基于OBE的工程教育模式在《计算机组成原理》课程中的应用与实践

高亚兰 吴孝银 徐旭 邱慧丽

摘要：《计算机组成原理》是工程教育认证模式下，宿州学院引入OBE理念对计算机专业进行课程整合的结果，是专业体系中具有承接作用的一门非常重要的专业核心课程。针对计算机组成原理课程的特点以及课程中如何提高学生的实践能力等问题，分析如何应用OBE的教育模式进行教学目标的设定以及教学设计。通过教学实践，总结OBE的工程教育模式在计算机组成原理课程中的具体优化作用。

关键词：OBE;计算机组成原理;工程教育认证;教学设计;教学目标

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）21-0134-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

近年来，“智能时代”“智慧地球”等概念的提出，主要归功于新一代信息技术如云计算、5G、人工智能等技术的快速发展。智能时代的到来，导致市场对计算机硬件类人才需求日益强烈。计算机组成原理课程在硬件类课程中有着承上启下的作用，是计算机专业学生的专业基础课。为了提高工程教育人才的培养质量，工程教育认证得到了国家强有力的支持。学生能够设计满足市场需求的软硬件系统，能够提出解决计算机领域复杂工程问题的创新性的方案是工程教育认证对本科教育的基本要求。

1 计算机组成原理课程特点及现状分析

从课程的特点来看，传统的计算机组成原理偏向于理论教学，实践教学没有引起足够的重视。计算机软硬件系统设计的能力主要是在实践过程中培养和提高，在开展计算机组成原理课程理论教学的同时，应注重实践教学的比重和设计，通过合理的实践教学设计提高学生学习计算机组成原理的兴趣和动手能力。

目前，在硬件理论和实验课程的学习上很多学生普遍存在着主观能动性的缺失，在思想上“重软轻硬”。硬件类课程知识抽象、理解困难、导致基础较差的学生很难真正学懂相关知识点，大部分学生学习积极性不高。目前学校的硬件理论和实验设备均显落后，实验内容比较陈旧，无法跟上硬件技术的发展。很多新理论和新技术并没有融入课程教学中，因此，学生很难真正地掌握核心的硬件技术，导致学生的软硬件系统设计的能力不强，无法满足当今市场对人才的需求[1]。

在传统的计算机组成原理教学过程中，课程设置中虽然有开设独立的课程设计环节，但是课程设计的项目主要是验证计算机硬件的工作原理，很少开设综合性的系统设计，没有什么实际意义，与工程能力的培养脱节，导致学生在面对工程问题时缺乏基本的思路和方法，在学习过程中很难形成硬件知识体系。另外，由于学生自身理论知识比较薄弱，很难将理论与实践相结合，很多学生学习能力和自律能力比较差，学习的积极性低，很难保证实践环节的教学质量。

目前宿州学院的《计算机组成原理》教学中仍存在这些问题，为了有效解决计算机组成原理课程教学环节中的局限性，根据工程认证要求对《计算机组成原理》的教学进行改革，引入OBE教育理念，通过教师对教学内容以及教学方式的设计，将工程问题的解决作为课程学习的最终目标，重点培养学生创新能力与实践动手能力[2]。

2 OBE理念对计算机组成原理教学的启发

OBE教育模式以产出为学习目标推动传统教学，引领学科导向或投入导向的教育模式改革[3]。专业认证的核心内涵是构建“产出导向”的人才培养体系并持续改进。传统的人才培养模式如图1所示。传统的课程体系主要关注的是课程体系的自我完善，课程教学主要关注的是知识点的覆盖面，通过考核评价来衡量教师教得如何，学生学得怎么样，是否达到了学校的人才培养目标，教学的重心仍然在教。

OBE的人才培养体系模式如图2所示，聚焦的重点在于“学习成果”，以学生为重心。在OBE的人才培养体系模式中课程建设是关键。通过课程体系形成支撑学习成果，课程教学实现支撑学习成果，考核评价证明支撑学习成果。

通过分析计算机组成原理课程的特点，并到企业调研课程所涉及应用到生产方面的关键技术，以产出为导向，确定课程的实践教学目标。计算机组成原理课程的实践教学目标应该是掌握计算机组成原理的工作原理以及控制单元的设计后，学生能自主设计出简单的计算机模型机。

2.1 基于OBE的教学目标

OBE教育模式的关键是确定学习产出的目标，清晰的学习产出目标可以让整个课程建设科学有序进行[4]。计算机组成原理课程的教学改革围绕学生毕业要求、市场需求、专业认证三个方面确定产出目標。结合宿州学院毕业要求指标点，最终确定了基于OBE的教学目标。

课程目标1：掌握计算机基本部件的构造、基本运算的操作原理及部件和单元的设计思想，为后续硬件类课程学习奠定良好的理论基础。

该课程目标支撑毕业要求“工程知识”：掌握计算机软硬件相关工程基础知识，能将其用于分析计算机领域的相关工程问题。

课程目标2：能够运用计算思维分析问题和解决问题，针对具体问题分析计算机的组成，设计控制单元实现所需的运算，针对计算机领域复杂工程问题设计可行的研究方案。

该课程目标支撑工程认证要求：能够运用相关的技术手段和设计思想确定复杂工程问题的解决方案。

课程目标3：能够设计出简单的计算机系统，将相应的技术应用到相关的硬件系统设计中。

该课程目标支撑市场对软硬件系统设计类人才的需求。

2.2 基于OBE的教学设计

基于OBE的教学改革，需要对整个教学体系进行改革，而不是只改革计算机组成原理这门课程。计算机组成原理这门课程是知识体系中的一个节点，在整个体系中，计算机组成原理的先导课程数字电路课程、计算机科学导论等课程要通过改革达到一定的OBE教学，这样计算机组成原理课程才能更好地展开[5]。计算机组成原理课程是嵌入式系统应用、微机原理等课程的基石。以学生为中心的教育模式是现在本科教育所提倡的方式，因此需要对传统的教学进行改革设计。在教学内容上不再是进行枯燥理论知识的讲授，通过结合具有一定实际应用价值的具体项目案例来讲授知识点，提高学生的学习兴趣。通过小组讨论、在线学习、知识辩论等不同的教学手段引起学生的学习兴趣，实现OBE的教学目标。

3 OBE教育模式下的计算机组成原理课程实践

3.1 计算机组成原理课程在线资源建设

“互联网+”作为一种新的教育形态为现代教育提供了一种新的环境和手段，推进了教育信息化的进程。为实现计算机硬件类课程的教学目标，以基于OBE的教学大纲为指導进行在线资源的课程建设。

在线教学内容的设计必须依据教学大纲中明确的知识模块，涵盖所有的知识点，并突出重难点。对于在教学过程中学生理解起来较难的知识点，对其进行单独进行视频以及课件的设计，以确保学生能够完全掌握重点，强化知识难点。根据上述设计思想，通过对计算机组成原理第4章“存储器”进行教学知识点结构设计，共设计了9个知识点，见表1。

3.2 课堂教学内容设计

课堂教学内容要区别于在线教学视频内容，应该是有针对性的重点、难点的讲解，其定位应该是基于学生已经按要求完成自学任务为前提的进一步知识巩固与丰富。课堂教学环节主要包括如下几方面：

1）基础知识巩固以及重难点讲解。该环节主要设置在课程前期阶段，计算机组成原理是宿州学院信息工程学院大二开设的课程，学生之前几乎未接触过翻转课堂的教学方式，应放慢节奏，给学生一个适应的过程。教师先进行基础知识的巩固，之后根据教学经验对学生难以理解的知识点，着重进行讲解。

2）组间辩论，师生讨论。课前要求学生进行在线学习，课上小组间对遇见的相同的问题进行辩论，活跃课堂气氛，提高学习效果，老师课上对质量高的问题进行重点讲解，强化知识难点。

3）课堂练习。利用学习通的教学系统自动进行计算机组成原理的试题组卷，让学生在课堂行现场练习，通过系统对每个题目正确率的统计，重点对失分较高的题目进行讲解，及时为学生解决学习过程中的知识盲点。

3.3 教学改革成效

2017年宿州学院信息工程学院的计算机组成原理的教学利用学习通教学平台实现了线上线下共同学习的翻转课堂教学方式。在教学的过程中教师可以随时了解学生的学习进展情况，主要以形成性评价给出学生的成绩，并不断获得教学过程中的连续反馈，以此为据随时调整教学计划、改进教学方法提供参考。

表2的数据来源于宿州学院信息工程院利用线上教学平台超星学习通进行计算机组成原理课程教学时的成绩统计，通过对学院2017级以及2018级计算机专业学生的计算机组成原理课程的成绩对比，可以看出学生的综合成绩有了明显的提高，在课程中引入OBE的工程教育模式取得了良好的效果。

参考文献：

[1] 柳星，袁景凌，饶文碧，等.计算机组成原理实验改革方法探讨[J].计算机教育，2018（5）：5-9.

[2] 顾佩华，胡文龙，林鹏，等.基于“学习产出”（OBE）的工程教育模式——汕头大学的实践与探索[J].高等工程教育研究，2014（1）：27-37.

[3] 徐源.基于OBE教学模式的本科教学课程改革研究[J].课程教育研究，2017（17）：208.

[4] 李志义.解析工程教育专业认证的成果导向理念[J].中国高等教育，2014（17）：7-10.

[5] 王超.基于仿真实验的计算机组成原理考核方式改革研究[J].计算机教育，2016（3）：146-148.

【通联编辑：王力】