基于OBE理念的計(jì)算機(jī)組成原理翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式創(chuàng)新研究

摘要：基于工程教育專業(yè)認(rèn)證中的OBE教學(xué)理念，依據(jù)計(jì)算機(jī)組成原理的課程特點(diǎn)，針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式下計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)模式單一、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣缺乏等問(wèn)題，從棗莊學(xué)院的實(shí)際學(xué)情出發(fā)，研究翻轉(zhuǎn)課堂的創(chuàng)新教學(xué)模式。該研究對(duì)課中的學(xué)生小組編排和驗(yàn)收考核方式進(jìn)行創(chuàng)新，旨在調(diào)動(dòng)全體學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，從而避免學(xué)生偷懶、搭便車的現(xiàn)象。同時(shí)，對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理的理論課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)模式進(jìn)行全面創(chuàng)新，以提高應(yīng)用型人才的培養(yǎng)質(zhì)量，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。

關(guān)鍵詞：OBE理念；計(jì)算機(jī)組成原理；翻轉(zhuǎn)課堂

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）23-0168-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

工程教育專業(yè)認(rèn)證是國(guó)際通行的工程教育質(zhì)量保障制度，在實(shí)現(xiàn)教育和師資國(guó)際互認(rèn)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用[1-2]。它突出以產(chǎn)出為導(dǎo)向的教學(xué)目標(biāo)，以學(xué)生收獲、畢業(yè)達(dá)成情況為中心，并強(qiáng)調(diào)持續(xù)改進(jìn)的培養(yǎng)質(zhì)量。工程教育認(rèn)證是未來(lái)工程教育質(zhì)量評(píng)價(jià)的發(fā)展趨勢(shì)，教育質(zhì)量的提升迫切要求高校專業(yè)課程做出更多的改革與創(chuàng)新[3]。

計(jì)算機(jī)組成原理是高校計(jì)算機(jī)專業(yè)的核心課程之一，其先修課程包括計(jì)算機(jī)導(dǎo)論、程序設(shè)計(jì)和數(shù)字邏輯等，在此基礎(chǔ)上對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)進(jìn)行拓展[4]，并為后續(xù)課程如計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、嵌入式系統(tǒng)等提供知識(shí)基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)組成原理的教學(xué)內(nèi)容組織如圖1所示。通過(guò)學(xué)習(xí)該課程，學(xué)生可以掌握計(jì)算機(jī)硬件組成和工作原理，建立整機(jī)系統(tǒng)概念[5]。

計(jì)算機(jī)組成原理同時(shí)也是一門公認(rèn)的教學(xué)難度較大的課程。一方面，課程知識(shí)點(diǎn)比較抽象、枯燥，學(xué)生學(xué)習(xí)難度較大；另一方面，對(duì)于地方應(yīng)用型本科院校的學(xué)生而言，硬件基礎(chǔ)薄弱，存在“重軟件輕硬件”的現(xiàn)象，這又進(jìn)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(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生打下堅(jiān)實(shí)的專業(yè)理論基礎(chǔ)，成為計(jì)算機(jī)組成原理課程教師不斷改進(jìn)和創(chuàng)新教學(xué)方法的原動(dòng)力。

課堂教學(xué)在所有教學(xué)方法中占用時(shí)間最多、傳授知識(shí)最集中，因此教師應(yīng)在課堂教學(xué)中構(gòu)建一種“課堂活躍、熱愛(ài)學(xué)習(xí)、善于思考、創(chuàng)新思維”的有效教學(xué)模式。近年來(lái)，為提升學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量，越來(lái)越多的學(xué)者和教師對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理的課程建設(shè)、教學(xué)方法等進(jìn)行了深入研究。汪麗華等人[6]基于OBE對(duì)教學(xué)模式進(jìn)行了改進(jìn)，引入樹(shù)莓派平臺(tái)來(lái)增加教學(xué)內(nèi)容的新穎性和實(shí)用性。寧菲菲等人[7]提出了“對(duì)分”課堂教學(xué)模式，將課堂時(shí)間平分為教師講授和討論交流，以此來(lái)增進(jìn)師生交流和生生交流，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和教學(xué)效果。紀(jì)祿平等人[8]通過(guò)對(duì)教學(xué)內(nèi)容安排和學(xué)生分組管理進(jìn)行有機(jī)融合創(chuàng)新研究，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。盡管教師在計(jì)算機(jī)組成原理的課堂設(shè)計(jì)上投入了大量心血和精力，但基于課程自身的特點(diǎn)和學(xué)生的學(xué)情，最終的學(xué)習(xí)效果仍然差強(qiáng)人意。因此，研究計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)模式創(chuàng)新，對(duì)提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力具有重要意義。

1 計(jì)算機(jī)組成原理傳統(tǒng)課堂教學(xué)存在的問(wèn)題

1.1 學(xué)生對(duì)先修硬件知識(shí)的掌握不夠

數(shù)字電路基礎(chǔ)等硬件課程作為計(jì)算機(jī)組成原理的前導(dǎo)課程，對(duì)學(xué)生理解計(jì)算機(jī)的硬件構(gòu)成以及工作原理起著至關(guān)重要的作用。但這些課程知識(shí)點(diǎn)抽象瑣碎，部分基礎(chǔ)較差的學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高，對(duì)基本的進(jìn)制轉(zhuǎn)換理解起來(lái)有困難，很難真正掌握相關(guān)知識(shí)。前期基礎(chǔ)沒(méi)有打牢，直接導(dǎo)致學(xué)生在后續(xù)計(jì)算機(jī)組成原理的硬件理論學(xué)習(xí)上更加吃力，甚至有的學(xué)生直接放棄課程的學(xué)習(xí)。

1.2 教師在課堂教學(xué)中占主導(dǎo)

隨著科技的發(fā)展，信息化教學(xué)手段也頻頻出現(xiàn)在計(jì)算機(jī)組成原理的課堂教學(xué)中，包括多媒體設(shè)備、計(jì)算機(jī)演示等。雖然這些現(xiàn)代化的輔助工具可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，但課堂上仍以教師講授為主，學(xué)生參與度不高。計(jì)算機(jī)組成原理作為一門介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件構(gòu)成和工作原理的專業(yè)基礎(chǔ)課，其中概念性、原理性和應(yīng)用性知識(shí)點(diǎn)較多，棗莊學(xué)院部分學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)薄弱，聽(tīng)課過(guò)程比較枯燥。即便教師采用先進(jìn)教學(xué)工具以引起學(xué)生注意，提高學(xué)習(xí)興趣，但在以教師講授為中心的傳統(tǒng)課堂中，學(xué)生一旦聽(tīng)不懂產(chǎn)生疑問(wèn)，也只能被動(dòng)跟隨教師節(jié)奏，導(dǎo)致一步跟不上步步跟不上的現(xiàn)象。

1.3 實(shí)驗(yàn)課程方法陳舊簡(jiǎn)單

實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)對(duì)于學(xué)生深入了解計(jì)算機(jī)工作原理至關(guān)重要。目前棗莊學(xué)院計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課程多以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的圖示，對(duì)實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行手工插線，然后通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)和指示燈的亮滅來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這樣的實(shí)驗(yàn)方式學(xué)生自主動(dòng)腦較少，僅依賴簡(jiǎn)單插拔操作難以真正掌握相關(guān)知識(shí)。另外，實(shí)驗(yàn)課程考核方式只根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告確定學(xué)生成績(jī)，不能真正培養(yǎng)學(xué)生解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。甚至有的學(xué)生不懂原理，只根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書抄寫一遍就完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，不符合工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。

2 基于OBE的計(jì)算機(jī)組成原理翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式創(chuàng)新改革

計(jì)算機(jī)組成原理的理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)都有著重要的支撐，因此在對(duì)課堂教學(xué)模式進(jìn)行改革時(shí)，須分別對(duì)理論和實(shí)踐課堂進(jìn)行創(chuàng)新。課程內(nèi)容設(shè)計(jì)以教材與課程目標(biāo)為基礎(chǔ)構(gòu)建，對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行拆分，以指令執(zhí)行為依據(jù)，融合存儲(chǔ)器、輸入輸出系統(tǒng)、運(yùn)算器、控制器為四大支撐點(diǎn)，覆蓋計(jì)算機(jī)組成原理的全部知識(shí)點(diǎn)。

2.1 理論課堂教學(xué)模式創(chuàng)新

在理論教學(xué)中，基于OBE理念將課堂分為課前、課中、課后三個(gè)階段。為了提高學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)積極性，課程組教師設(shè)計(jì)了形式多樣的課前學(xué)習(xí)資源供學(xué)生選擇，如在學(xué)習(xí)通、智慧樹(shù)平臺(tái)錄制了課程內(nèi)容相關(guān)的慕課視頻，提前下發(fā)包含動(dòng)畫、視頻、思考題在內(nèi)的優(yōu)質(zhì)課件以及學(xué)習(xí)任務(wù)單。學(xué)生在自學(xué)過(guò)程中，對(duì)其中的任務(wù)完成情況進(jìn)行自測(cè)，找出問(wèn)題，然后帶著問(wèn)題來(lái)到課堂。在課中教學(xué)階段，教師通過(guò)設(shè)計(jì)小組討論、角色扮演、辯論賽等多樣化的教學(xué)活動(dòng)，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與課堂討論。此外，教師還利用隨機(jī)點(diǎn)名系統(tǒng)，確保每個(gè)學(xué)生都有機(jī)會(huì)表達(dá)自己的觀點(diǎn)，從而提高整體的課堂互動(dòng)性。學(xué)生在聆聽(tīng)教師對(duì)重點(diǎn)難點(diǎn)講解的基礎(chǔ)上，與小組成員進(jìn)行討論，解決課前自學(xué)存在的疑問(wèn)。課后學(xué)生通過(guò)作業(yè)、測(cè)驗(yàn)等多種形式檢驗(yàn)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，教師對(duì)學(xué)生提交的作業(yè)及時(shí)反饋，幫助學(xué)生了解自己的不足并及時(shí)改進(jìn)。課程組建立了有效的教學(xué)反饋機(jī)制，定期或不定期通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查、訪談等方式收集學(xué)生對(duì)教學(xué)的意見(jiàn)和建議。教師對(duì)接收的意見(jiàn)和建議及時(shí)進(jìn)行自我反思，評(píng)估教學(xué)方法的有效性，并根據(jù)反饋進(jìn)行調(diào)整。這種“學(xué)生秀、師生評(píng)”的教學(xué)評(píng)價(jià)模式，最終實(shí)現(xiàn)了線上線下相融合、思政與課程內(nèi)容相融合、集中學(xué)習(xí)與自主學(xué)習(xí)相融合的“三融合”，從而有效提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力與團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

在課中教學(xué)活動(dòng)中，采用了翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式。與傳統(tǒng)的課堂教學(xué)相比，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)將課堂的主導(dǎo)者變?yōu)閷W(xué)生，加強(qiáng)了師生之間、生生之間的溝通交流，有利于提高學(xué)習(xí)效率。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)活動(dòng)的前提是對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組。因此，應(yīng)該考慮在進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂活動(dòng)時(shí)劃分小組的合理性，以及如何調(diào)動(dòng)全班學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

為了體現(xiàn)公平公正，讓全班同學(xué)都參與翻轉(zhuǎn)課堂活動(dòng)中，在對(duì)小組進(jìn)行劃分時(shí)，不再采用傳統(tǒng)的學(xué)生自由組合的方式，而是以學(xué)號(hào)順排或者隨機(jī)組隊(duì)的方式成立小組。為了激勵(lì)學(xué)生，每個(gè)小組選出的組長(zhǎng)根據(jù)其課堂組織表現(xiàn)在平時(shí)成績(jī)中給予額外加分。另外，在學(xué)生交流討論發(fā)言環(huán)節(jié)，不再選取小組推選的學(xué)生起來(lái)匯報(bào)，而是采用隨機(jī)點(diǎn)名的方式，隨機(jī)抽取沒(méi)有發(fā)言的同學(xué)，這樣鼓勵(lì)所有人參與進(jìn)來(lái)，更能體現(xiàn)公平性。點(diǎn)到同學(xué)的匯報(bào)情況作為整個(gè)小組的表現(xiàn)計(jì)入小組得分，這樣賦予了每個(gè)學(xué)生“集體榮譽(yù)感”，讓他感覺(jué)到自己的回答情況代表了整個(gè)小組，因此可有效避免“渾水摸魚”的情況，使得每個(gè)學(xué)生都能打起精神參與其中，不僅提升了全班的學(xué)習(xí)效果，而且培養(yǎng)了學(xué)生的集體責(zé)任感和榮譽(yù)感。翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方式讓學(xué)生成為課堂的主體，逐漸弱化了教師的角色，使更多的學(xué)生參與課堂的交流中，符合工程教育專業(yè)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)理念。

2.2 實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)模式創(chuàng)新

計(jì)算機(jī)組成原理的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)在整個(gè)課程的學(xué)習(xí)中占據(jù)舉足輕重的位置，目的是將理論學(xué)習(xí)與工程實(shí)踐相結(jié)合，提高學(xué)生的專業(yè)動(dòng)手能力。然而，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容陳舊，形式簡(jiǎn)單，并不能達(dá)到工程教育專業(yè)認(rèn)證對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)要求。另外，在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的考核上，如果過(guò)分依賴于實(shí)驗(yàn)報(bào)告的完成情況，容易造成學(xué)生應(yīng)付了事，互相抄襲的現(xiàn)象，這樣不僅有失公平公正，而且容易讓學(xué)生產(chǎn)生依賴他人的懶惰思想，不利于培養(yǎng)學(xué)生的自主設(shè)計(jì)能力，更加不符合工程教育認(rèn)證目標(biāo)導(dǎo)向。因此，如何增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)課程效果，全方位提升學(xué)生的獨(dú)立分析能力和自主創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)“應(yīng)用創(chuàng)新型”人才的目標(biāo)，是實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)中亟待解決的問(wèn)題。

針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)存在的弊端，采用過(guò)程考核+實(shí)驗(yàn)報(bào)告考核的雙重考核方式。主要從以下兩個(gè)方面實(shí)施改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)課翻轉(zhuǎn)課堂總體示意圖如圖2所示。

2.2.1 錄制實(shí)驗(yàn)?zāi)秸n視頻

對(duì)于語(yǔ)言類課程，如Java、Python等，教師只須在課堂上向?qū)W生講解清楚知識(shí)點(diǎn)，然后學(xué)生在機(jī)房上機(jī)反復(fù)練習(xí)即可。而在計(jì)算機(jī)組成原理的實(shí)驗(yàn)課程中，實(shí)踐內(nèi)容與理論課堂講授的內(nèi)容存在一定差距，且其中的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)需要用到硬件編程語(yǔ)言Verilog，學(xué)生們之前并未接觸過(guò)。僅憑上課時(shí)間讓學(xué)生既聽(tīng)懂實(shí)驗(yàn)又會(huì)用全新的語(yǔ)言去設(shè)計(jì)編程，難度非常大。因此，教學(xué)團(tuán)隊(duì)可以像錄制理論教學(xué)視頻那樣錄制實(shí)驗(yàn)?zāi)秸n，讓學(xué)生提前觀看視頻來(lái)預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，大體了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，避免在課上現(xiàn)學(xué)而占用大量時(shí)間。

2.2.2 采用現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收的考核方式

隨機(jī)挑選小組的任意一名學(xué)生進(jìn)行操作，一邊演示一邊講解，匯報(bào)結(jié)果作為小組的整體基礎(chǔ)分。然后讓小組的每個(gè)學(xué)生針對(duì)不同問(wèn)題分別進(jìn)行回答，計(jì)入個(gè)人分?jǐn)?shù)。這樣的考核方式可以調(diào)動(dòng)全體學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，讓每個(gè)人都有一種“危機(jī)意識(shí)”，有效避免了部分學(xué)生依賴抄襲別人實(shí)驗(yàn)報(bào)告作為考核結(jié)果的狀況。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)。由于每個(gè)人都能親自參與，因此實(shí)驗(yàn)報(bào)告中的數(shù)據(jù)分析和實(shí)驗(yàn)代碼調(diào)試更能體現(xiàn)出學(xué)生的掌握情況。

3 結(jié)束語(yǔ)

翻轉(zhuǎn)課堂顛覆了傳統(tǒng)教師上課“一言堂”的模式，通過(guò)學(xué)生課前學(xué)習(xí)、課中交流討論的形式使得課堂教學(xué)變得靈活多變。本研究基于工程教育專業(yè)認(rèn)證中的OBE理念，針對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，利用翻轉(zhuǎn)課堂對(duì)理論和實(shí)踐教學(xué)模式進(jìn)行創(chuàng)新，全面提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。本文的研究對(duì)計(jì)算機(jī)類硬件專業(yè)課程教學(xué)改革具有重要的借鑒意義。未來(lái)，在計(jì)算機(jī)組成原理的教學(xué)改革中應(yīng)深度融入思政元素，為國(guó)家培養(yǎng)全面發(fā)展的計(jì)算機(jī)人才。

參考文獻(xiàn)：

[1] 謝從華，徐文彬.面向工程教育認(rèn)證的計(jì)算機(jī)組成原理課程改革的探索[J].計(jì)算機(jī)時(shí)代，2016（5）：97-99.

[2] 中國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì).工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)（2015版）[S].2015.

[3] 馮婧微，張學(xué)軍，邵紅，等.基于工程認(rèn)證及成果導(dǎo)向教育的環(huán)境工程專業(yè)體系構(gòu)建：以沈陽(yáng)化工大學(xué)為例[J].教育教學(xué)論壇，2017（26）：159-160.

[4] 陳華鋒.《計(jì)算機(jī)組成原理》教學(xué)中多課程知識(shí)融合探析[J].荊楚理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，26（5）：70-72.

[5] 王曉麗.計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)改革探索[J].計(jì)算機(jī)時(shí)代，2013（7）：60-61，65.

[6] 汪麗華，王澤梁.新工科背景下計(jì)算機(jī)組成原理課程OBE教學(xué)研究[J].西昌學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，34（2）：108-111.

[7] 寧菲菲，李真.“對(duì)分課堂”教學(xué)模式在計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)中的應(yīng)用[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2018，14（4）：96-97.

[8] 紀(jì)祿平，羅克露.計(jì)算機(jī)組成原理創(chuàng)新型教學(xué)方法設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)教育，2011（7）：85-87，91.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】