基于OBE理念的计算机组成原理翻转课堂教学模式创新研究

摘要：基于工程教育专业认证中的OBE教学理念，依据计算机组成原理的课程特点，针对传统教学模式下计算机组成原理课程教学模式单一、学生学习兴趣缺乏等问题，从枣庄学院的实际学情出发，研究翻转课堂的创新教学模式。该研究对课中的学生小组编排和验收考核方式进行创新，旨在调动全体学生的学习积极性，从而避免学生偷懒、搭便车的现象。同时，对计算机组成原理的理论课堂教学和实验课堂教学模式进行全面创新，以提高应用型人才的培养质量，促进学生的全面发展。

关键词：OBE理念；计算机组成原理；翻转课堂

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）23-0168-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

0 引言

工程教育专业认证是国际通行的工程教育质量保障制度，在实现教育和师资国际互认方面发挥着关键作用[1-2]。它突出以产出为导向的教学目标，以学生收获、毕业达成情况为中心，并强调持续改进的培养质量。工程教育认证是未来工程教育质量评价的发展趋势，教育质量的提升迫切要求高校专业课程做出更多的改革与创新[3]。

计算机组成原理是高校计算机专业的核心课程之一，其先修课程包括计算机导论、程序设计和数字逻辑等，在此基础上对计算机专业知识进行拓展[4]，并为后续课程如计算机体系结构、嵌入式系统等提供知识基础。计算机组成原理的教学内容组织如图1所示。通过学习该课程，学生可以掌握计算机硬件组成和工作原理，建立整机系统概念[5]。

计算机组成原理同时也是一门公认的教学难度较大的课程。一方面，课程知识点比较抽象、枯燥，学生学习难度较大；另一方面，对于地方应用型本科院校的学生而言，硬件基础薄弱，存在“重软件轻硬件”的现象，这又进一步增加了教师授课的难度。因此，如何教授好这门课程，提升学生的学习兴趣，为计算机专业的学生打下坚实的专业理论基础，成为计算机组成原理课程教师不断改进和创新教学方法的原动力。

课堂教学在所有教学方法中占用时间最多、传授知识最集中，因此教师应在课堂教学中构建一种“课堂活跃、热爱学习、善于思考、创新思维”的有效教学模式。近年来，为提升学生的培养质量，越来越多的学者和教师对计算机组成原理的课程建设、教学方法等进行了深入研究。汪丽华等人[6]基于OBE对教学模式进行了改进，引入树莓派平台来增加教学内容的新颖性和实用性。宁菲菲等人[7]提出了“对分”课堂教学模式，将课堂时间平分为教师讲授和讨论交流，以此来增进师生交流和生生交流，从而提高学生的学习能力和教学效果。纪禄平等人[8]通过对教学内容安排和学生分组管理进行有机融合创新研究，提高了学生的学习效率。尽管教师在计算机组成原理的课堂设计上投入了大量心血和精力，但基于课程自身的特点和学生的学情，最终的学习效果仍然差强人意。因此，研究计算机组成原理课程的教学模式创新，对提高学生学习积极性、综合素质和创新能力具有重要意义。

1 计算机组成原理传统课堂教学存在的问题

1.1 学生对先修硬件知识的掌握不够

数字电路基础等硬件课程作为计算机组成原理的前导课程，对学生理解计算机的硬件构成以及工作原理起着至关重要的作用。但这些课程知识点抽象琐碎，部分基础较差的学生学习积极性不高，对基本的进制转换理解起来有困难，很难真正掌握相关知识。前期基础没有打牢，直接导致学生在后续计算机组成原理的硬件理论学习上更加吃力，甚至有的学生直接放弃课程的学习。

1.2 教师在课堂教学中占主导

随着科技的发展，信息化教学手段也频频出现在计算机组成原理的课堂教学中，包括多媒体设备、计算机演示等。虽然这些现代化的辅助工具可以提高学生的学习兴趣，但课堂上仍以教师讲授为主，学生参与度不高。计算机组成原理作为一门介绍计算机系统硬件构成和工作原理的专业基础课，其中概念性、原理性和应用性知识点较多，枣庄学院部分学生学习基础薄弱，听课过程比较枯燥。即便教师采用先进教学工具以引起学生注意，提高学习兴趣，但在以教师讲授为中心的传统课堂中，学生一旦听不懂产生疑问，也只能被动跟随教师节奏，导致一步跟不上步步跟不上的现象。

1.3 实验课程方法陈旧简单

实验环节对于学生深入了解计算机工作原理至关重要。目前枣庄学院计算机组成原理实验课程多以验证性实验为主，学生按照实验指导书上的图示，对实验箱进行手工插线，然后通过拨码开关和指示灯的亮灭来进行实验验证。这样的实验方式学生自主动脑较少，仅依赖简单插拔操作难以真正掌握相关知识。另外，实验课程考核方式只根据实验报告确定学生成绩，不能真正培养学生解决工程实际问题的能力。甚至有的学生不懂原理，只根据实验指导书抄写一遍就完成实验报告，不符合工程教育专业认证标准。

2 基于OBE的计算机组成原理翻转课堂教学模式创新改革

计算机组成原理的理论学习和实践学习对学生的毕业要求指标点都有着重要的支撑，因此在对课堂教学模式进行改革时，须分别对理论和实践课堂进行创新。课程内容设计以教材与课程目标为基础构建，对知识点进行拆分，以指令执行为依据，融合存储器、输入输出系统、运算器、控制器为四大支撑点，覆盖计算机组成原理的全部知识点。

2.1 理论课堂教学模式创新

在理论教学中，基于OBE理念将课堂分为课前、课中、课后三个阶段。为了提高学生的主动学习积极性，课程组教师设计了形式多样的课前学习资源供学生选择，如在学习通、智慧树平台录制了课程内容相关的慕课视频，提前下发包含动画、视频、思考题在内的优质课件以及学习任务单。学生在自学过程中，对其中的任务完成情况进行自测，找出问题，然后带着问题来到课堂。在课中教学阶段，教师通过设计小组讨论、角色扮演、辩论赛等多样化的教学活动，鼓励学生积极参与课堂讨论。此外，教师还利用随机点名系统，确保每个学生都有机会表达自己的观点，从而提高整体的课堂互动性。学生在聆听教师对重点难点讲解的基础上，与小组成员进行讨论，解决课前自学存在的疑问。课后学生通过作业、测验等多种形式检验知识点的掌握情况，教师对学生提交的作业及时反馈，帮助学生了解自己的不足并及时改进。课程组建立了有效的教学反馈机制，定期或不定期通过问卷调查、访谈等方式收集学生对教学的意见和建议。教师对接收的意见和建议及时进行自我反思，评估教学方法的有效性，并根据反馈进行调整。这种“学生秀、师生评”的教学评价模式，最终实现了线上线下相融合、思政与课程内容相融合、集中学习与自主学习相融合的“三融合”，从而有效提高了学生自主学习能力与团队协作能力。

在课中教学活动中，采用了翻转课堂教学模式。与传统的课堂教学相比，翻转课堂教学将课堂的主导者变为学生，加强了师生之间、生生之间的沟通交流，有利于提高学习效率。翻转课堂教学活动的前提是对学生进行分组。因此，应该考虑在进行翻转课堂活动时划分小组的合理性，以及如何调动全班学生的学习积极性。

为了体现公平公正，让全班同学都参与翻转课堂活动中，在对小组进行划分时，不再采用传统的学生自由组合的方式，而是以学号顺排或者随机组队的方式成立小组。为了激励学生，每个小组选出的组长根据其课堂组织表现在平时成绩中给予额外加分。另外，在学生交流讨论发言环节，不再选取小组推选的学生起来汇报，而是采用随机点名的方式，随机抽取没有发言的同学，这样鼓励所有人参与进来，更能体现公平性。点到同学的汇报情况作为整个小组的表现计入小组得分，这样赋予了每个学生“集体荣誉感”，让他感觉到自己的回答情况代表了整个小组，因此可有效避免“浑水摸鱼”的情况，使得每个学生都能打起精神参与其中，不仅提升了全班的学习效果，而且培养了学生的集体责任感和荣誉感。翻转课堂的教学方式让学生成为课堂的主体，逐渐弱化了教师的角色，使更多的学生参与课堂的交流中，符合工程教育专业认证的标准理念。

2.2 实验课堂教学模式创新

计算机组成原理的实验环节在整个课程的学习中占据举足轻重的位置，目的是将理论学习与工程实践相结合，提高学生的专业动手能力。然而，传统的实验教学内容陈旧，形式简单，并不能达到工程教育专业认证对学生的培养要求。另外，在实验环节的考核上，如果过分依赖于实验报告的完成情况，容易造成学生应付了事，互相抄袭的现象，这样不仅有失公平公正，而且容易让学生产生依赖他人的懒惰思想，不利于培养学生的自主设计能力，更加不符合工程教育认证目标导向。因此，如何增强实验课程效果，全方位提升学生的独立分析能力和自主创新能力，实现培养“应用创新型”人才的目标，是实验课堂教学中亟待解决的问题。

针对传统实验教学环节存在的弊端，采用过程考核+实验报告考核的双重考核方式。主要从以下两个方面实施改进。实验课翻转课堂总体示意图如图2所示。

2.2.1 录制实验慕课视频

对于语言类课程，如Java、Python等，教师只须在课堂上向学生讲解清楚知识点，然后学生在机房上机反复练习即可。而在计算机组成原理的实验课程中，实践内容与理论课堂讲授的内容存在一定差距，且其中的设计性实验需要用到硬件编程语言Verilog，学生们之前并未接触过。仅凭上课时间让学生既听懂实验又会用全新的语言去设计编程，难度非常大。因此，教学团队可以像录制理论教学视频那样录制实验慕课，让学生提前观看视频来预习实验相关知识点，大体了解实验内容，避免在课上现学而占用大量时间。

2.2.2 采用现场验收的考核方式

随机挑选小组的任意一名学生进行操作，一边演示一边讲解，汇报结果作为小组的整体基础分。然后让小组的每个学生针对不同问题分别进行回答，计入个人分数。这样的考核方式可以调动全体学生的学习积极性，让每个人都有一种“危机意识”，有效避免了部分学生依赖抄袭别人实验报告作为考核结果的状况。实验结束后，学生撰写实验报告，对实验结果进行分析和总结。由于每个人都能亲自参与，因此实验报告中的数据分析和实验代码调试更能体现出学生的掌握情况。

3 结束语

翻转课堂颠覆了传统教师上课“一言堂”的模式，通过学生课前学习、课中交流讨论的形式使得课堂教学变得灵活多变。本研究基于工程教育专业认证中的OBE理念，针对计算机组成原理课程教学中存在的问题，利用翻转课堂对理论和实践教学模式进行创新，全面提升了学生的学习积极性。本文的研究对计算机类硬件专业课程教学改革具有重要的借鉴意义。未来，在计算机组成原理的教学改革中应深度融入思政元素，为国家培养全面发展的计算机人才。

参考文献：

[1] 谢从华，徐文彬.面向工程教育认证的计算机组成原理课程改革的探索[J].计算机时代，2016（5）：97-99.

[2] 中国工程教育专业认证协会.工程教育认证标准（2015版）[S].2015.

[3] 冯婧微，张学军，邵红，等.基于工程认证及成果导向教育的环境工程专业体系构建：以沈阳化工大学为例[J].教育教学论坛，2017（26）：159-160.

[4] 陈华锋.《计算机组成原理》教学中多课程知识融合探析[J].荆楚理工学院学报，2011，26（5）：70-72.

[5] 王晓丽.计算机组成原理课程教学改革探索[J].计算机时代，2013（7）：60-61，65.

[6] 汪丽华，王泽梁.新工科背景下计算机组成原理课程OBE教学研究[J].西昌学院学报（自然科学版），2020，34（2）：108-111.

[7] 宁菲菲，李真.“对分课堂”教学模式在计算机组成原理教学中的应用[J].电脑知识与技术，2018，14（4）：96-97.

[8] 纪禄平，罗克露.计算机组成原理创新型教学方法设计[J].计算机教育，2011（7）：85-87，91.

【通联编辑：谢媛媛】