基于OBE理念的計(jì)算機(jī)組成原理混合式教學(xué)實(shí)踐

陳紅葉 鄭衛(wèi)紅

[摘? ? ? ? ? ?要]? 針對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)中存在的問題，結(jié)合學(xué)校專業(yè)建設(shè)的實(shí)際情況，利用OBE理念改造課程內(nèi)容和教學(xué)模式，結(jié)合MOOC課程、BOPPPS教學(xué)設(shè)計(jì)、線上線下混合式教學(xué)模式和基于智慧教學(xué)工具的教學(xué)評(píng)價(jià)等多種元素開展教學(xué)，實(shí)踐表明，其不僅有效提高了課程目標(biāo)達(dá)成度，更激發(fā)了課堂活力，促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維養(yǎng)成，提高了人才培養(yǎng)質(zhì)量。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? OBE;BOPPPS;線上線下混合式;智慧教學(xué)工具

[中圖分類號(hào)]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? [文章編號(hào)]? 2096-0603（2020）27-0196-02

計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，是計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生計(jì)算思維能力培養(yǎng)的基石，包含硬、軟件之間的相互協(xié)同運(yùn)行機(jī)制，與后續(xù)操作系統(tǒng)、編譯原理、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等課程知識(shí)交叉滲透、息息相關(guān)，直接影響著計(jì)算思維能力的培養(yǎng)效果。課程教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)基本原理，深刻理解計(jì)算機(jī)硬件執(zhí)行程序的過程，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)、開發(fā)和使用能力，為未來從事芯片設(shè)計(jì)、體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)開發(fā)等工作奠定基礎(chǔ)。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究很多，在理論教學(xué)方面，廈門大學(xué)將工程教育專業(yè)認(rèn)證與基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式（OBE）相結(jié)合，對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理課程體系、授課模式以及產(chǎn)出評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行重構(gòu)，太原科技大學(xué)利用BOPPPS教學(xué)設(shè)計(jì)開展翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和參與程度。但是，少有課程在教學(xué)理念上利用OBE理念改造課程，在教學(xué)實(shí)施中，結(jié)合MOOC、線上線下混合式設(shè)計(jì)、“互聯(lián)網(wǎng)+教學(xué)評(píng)價(jià)”模式等多種元素，全方位提高課程目標(biāo)達(dá)成度。

浙江科技學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)在2016年首次通過基于OBE理念的中國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證，課程開展了基于OBE 理念的課程改革。但依然存在許多問題，如：教學(xué)內(nèi)容抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高;理論學(xué)時(shí)少，教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度不高;實(shí)驗(yàn)教學(xué)中半數(shù)為驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)型和綜合型實(shí)驗(yàn)開設(shè)不夠;過程性考核不足，持續(xù)改進(jìn)缺少數(shù)據(jù)支撐。近兩年來，課程團(tuán)隊(duì)結(jié)合MOOC和智慧教學(xué)工具開展啟發(fā)式、研討式、翻轉(zhuǎn)課堂模式教學(xué)，在改善教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)，更激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性。

一、基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式

OBE（Outcomes-based Education）是被國(guó)際教育界廣泛認(rèn)可的教育理念，尤為適合計(jì)算機(jī)等工程類專業(yè)。首先，比起傳統(tǒng)的“以教師為主”的教育模式，OBE理念的核心首先是以學(xué)生為中心，課程體系上遵循逆向設(shè)計(jì)的原則，以學(xué)生畢業(yè)五年后可以達(dá)到的培養(yǎng)目標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定畢業(yè)要求，明確課程為支持畢業(yè)要求達(dá)成而應(yīng)具有的目標(biāo)、內(nèi)容、教學(xué)方法和手段;其次，以學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，教師為幫助學(xué)生達(dá)到預(yù)期的學(xué)習(xí)成果，正向開展教與學(xué)的過程，尤其評(píng)價(jià)體系重在學(xué)生表現(xiàn)，更關(guān)注過程化考核和形成性評(píng)價(jià)。再次，持續(xù)改進(jìn)不僅是一種機(jī)制，更是一種質(zhì)量文化，課程必須對(duì)自身在標(biāo)準(zhǔn)要求的各個(gè)方面存在的問題具有明確的認(rèn)識(shí)和信息獲取的途徑，設(shè)計(jì)明確、可行的改進(jìn)機(jī)制和措施，跟蹤改進(jìn)之后的效果并收集信息用于下一步的再改進(jìn)。

二、基于OBE理念的計(jì)算機(jī)組成教學(xué)改革實(shí)踐

課程改革主要以學(xué)生為中心重塑教學(xué)內(nèi)容;教學(xué)環(huán)節(jié)中開展以成果為導(dǎo)向的MOOC+BOPPPS線上線下混合式的教學(xué)模式改革;評(píng)價(jià)機(jī)制上采用互聯(lián)網(wǎng)+手段進(jìn)行過程評(píng)價(jià)，通過雙向反饋，促進(jìn)課程持續(xù)改進(jìn)。

（一）以學(xué)生為中心的教學(xué)內(nèi)容改革

分析課程對(duì)學(xué)生畢業(yè)要求的貢獻(xiàn)度，明確課程目標(biāo)：（1）理解計(jì)算機(jī)部件的組成與功能從而能對(duì)實(shí)際工程問題開展硬件設(shè)計(jì);（2）能運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)工具查閱資料，進(jìn)行方案分析;（3）能根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，深化設(shè)計(jì)方案，開展實(shí)驗(yàn)并分析報(bào)告;（4）能通過自主學(xué)習(xí)形成課程知識(shí)體系，建立終身學(xué)習(xí)的意識(shí)。

確定各知識(shí)點(diǎn)對(duì)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的支撐，并選擇合適的教學(xué)方法與過程評(píng)測(cè)方法。

（二）以成果為導(dǎo)向的MOOC+BOPPPS線上線下混合式的教學(xué)模式

隨著融媒體時(shí)代的到來，基于MOOC的混合式教學(xué)日益成為一種顛覆性的教育教學(xué)模式。近年來，以有效課堂教學(xué)為特長(zhǎng)的BOPPPS教學(xué)法也愈發(fā)顯現(xiàn)出其強(qiáng)大的實(shí)踐價(jià)值。BOPPPS是溫哥華大學(xué)的Douglas Kerr遵循教育學(xué)中“人的認(rèn)知理論”提出的一種增強(qiáng)師生互動(dòng)的閉環(huán)教學(xué)模式。該教學(xué)模式遵循“教學(xué)目標(biāo)→教學(xué)行為→學(xué)習(xí)活動(dòng)→教學(xué)評(píng)估→教學(xué)目標(biāo)”的循環(huán)過程，將課程知識(shí)點(diǎn)按照六個(gè)要素遞進(jìn)的原則貫穿于整個(gè)教學(xué)過程，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)學(xué)生全方位參與和學(xué)生學(xué)習(xí)信息情況反饋，并以此不斷調(diào)整、改善后續(xù)課程的教學(xué)設(shè)計(jì)活動(dòng)。BOPPPS六要素具體包括引入（Bridge-in）、目標(biāo)（Objective）、前測(cè)（Pre-assessment）、參與式學(xué)習(xí)（Participatory Learning）、后測(cè)（Post-assessment）、總結(jié)（Summary）。經(jīng)過在北美等地區(qū)的多年實(shí)際應(yīng)用，已被多次證明是一種有效的教學(xué)方法。

在本課程的教學(xué)中，從BOPPPS模型的六步走原則出發(fā)，在混合式教學(xué)過程中加入項(xiàng)目流程的跟進(jìn)、參與式互動(dòng)、趣味前測(cè)、梯度后測(cè)等創(chuàng)新型教學(xué)手段等，通過教學(xué)實(shí)踐逐漸形成一套行之有效的線上線下相結(jié)合的混合式課程教學(xué)新范式。具體而言，就是基于MOOC平臺(tái)開展課程混合式教學(xué)，依照BOPPPS教學(xué)法對(duì)教學(xué)過程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將教學(xué)內(nèi)容按知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行分解并合理分配于課堂內(nèi)外，強(qiáng)化學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，強(qiáng)化理論知識(shí)在解決實(shí)際問題中的應(yīng)用。其具體教學(xué)流程設(shè)計(jì)如下圖所示。

（三）“互聯(lián)網(wǎng)+”手段融合課堂教學(xué)的持續(xù)改進(jìn)策略

課堂教學(xué)，互動(dòng)為魂。遵循BOPPPS教學(xué)模式層層交互的特點(diǎn)，在學(xué)習(xí)過程中引入不同形式的測(cè)評(píng)和反饋并計(jì)入平時(shí)成績(jī)。通過引入智慧教學(xué)工具，課前布置預(yù)習(xí)任務(wù)，觀看視頻或分組討論;課中通過課堂簽到、提問、前測(cè)、后測(cè)等教學(xué)元素，開展課堂互動(dòng)，及時(shí)了解學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)，檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果;課后通過答疑、作業(yè)和階段性測(cè)試加強(qiáng)知識(shí)的深化，并精確統(tǒng)計(jì)和分析測(cè)試結(jié)果，對(duì)測(cè)試不合格的知識(shí)點(diǎn)或調(diào)研困難的部分進(jìn)入到查漏補(bǔ)缺環(huán)節(jié)。所有的互動(dòng)數(shù)據(jù)自動(dòng)形成過程學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，加強(qiáng)學(xué)習(xí)質(zhì)量監(jiān)控，及時(shí)調(diào)整教學(xué)方法和手段。

三、教學(xué)設(shè)計(jì)案例

以計(jì)算機(jī)組成中加法器的構(gòu)成為例，采用BOPPPS模式開展教學(xué)設(shè)計(jì)，并結(jié)合MOOC和PPT學(xué)習(xí)、智慧教學(xué)工具，開展課堂教學(xué)。

（一）教學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.學(xué)情分析：專業(yè)學(xué)生，學(xué)習(xí)興趣較濃，具有計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)、編程基礎(chǔ)和數(shù)理基礎(chǔ)。

2.教學(xué)內(nèi)容：一位全加器的邏輯設(shè)計(jì)，四位串行、并行加法器構(gòu)成與進(jìn)位分析。

3.教學(xué)時(shí)長(zhǎng)：課外2學(xué)時(shí)，課內(nèi)1學(xué)時(shí)。

4.重難點(diǎn)：全加器的邏輯電路生成過程，超前進(jìn)位加法器的生成原理和延時(shí)分析。

5.教學(xué)方法：采用線上線下混合式教學(xué)方法，結(jié)合MOOC學(xué)習(xí)和課堂授課;采用參與式教學(xué)，通過分組設(shè)計(jì)課堂匯報(bào)的形式組織;采用案例教學(xué)方法，通過導(dǎo)入案例“設(shè)計(jì)一個(gè)四位加法器”，讓學(xué)生完成加法器分析、設(shè)計(jì)、進(jìn)位分析等全過程。

6.教學(xué)工具：MOOC平臺(tái)、慕課堂、學(xué)習(xí)通等智慧App。

（二）教學(xué)過程設(shè)計(jì)

1.課前學(xué)習(xí)與討論

以MOOC平臺(tái)中發(fā)布的微課視頻學(xué)習(xí)（10分鐘）為主，介紹學(xué)習(xí)目標(biāo)，學(xué)習(xí)一位全加器的構(gòu)成，從問題真值分析到邏輯表達(dá)式推導(dǎo)到邏輯電路圖生成，提出問題：如何構(gòu)造四位全加器？學(xué)生分組討論，得出問題的關(guān)鍵在于解決進(jìn)位問題，提出一定的解決方案，準(zhǔn)備課堂匯報(bào)。（40分鐘）

2.課堂BOPPPS教學(xué)

（1）導(dǎo)入（8分鐘）。導(dǎo)入案例“設(shè)計(jì)一個(gè)四位加法器”，帶領(lǐng)學(xué)生回顧數(shù)字邏輯中的邏輯關(guān)系、邏輯運(yùn)算、表達(dá)式化簡(jiǎn)等基本前導(dǎo)知識(shí)，提問如何設(shè)計(jì)半加器、一位全加器？通過不斷的疑問吸引學(xué)生的注意力，導(dǎo)入課程主題。

（2）學(xué)習(xí)目標(biāo)（2分鐘）。描述本次課的學(xué)習(xí)目標(biāo)，能夠理解和設(shè)計(jì)四位加法器，讓學(xué)生了解學(xué)習(xí)的重難點(diǎn)。

（3）前測(cè)（5分鐘）。通過慕課堂發(fā)布前測(cè)，檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握程度。

（4）參與式學(xué)習(xí)（25分鐘）。根據(jù)學(xué)生課前討論的情況，利用慕課堂隨機(jī)選擇2組分別介紹串行加法器和并行加法器的構(gòu)成。通過師生互動(dòng)，得出并行加法器的電路圖。

（5）后測(cè)（5分鐘）。方式與前測(cè)相同，圍繞教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)強(qiáng)調(diào)和解答疑惑。后測(cè)結(jié)果也算入平時(shí)考核成績(jī)中。

（6）總結(jié)歸納，延展思考（5分鐘）。通過構(gòu)建知識(shí)點(diǎn)框架，使得學(xué)生對(duì)全加器的構(gòu)成有一個(gè)整體認(rèn)識(shí)，理解知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián);延展出兩個(gè)問題：一是如何以四位加法器為核心構(gòu)造一個(gè)四位運(yùn)算器（還需要什么部件）。二是如何以四位加法器為基礎(chǔ)構(gòu)造8位、16位、32位的加法器，激發(fā)學(xué)生思維的主動(dòng)性。最后布置作業(yè)：如何利用四位全加器構(gòu)造一個(gè)BCD加法器？（課外1學(xué)時(shí)）

3.教學(xué)成效

一個(gè)學(xué)期的教學(xué)以來，通過調(diào)查、中期學(xué)生反饋、統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)等，教學(xué)改革有明顯成效。從知識(shí)鏈構(gòu)建角度，按照知識(shí)獲取、知識(shí)生成、知識(shí)內(nèi)化到知識(shí)產(chǎn)出的完整體系構(gòu)建的線上學(xué)習(xí)資源，促進(jìn)了線下課堂教學(xué)從“要我學(xué)”到“我要學(xué)”的轉(zhuǎn)變，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力獲得了提升。調(diào)查顯示，幾乎所有學(xué)生都喜歡MOOC平臺(tái)上的微課、PPT、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)等資源，88.4%的學(xué)生喜歡課堂中發(fā)布的前測(cè)和后測(cè)，對(duì)獲得的及時(shí)反饋表示滿意，從學(xué)生前測(cè)與后測(cè)（部分）的參與率和正確率可看出學(xué)生課堂的活躍度很高。實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，通過線上學(xué)習(xí)、課外小組討論、分組匯報(bào)方案設(shè)計(jì)以及同伴評(píng)議，最后才在模型機(jī)上實(shí)現(xiàn)的學(xué)習(xí)流程，有效地推動(dòng)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)到設(shè)計(jì)型和綜合型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的轉(zhuǎn)變，有的學(xué)有余力的分組還進(jìn)行了多方案的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。從期末成績(jī)上，優(yōu)秀率提高了5.2%，及格率提高了12.5%。

本文利用OBE理念改造計(jì)算機(jī)組成課程內(nèi)容和教學(xué)模式，以學(xué)生為中心開展線上線下混合式教學(xué)。線上建設(shè)MOOC課程，提供豐富課程資源，提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，線下開展BOPPPS教學(xué)設(shè)計(jì)和基于智慧教學(xué)工具的教學(xué)評(píng)價(jià)等多種元素開展教學(xué)，實(shí)踐表明，不僅有效提高了課程目標(biāo)達(dá)成度，更激發(fā)了課堂活力，促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維的養(yǎng)成，提高了人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]張海英.基于OBE理念的《計(jì)算機(jī)組成原理》課程改革[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2018（12）：73-75.

[2]崔永利，林克正，朱素霞，等.基于MOOC理念的計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)研究[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2018（299）：87-93.

[3]張睿，張永梅等，基于互聯(lián)網(wǎng)+BOPPPS的計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)探索與實(shí)踐[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2019（5）：133-135.

[4]張銘泉，程曉榮.以能力培養(yǎng)為目標(biāo)的計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)研究[J].教育教學(xué)論壇，2019（11）：221-222.

[5]楊麗，于為，李曉紅.BOPPPS模型在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)踐[J].大學(xué)校教育，2017（4）：15-17.

[6]曹丹平.加拿大BOPPPS教學(xué)模式及其對(duì)高等教育改革的啟示[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016，35（2）：196-200.

編輯 原琳娜