三支決策與OBE結(jié)合的計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)探究

趙松 邊奕心 王洪俠 王遠(yuǎn)志

摘 要：針對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，將三支決策理論引入計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)領(lǐng)域，結(jié)合基于成果導(dǎo)向的教育模式（OBE），提出了三支決策和OBE相結(jié)合的計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)模式（TWD-OBE）。將本科階段計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)過(guò)程分為認(rèn)知、提升和綜合3個(gè)階段，分別對(duì)應(yīng)課堂教學(xué)、課程設(shè)計(jì)和國(guó)家級(jí)CPU設(shè)計(jì)大賽。在對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)的基礎(chǔ)上，將MOOC資源分布到3個(gè)階段中。在計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)中采用這種循序漸進(jìn)的方式傳授知識(shí)和技能，使學(xué)生具備設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜模型的能力。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)組成原理;三支決策;OBE;MOOC

DOI：10. 11907/rjdk. 191965 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號(hào)：G434文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2020）002-0195-03

英標(biāo)：Research on the Computer Organization by Combining Three-way Decision and OBE

英作：ZHAO Song， BIAN Yi-xin， WANG Hong-xia， WANG Yuan-zhi

英單：（School of Computer Science and Information Engineering， Harbin Normal University， Harbin 150025， China）

Abstract： In order to resolve the problems in the teaching process of computer organization， a new teaching pattern of computer organization was proposed in this paper by combining the theory of three-way decision and the outcome-based？education model （OBE）. The teaching process of computer organization in undergraduate period is divided into three stages： cognition stage， improvement stage and comprehensive stage， which correspond to classroom teaching step， course design step and the step of national CPU design competition respectively. On the basis of the reconstruction of teaching contents， MOOC resources are distributed into these stages to gradually cultivate the knowledge and skills of computer organization. The purpose of this teaching pattern is to make the undergraduates develop the ability of designing and implementing complex model machines.

Key Words： computer organization; three-way decision; OBE; MOOC

0 引言

作為計(jì)算機(jī)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(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(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和使用能力[1]，為未來(lái)從事芯片設(shè)計(jì)、體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等工作奠定基礎(chǔ)[2]?！爸信d事件”和“華為事件”的發(fā)生，使企業(yè)認(rèn)識(shí)到必須自己掌握核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)芯片自主開(kāi)發(fā)，而要達(dá)成這一目標(biāo)，相關(guān)人才培養(yǎng)是關(guān)鍵。持續(xù)推進(jìn)基于OBE 理念的課程改革，培養(yǎng)硬件開(kāi)發(fā)人才，在新時(shí)代具有重要意義。

為提高計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)效果，許多高校進(jìn)行了各種嘗試。在中國(guó)知網(wǎng)的主題搜索框中輸入“計(jì)算機(jī)組成原理”，獲得1 107條搜索結(jié)果（截至2019年5月25日），從多角度或結(jié)合多種理論對(duì)課堂教學(xué)或?qū)嶒?yàn)教學(xué)方法進(jìn)行了探索。在理論教學(xué)方面，廈門(mén)大學(xué)[2]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);哈爾濱理工大學(xué)[3]將MOOC應(yīng)用于計(jì)算機(jī)組成原理課程建設(shè)，以提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力;華北電力大學(xué)[4]將能力培養(yǎng)融入到計(jì)算機(jī)組成原理課堂教學(xué)中，為教學(xué)模式研究提供新思路。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究方面，南京郵電大學(xué)[5]使用國(guó)產(chǎn)龍芯開(kāi)源CPU的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生動(dòng)手設(shè)計(jì)真實(shí)處理器，以此提升計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)水平。盡管OBE理念已經(jīng)在教學(xué)領(lǐng)域得到廣泛認(rèn)可，但將其用于計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)的研究卻很少。本文將科研領(lǐng)域的三支決策理論與OBE理念相結(jié)合，提出三支決策和OBE相結(jié)合的計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)模式（TWD-OBE）。

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)[6]。與傳統(tǒng) “以教為主”的教育模式相比，OBE倡導(dǎo)“以學(xué)為主”。學(xué)生作為主角，通過(guò)學(xué)習(xí)獲得專業(yè)技能，而作為配角的教師則通過(guò)組織和促進(jìn)教學(xué)活動(dòng)展開(kāi)，引領(lǐng)、輔導(dǎo)學(xué)習(xí)活動(dòng)[7]。

哈爾濱師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院在計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)過(guò)程中存在諸多問(wèn)題，歸納如下：①理論教學(xué)學(xué)時(shí)不夠，僅有大二下學(xué)期54學(xué)時(shí)的理論課程，學(xué)習(xí)效果不理想，大部分學(xué)生沒(méi)有達(dá)到教學(xué)目標(biāo)要求;②仍采用比較老舊的實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生在這些落后的設(shè)備上進(jìn)行驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，不足以支撐后續(xù)的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。由此導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中普遍做不出教師布置的題目，與OBE將知識(shí)轉(zhuǎn)化為能力的要求相距甚遠(yuǎn)。

為解決以上問(wèn)題，本文將科研領(lǐng)域的“三支決策”思想引入計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)領(lǐng)域，將本科階段教學(xué)過(guò)程分為認(rèn)知階段、提升階段和綜合階段，分別對(duì)應(yīng)課堂教學(xué)、課程設(shè)計(jì)和國(guó)家級(jí)CPU設(shè)計(jì)大賽，通過(guò)MOOC資源將三者結(jié)合為一個(gè)整體。

1 三支決策

三支決策理論（Three-way decision）是加拿大華人學(xué)者Yao[8]于2010 年首次提出的。三支決策誕生于粗糙集研究過(guò)程，后來(lái)逐漸演變?yōu)橐环N解決問(wèn)題的思維模式。這種模式主要是用三種思維求解復(fù)雜問(wèn)題，具體表現(xiàn)為以三為本、基三思維、依三而治，既包含了“一分為三”，也包含了“三合為一”。隨著三支決策研究的發(fā)展，其應(yīng)用研究也逐漸滲透到不同領(lǐng)域，許多學(xué)者已將這種思想轉(zhuǎn)換為一個(gè)理論系統(tǒng)、信息處理模式和計(jì)算方法[9]，用于解決不同應(yīng)用領(lǐng)域問(wèn)題，取得了良好效果。

2 三支決策與OBE相結(jié)合的教學(xué)模式

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)組成原理授課模式主要是教師講授學(xué)生接受，實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)采用的設(shè)備也較陳舊，驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)學(xué)生完成度比較理想，但設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)絕大部分學(xué)生做不出來(lái)，而“綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)原理知識(shí)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)較為完整的計(jì)算機(jī)”是對(duì)學(xué)生的基本能力要求。

為使學(xué)生達(dá)到課程要求的能力，根據(jù)OBE理念定義：“教育系統(tǒng)中的每一項(xiàng)活動(dòng)設(shè)計(jì)都應(yīng)基于最終的學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)成果”[10]，本文將三支決策理論應(yīng)用于本科階段計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)，提出三支決策和OBE相結(jié)合的計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)模式（TWD-OBE），如圖1所示。該模式將本科階段教學(xué)過(guò)程分為認(rèn)知階段、提升階段和綜合階段，分別對(duì)應(yīng)課堂教學(xué)、課程設(shè)計(jì)和國(guó)家級(jí)CPU設(shè)計(jì)大賽，3個(gè)環(huán)節(jié)均采用MOOC資源或線上資源，通過(guò)線上資源將三者“三合為一”。循序漸進(jìn) “磨煉”學(xué)生的計(jì)算機(jī)組成原理知識(shí)和技能，使其具備教學(xué)目標(biāo)要求的能力。

2.1 認(rèn)知階段課堂教學(xué)

2.1.1 學(xué)習(xí)內(nèi)容

課堂教學(xué)是學(xué)習(xí)過(guò)程的認(rèn)知階段，是學(xué)生從對(duì)計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)完全“陌生”到“熟識(shí)”的過(guò)程。這個(gè)階段學(xué)習(xí)內(nèi)容見(jiàn)表1?；纠碚撆c實(shí)踐內(nèi)容為：計(jì)算機(jī)組成原理之機(jī)器、計(jì)算機(jī)組成原理之?dāng)?shù)字、計(jì)算機(jī)組成原理之CPU和與之配套的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)。教學(xué)模式采用課前預(yù)習(xí)+課堂教學(xué)+課后作業(yè)的形式完成。首先，任課教師選取線上內(nèi)容，讓學(xué)生做好課前預(yù)習(xí)，這部分內(nèi)容采用中國(guó)大學(xué)MOOC上哈工大的計(jì)算機(jī)組成原理課程;然后，在課堂教學(xué)活動(dòng)中采用雨課堂教學(xué)工具進(jìn)行提問(wèn)和練習(xí)，快速獲取反饋結(jié)果，并針對(duì)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行講解和輔導(dǎo);最后，將作業(yè)通過(guò)雨課堂工具發(fā)送給學(xué)生，學(xué)生按時(shí)完成作業(yè)。學(xué)習(xí)者可根據(jù)自身對(duì)知識(shí)的掌握程度參加線上小測(cè)試、期中和期末考試。通過(guò)線上學(xué)習(xí)和考試后可以獲得該課程學(xué)習(xí)合格證。學(xué)生線上成績(jī)作為任課教師期末評(píng)分依據(jù)，最終的期末考試學(xué)生一樣參加，由任課教師評(píng)定成績(jī)。

2.1.2 考核方式

根據(jù)計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)、考試大綱和計(jì)算機(jī)硬件課程類型及特點(diǎn)，課程考核內(nèi)容應(yīng)從知識(shí)、能力、素質(zhì)3方面著手，同時(shí)兼顧學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)等指標(biāo)[11]。

傳統(tǒng)考核的過(guò)程性評(píng)價(jià)和終結(jié)性評(píng)價(jià)比例是5∶5，但加入雨課堂和MOOC內(nèi)容后，學(xué)生的過(guò)程性學(xué)習(xí)內(nèi)容增加，為了更加客觀地評(píng)定學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)，突出學(xué)習(xí)過(guò)程的重要性，需增加過(guò)程性評(píng)價(jià)比重，過(guò)程性評(píng)價(jià)與終結(jié)性評(píng)價(jià)成績(jī)比例變?yōu)槭?∶4。其中過(guò)程考核成績(jī)由課堂表現(xiàn)、學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)和實(shí)驗(yàn)3個(gè)部分構(gòu)成，占總成績(jī)的60%;終結(jié)性評(píng)價(jià)的期末考試占40%，由任課教師評(píng)定，各部分內(nèi)容所占比例及說(shuō)明見(jiàn)表2。

如表2所示，第一部分課堂表現(xiàn)由提問(wèn)+課堂討論的形式構(gòu)成，學(xué)生以小組為單位，提問(wèn)內(nèi)容是學(xué)生課前預(yù)習(xí)部分，對(duì)有疑問(wèn)或回答不準(zhǔn)確的部分先進(jìn)行組內(nèi)和組間討論，然后由教師進(jìn)行講解和輔導(dǎo)，這部分成績(jī)占總成績(jī)的5%;第二部分學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)由測(cè)驗(yàn)+在線討論+作業(yè)3部分構(gòu)成。其中隨堂測(cè)驗(yàn)占10%，作業(yè)占10%，均由雨課堂平臺(tái)記錄成績(jī)。在線討論占5%，由MOOC平臺(tái)記錄成績(jī);第三部分實(shí)驗(yàn)，由于線上平臺(tái)沒(méi)有涉及，所以學(xué)生需在實(shí)驗(yàn)室完成，共占30%，成績(jī)由任課教師評(píng)定。

2.2 提升階段課程設(shè)計(jì)

課程設(shè)計(jì)通常在組成原理教學(xué)結(jié)束后進(jìn)行，屬于設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生能力要求比較高。從實(shí)際情況看，絕大部分學(xué)生不能很好地完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，缺乏硬件設(shè)計(jì)能力，達(dá)不到OBE模式要求。針對(duì)這種情況對(duì)課程設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)：在技術(shù)上采用Vivado設(shè)計(jì)套件，并引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)東南大學(xué)的Vivado MOOC線上課程。

課程設(shè)計(jì)開(kāi)始前兩周指定學(xué)習(xí)Vivado的MOOC內(nèi)容，學(xué)生也可依據(jù)自身實(shí)際選擇其它MOOC內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)。課程設(shè)計(jì)開(kāi)始后，教師根據(jù)學(xué)生的任務(wù)完成度打分，其中完成表1所示課程設(shè)計(jì)前兩項(xiàng)任務(wù)的為及格，完成前4項(xiàng)任務(wù)的為良好，完成所有任務(wù)的為優(yōu)秀。優(yōu)秀學(xué)生有資格參加應(yīng)屆“龍芯杯”全國(guó)大學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)大賽。

2.3 綜合階段全國(guó)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力大賽

將科技競(jìng)賽融入教學(xué)，這種改革模式不僅能為科技競(jìng)賽提供理論指導(dǎo)，還可提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，使理論和實(shí)踐聯(lián)系更緊密，提高教學(xué)質(zhì)量[12]?！褒埿颈比珖?guó)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力大賽是由教育部計(jì)算機(jī)類教指委發(fā)起的全國(guó)性大賽，是計(jì)算機(jī)硬件類最高級(jí)別比賽，其目的是提升學(xué)生以CPU為核心的系統(tǒng)設(shè)計(jì)想象力、創(chuàng)新力和工程實(shí)踐能力[13]，是OBE理念對(duì)本科階段硬件課程的最高要求。

對(duì)課程設(shè)計(jì)中成績(jī)優(yōu)秀的學(xué)生，教師可指定其學(xué)習(xí)相關(guān)MOOC內(nèi)容和大賽培訓(xùn)視頻，學(xué)習(xí)內(nèi)容如表1所示。對(duì)于其它學(xué)生采取自愿方式，對(duì)有學(xué)習(xí)要求的學(xué)生，任課教師安排其與參賽同學(xué)學(xué)習(xí)相同內(nèi)容。

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出的三支決策和慕課相結(jié)合的計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)模式（TWD-OBE），將教學(xué)、課程設(shè)計(jì)和國(guó)家級(jí)CPU設(shè)計(jì)大賽通過(guò)MOOC資源整合為一個(gè)整體，階梯式地提升學(xué)生計(jì)算機(jī)硬件知識(shí)和技能，不僅要求學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)硬件的核心知識(shí)，而且要將知識(shí)轉(zhuǎn)化為能力，具備復(fù)雜模型機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)能力。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）