本發(fā)給學(xué)生。每個(gè)二維碼都以所描述問題的關(guān)鍵詞命名，針對(duì)具體問題，學(xué)生可根據(jù)關(guān)鍵詞查詢快速定位問題資源，這樣能大大減少實(shí)驗(yàn)平臺(tái)學(xué)習(xí)占用的實(shí)驗(yàn)時(shí)間，解決開放實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)輔導(dǎo)及實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)階段的答疑解惑等問題，充分提高實(shí)驗(yàn)時(shí)效。

（三）測(cè)查

EPSCP的實(shí)驗(yàn)過程測(cè)查系統(tǒng)可用于快速在線實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收與結(jié)果記錄，解決逐組逐項(xiàng)多層次成果驗(yàn)收的時(shí)效性問題，并為達(dá)成度評(píng)價(jià)提供有效數(shù)據(jù)支持。

針對(duì)每個(gè)可驗(yàn)收項(xiàng)（也稱為考核點(diǎn)），EPSCP生成由關(guān)鍵詞命名的考核點(diǎn)二維碼。學(xué)生掃描二維碼后輸入學(xué)號(hào)，就能跳轉(zhuǎn)到驗(yàn)收內(nèi)容頁(yè)面。系統(tǒng)提出驗(yàn)收問題，學(xué)生回答上傳提交，完成驗(yàn)收?？己它c(diǎn)由課程和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目確定，可以是多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中的一項(xiàng)，也可以是大型綜合實(shí)驗(yàn)多個(gè)層次上的階段性驗(yàn)收點(diǎn)，如表1的驗(yàn)收考核內(nèi)容所示。還可依據(jù)其能力培養(yǎng)目標(biāo)劃分為基礎(chǔ)型、應(yīng)用型、創(chuàng)新型三種類別，在能力培養(yǎng)與達(dá)成度評(píng)價(jià)中給予不同的權(quán)重。所有考核點(diǎn)的驗(yàn)收考核內(nèi)容匯集成題庫(kù)，學(xué)生每次登錄時(shí)動(dòng)態(tài)生成驗(yàn)收問題，并設(shè)置時(shí)效性。實(shí)驗(yàn)過程測(cè)查系統(tǒng)的信息結(jié)構(gòu)如表2所示。

（四）統(tǒng)計(jì)

實(shí)驗(yàn)過程中采集的數(shù)據(jù)是實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、內(nèi)容、課程體系、人才培養(yǎng)方案等持續(xù)改進(jìn)的重要依據(jù)。統(tǒng)計(jì)與分析系統(tǒng)可依據(jù)實(shí)驗(yàn)出勤情況、自主實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)等統(tǒng)計(jì)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的總時(shí)長(zhǎng)，確定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置難易程度的合理性;可統(tǒng)計(jì)各工具、環(huán)境等學(xué)習(xí)項(xiàng)目的訪問次數(shù)，確定實(shí)驗(yàn)過程中的主要障礙與困難，必要時(shí)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)手段，或增加單獨(dú)的實(shí)踐環(huán)節(jié)等;可統(tǒng)計(jì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目各考核點(diǎn)的完成時(shí)間、完成率、達(dá)標(biāo)率、時(shí)效性等，以進(jìn)一步分析能力培養(yǎng)是否達(dá)標(biāo)、實(shí)驗(yàn)設(shè)置是否合理、課程學(xué)習(xí)是否有效等。

三、結(jié)語

本研究面向OBE，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件類課程在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置的復(fù)雜綜合性、遞進(jìn)能力培養(yǎng)作用、實(shí)驗(yàn)環(huán)境的實(shí)用性、考核方式的過程性等方面進(jìn)行了改進(jìn)，收到了良好效果。特別是通過綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完成完整工程訓(xùn)練，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情及其投入工程項(xiàng)目的動(dòng)力。同時(shí)考慮到在達(dá)成度評(píng)價(jià)與持續(xù)改進(jìn)實(shí)施中，偏經(jīng)驗(yàn)、定性、離散化考核成績(jī)數(shù)據(jù)支撐的不充分性，因而建設(shè)了EPSCP監(jiān)管云平臺(tái)。計(jì)算機(jī)硬件類課程實(shí)驗(yàn)有比較明顯的優(yōu)點(diǎn)：能極大地減少環(huán)境操作講解學(xué)習(xí)時(shí)間，增多分析、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證時(shí)間，使時(shí)效性顯著提高;實(shí)驗(yàn)考核可細(xì)化到多個(gè)結(jié)點(diǎn)，使得強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)過程的考核成為可能;學(xué)習(xí)驗(yàn)收結(jié)果可統(tǒng)計(jì)、可分析，成為課程目標(biāo)與畢業(yè)要求達(dá)成度評(píng)價(jià)的重要數(shù)據(jù)，也成為課程體系、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目持續(xù)改進(jìn)的重要依據(jù)。但各個(gè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以什么樣的權(quán)重參與評(píng)價(jià)能夠成為持續(xù)改進(jìn)的主要依據(jù)，需要綜合課程目標(biāo)、畢業(yè)要求、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等級(jí)、實(shí)驗(yàn)考核目標(biāo)、完成度等等多維信息，如何獲得滿意的模型還需要多次的嘗試與探索。

[責(zé)任編輯：龐丹丹]