基于OBE理念的计算机组成原理混合式教学实践

陈红叶 郑卫红

[摘           要]  针对计算机组成原理教学中存在的问题，结合学校专业建设的实际情况，利用OBE理念改造课程内容和教学模式，结合MOOC课程、BOPPPS教学设计、线上线下混合式教学模式和基于智慧教学工具的教学评价等多种元素开展教学，实践表明，其不仅有效提高了课程目标达成度，更激发了课堂活力，促进学生计算思维养成，提高了人才培养质量。

[关    键   词]  OBE;BOPPPS;线上线下混合式;智慧教学工具

[中图分类号]  G642                 [文献标志码]  A              [文章编号]  2096-0603（2020）27-0196-02

计算机组成原理是计算机专业的核心基础课程，是计算机专业学生计算思维能力培养的基石，包含硬、软件之间的相互协同运行机制，与后续操作系统、编译原理、计算机系统结构等课程知识交叉渗透、息息相关，直接影响着计算思维能力的培养效果。课程教学目标是使学生掌握计算机基本原理，深刻理解计算机硬件执行程序的过程，培养学生对计算机系统分析、设计、开发和使用能力，为未来从事芯片设计、体系结构和系统开发等工作奠定基础。目前，国内对计算机组成原理理论和实验教学的研究很多，在理论教学方面，厦门大学将工程教育专业认证与基于学习产出的教育模式（OBE）相结合，对计算机组成原理课程体系、授课模式以及产出评价标准等进行重构，太原科技大学利用BOPPPS教学设计开展翻转课堂教学，提高学生的学习效果和参与程度。但是，少有课程在教学理念上利用OBE理念改造课程，在教学实施中，结合MOOC、线上线下混合式设计、“互联网+教学评价”模式等多种元素，全方位提高课程目标达成度。

浙江科技学院计算机科学与技术专业在2016年首次通过基于OBE理念的中国工程教育专业认证，课程开展了基于OBE 理念的课程改革。但依然存在许多问题，如：教学内容抽象，学生学习兴趣不高;理论学时少，教学目标达成度不高;实验教学中半数为验证型实验，设计型和综合型实验开设不够;过程性考核不足，持续改进缺少数据支撑。近两年来，课程团队结合MOOC和智慧教学工具开展启发式、研讨式、翻转课堂模式教学，在改善教学质量的同时，更激发了学生的学习自主性。

一、基于学习产出的教育模式

OBE（Outcomes-based Education）是被国际教育界广泛认可的教育理念，尤为适合计算机等工程类专业。首先，比起传统的“以教师为主”的教育模式，OBE理念的核心首先是以学生为中心，课程体系上遵循逆向设计的原则，以学生毕业五年后可以达到的培养目标为标准设定毕业要求，明确课程为支持毕业要求达成而应具有的目标、内容、教学方法和手段;其次，以学习成果为导向，教师为帮助学生达到预期的学习成果，正向开展教与学的过程，尤其评价体系重在学生表现，更关注过程化考核和形成性评价。再次，持续改进不仅是一种机制，更是一种质量文化，课程必须对自身在标准要求的各个方面存在的问题具有明确的认识和信息获取的途径，设计明确、可行的改进机制和措施，跟踪改进之后的效果并收集信息用于下一步的再改进。

二、基于OBE理念的计算机组成教学改革实践

课程改革主要以学生为中心重塑教学内容;教学环节中开展以成果为导向的MOOC+BOPPPS线上线下混合式的教学模式改革;评价机制上采用互联网+手段进行过程评价，通过双向反馈，促进课程持续改进。

（一）以学生为中心的教学内容改革

分析课程对学生毕业要求的贡献度，明确课程目标：（1）理解计算机部件的组成与功能从而能对实际工程问题开展硬件设计;（2）能运用现代信息技术工具查阅资料，进行方案分析;（3）能根据实验要求，深化设计方案，开展实验并分析报告;（4）能通过自主学习形成课程知识体系，建立终身学习的意识。

确定各知识点对毕业要求指标点的支撑，并选择合适的教学方法与过程评测方法。

（二）以成果为导向的MOOC+BOPPPS线上线下混合式的教学模式

随着融媒体时代的到来，基于MOOC的混合式教学日益成为一种颠覆性的教育教学模式。近年来，以有效课堂教学为特长的BOPPPS教学法也愈发显现出其强大的实践价值。BOPPPS是温哥华大学的Douglas Kerr遵循教育学中“人的认知理论”提出的一种增强师生互动的闭环教学模式。该教學模式遵循“教学目标→教学行为→学习活动→教学评估→教学目标”的循环过程，将课程知识点按照六个要素递进的原则贯穿于整个教学过程，重点强调学生全方位参与和学生学习信息情况反馈，并以此不断调整、改善后续课程的教学设计活动。BOPPPS六要素具体包括引入（Bridge-in）、目标（Objective）、前测（Pre-assessment）、参与式学习（Participatory Learning）、后测（Post-assessment）、总结（Summary）。经过在北美等地区的多年实际应用，已被多次证明是一种有效的教学方法。

在本课程的教学中，从BOPPPS模型的六步走原则出发，在混合式教学过程中加入项目流程的跟进、参与式互动、趣味前测、梯度后测等创新型教学手段等，通过教学实践逐渐形成一套行之有效的线上线下相结合的混合式课程教学新范式。具体而言，就是基于MOOC平台开展课程混合式教学，依照BOPPPS教学法对教学过程进行优化设计，将教学内容按知识点进行分解并合理分配于课堂内外，强化学生自主学习能力的培养，强化理论知识在解决实际问题中的应用。其具体教学流程设计如下图所示。

（三）“互联网+”手段融合课堂教学的持续改进策略

课堂教学，互动为魂。遵循BOPPPS教学模式层层交互的特点，在学习过程中引入不同形式的测评和反馈并计入平时成绩。通过引入智慧教学工具，课前布置预习任务，观看视频或分组讨论;课中通过课堂签到、提问、前测、后测等教学元素，开展课堂互动，及时了解学生学习状态，检验学习效果;课后通过答疑、作业和阶段性测试加强知识的深化，并精确统计和分析测试结果，对测试不合格的知识点或调研困难的部分进入到查漏补缺环节。所有的互动数据自动形成过程学习数据，加强学习质量监控，及时调整教学方法和手段。

三、教学设计案例

以计算机组成中加法器的构成为例，采用BOPPPS模式开展教学设计，并结合MOOC和PPT学习、智慧教学工具，开展课堂教学。

（一）教学结构设计

1.学情分析：专业学生，学习兴趣较浓，具有计算机基础、编程基础和数理基础。

2.教学内容：一位全加器的逻辑设计，四位串行、并行加法器构成与进位分析。

3.教学时长：课外2学时，课内1学时。

4.重难点：全加器的逻辑电路生成过程，超前进位加法器的生成原理和延时分析。

5.教学方法：采用线上线下混合式教学方法，结合MOOC学习和课堂授课;采用参与式教学，通过分组设计课堂汇报的形式组织;采用案例教学方法，通过导入案例“设计一个四位加法器”，让学生完成加法器分析、设计、进位分析等全过程。

6.教学工具：MOOC平台、慕课堂、学习通等智慧App。

（二）教学过程设计

1.课前学习与讨论

以MOOC平台中发布的微课视频学习（10分钟）为主，介绍学习目标，学习一位全加器的构成，从问题真值分析到逻辑表达式推导到逻辑电路图生成，提出问题：如何构造四位全加器？学生分组讨论，得出问题的关键在于解决进位问题，提出一定的解决方案，准备课堂汇报。（40分钟）

2.课堂BOPPPS教学

（1）导入（8分钟）。导入案例“设计一个四位加法器”，带领学生回顾数字逻辑中的逻辑关系、逻辑运算、表达式化简等基本前导知识，提问如何设计半加器、一位全加器？通过不断的疑问吸引学生的注意力，导入课程主题。

（2）学习目标（2分钟）。描述本次课的学习目标，能够理解和设计四位加法器，让学生了解学习的重难点。

（3）前测（5分钟）。通过慕课堂发布前测，检验学生对基础知识的掌握程度。

（4）参与式学习（25分钟）。根据学生课前讨论的情况，利用慕课堂随机选择2组分别介绍串行加法器和并行加法器的构成。通过师生互动，得出并行加法器的电路图。

（5）后测（5分钟）。方式与前测相同，围绕教学重点和难点进行测试，统计分析结果，进行知识点强调和解答疑惑。后测结果也算入平时考核成绩中。

（6）总结归纳，延展思考（5分钟）。通过构建知识点框架，使得学生对全加器的构成有一个整体认识，理解知识点之间的关联;延展出两个问题：一是如何以四位加法器为核心构造一个四位运算器（还需要什么部件）。二是如何以四位加法器为基础构造8位、16位、32位的加法器，激发学生思维的主动性。最后布置作业：如何利用四位全加器构造一个BCD加法器？（课外1学时）

3.教学成效

一个学期的教学以来，通过调查、中期学生反馈、统计学习数据等，教学改革有明显成效。从知识链构建角度，按照知识获取、知识生成、知识内化到知识产出的完整体系构建的线上学习资源，促进了线下课堂教学从“要我学”到“我要学”的转变，学生的自主学习能力获得了提升。调查显示，几乎所有学生都喜欢MOOC平台上的微课、PPT、实验指导等资源，88.4%的学生喜欢课堂中发布的前测和后测，对获得的及时反馈表示满意，从学生前测与后测（部分）的参与率和正确率可看出学生课堂的活跃度很高。实验教学环节中，通过线上学习、课外小组讨论、分组汇报方案设计以及同伴评议，最后才在模型机上实现的学习流程，有效地推动验证型实验到设计型和综合型实验项目的转变，有的学有余力的分组还进行了多方案的设计实现。从期末成绩上，优秀率提高了5.2%，及格率提高了12.5%。

本文利用OBE理念改造计算机组成课程内容和教学模式，以学生为中心开展线上线下混合式教学。线上建设MOOC课程，提供丰富课程资源，提升学生的自主学习能力，线下开展BOPPPS教学设计和基于智慧教学工具的教学评价等多种元素开展教学，实践表明，不仅有效提高了课程目标达成度，更激发了课堂活力，促進学生计算思维的养成，提高了人才培养的质量。

参考文献：

[1]张海英.基于OBE理念的《计算机组成原理》课程改革[J].现代计算机，2018（12）：73-75.

[2]崔永利，林克正，朱素霞，等.基于MOOC理念的计算机组成原理课程教学研究[J].中国现代教育装备，2018（299）：87-93.

[3]张睿，张永梅等，基于互联网+BOPPPS的计算机组成原理教学探索与实践[J].电脑知识与技术，2019（5）：133-135.

[4]张铭泉，程晓荣.以能力培养为目标的计算机组成原理教学研究[J].教育教学论坛，2019（11）：221-222.

[5]杨丽，于为，李晓红.BOPPPS模型在数据结构课程教学中的应用与实践[J].大学校教育，2017（4）：15-17.

[6]曹丹平.加拿大BOPPPS教学模式及其对高等教育改革的启示[J].实验室研究与探索，2016，35（2）：196-200.

编辑 原琳娜