基于OBE理念的“计算机组成原理”课程教学改革探索

赵郑营，宁菲菲

（平顶山学院，河南 平顶山 467000）

0 引言

2013年，我国成为《华盛顿协议》签约成员，标志着具有国际实质等效的工程教育专业认证。Outcomes-based Education（OBE）是一种基于成果导向的教育模式，它以学生学习应取得的成果进行组织、实施和评价。工程教育专业认证的3个基本理念：成果导向、以学生为中心、持续改进。前两个取决于教学设计，第3个取决于教学评价。成果导向教育已成为美国、英国等国家教育改革的主流理念，用其引导我国工程教育改革，具有现实意义。OBE强调4个问题：一是想让学生取得什么样学习成果；二是为什么要让学生取得这样的学习成果；三是如何有效地帮助学生取得这些学习成果；四是如何知道学生已经取得了这些学习成果。为了贯彻实施在成果导向教育理念的引导下推进教育教学改革，需要不断从课程教学中总结经验[1]。

1 “计算机组成原理”课程人才培养目标

“计算机组成原理”是专业核心课程，是计算机科学与技术专业的专业必修课。在专业的课程体系中位于第4学期。其先修的硬件课程有“电路与模电”和“数字逻辑”，分别在第2和第3学期开设，后续在第5学期的“单片机原理及应用”和“微机原理与汇编语言”课程，“计算机组成原理”课程在课程体系中起到了承上启下的重要作用。“计算机组成原理”课程的教学内容包括设计计算机内部工作的最基本方法，使学生必须通过深入分析才能建立问题的原理模型，并通过现代化工具设计简单的控制器模型。在此过程中，必须结合教学内容给出的原理并应用数字逻辑电路和硬件描述等知识，达到基本的微程序控制的目标，而这个目标充分体现了复杂工程的构建过程。“计算机组成原理”课程包含求解计算机硬件问题和利用计算机硬件技术求解问题的基本原理和方法；课程所涉及的问题需要运用工程原理进行深入的分析。“计算机组成原理”课程是计算机科学与技术专业培养学生识别、表达和分析计算机领域复杂工程问题能力的有效载体之一。该课程承担着重要的知识技能培养任务和思政素养教育任务，蕴含着大量的思政元素，是计算机科学与技术课协同育人的主阵地[2-3]。

根据计算机科学与工程专业毕业要求，明确以下4个课程目标。

（1）目标1：能够应用数据表示、运算方法、存储结构、指令系统和CPU工作原理等专业知识对计算机工程解决方案进行分析评价。

（2）目标2：能够应用计算机硬件基本组成原理等知识进行简单的硬件系统设计与开发，能够根据CPU、指令系统等部件性能的影响因素对相关设计方案进行设计和改进。

（3）目标3：能够应用流水线性能分析方法、CPU性能评估方法等科学方法识别并理解计算机复杂工程问题的相关特性。

（4）目标4：能够针对计算机复杂工程问题选择合适的总线结构、存储系统结构和指令系统，对计算机复杂工程问题涉及的硬件、模块等诸多因素开展技术研究和实验验证。

2 OBE理念下课程教授方法

本课程贯彻“以学生为中心”的教学思想，采用“互动、开放”的课堂形式，具体以讲授为主，实验教学为辅，教师采用启发式、问题式的教学方法，以知识为载体，传授“计算机组成原理”课程的思想和方法，课堂教学尽量引入互动环节，引导学生寻找解决方案，基于计算机中硬件组成问题，提高学生有效提出计算机领域复杂工程问题解决方案能力，促进学生课程目标的达成。充分利用学校超星泛雅网络教学平台，更好地搭建“计算机组成原理”课程MOOC平台，让学生通过手机端学习通App课前预习，制订学习计划并选择学习内容，从而成为学习的主角。进入实验室的学生可以通过实践完成对知识的理解和吸收，并进一步完成实验内容，不同层次学生之间可以互助，形成良好的学习氛围，从而让学生在较为开放的课堂氛围中展开实践教学，学生学习由被动模式变主动模式。

为了促进课程目标1的达成，根据教学内容，采用课堂教授和实验教学的方式，利用启发式和问题式教学方法，掌握计算机硬件构成的基本知识和工作原理，在实验教学环节中运用数据表示、运算方法、存储结构、指令系统和CPU工作原理等专业知识对计算机工程解决方案进行分析评价。

为了促进课程目标2的达成，根据教学内容，采用社会调研和实验教学的方式，根据CPU、指令系统等部件性能的影响因素对相关设计方案进行优化和改进，加强实验环节的引导，进行简单的硬件系统设计与开发。

为了促进课程目标3的达成，根据教学内容，采用课堂教授和课堂讨论的方式，利用问题式教学方法，加强实验环节的引导，运用流水线性能分析方法、CPU性能评估方法等科学方法识别并理解计算机复杂工程问题的相关特性。

为了促进课程目标4的达成，根据教学内容，采用社会调研和实验教学的方式，对计算机复杂工程问题涉及的硬件、模块等诸多因素开展技术研究和实验验证。

3 基于OBE理念的考核方式及具体要求

根据每项课程目标的达成途径，以及评价每项课程目标实现情况的需要，确定相应的考核方式和不同考核方式在每项课程目标评价中所占比例。根据每种考核方式在课程目标评价所占比例，本课程的学生成绩构成参考比例：作业20%，实验20%，试卷60%。

课程目标1的考核方式为试卷60%，作业30%，实验10%。课程目标2的考核方式为实验50%，试卷50%。课程目标3的考核方式为试卷60%，作业40%。课程目标4的考核方式为试卷50%，作业25%，实验25%。为优化课程目标的达成，每个课程目标的考核方式对应至多两种的原则，优化后课程目标1的考核方式为试卷40%，作业60%。课程目标2的考核方式为实验100%。课程目标3的考核方式为试卷100%。课程目标4的考核方式为试卷80%，实验20%。

3.1 试卷考核

试卷考核主要检验学生对计算机硬件工作原理的理解能力，对计算机工程解决方案的分析评价能力，简单的硬件系统设计与开发能力，计算机复杂工程问题的相关特性的识别与理解能力。在试卷内容考核中，改革前设计的题型为选择、判断、填空、综合题4大类。为了提高学生解决现实问题的能力，本课程将试卷题型设定为综合题一种，且题目表述需要和专业知识解决现实问题做出对应。综合题：请运用流水线性能分析方法、CPU性能评估方法等科学方法识别并理解计算机指令系统设计、I/O系统设计问题、指令系统设计问题的相关特性。

为了改善CPU在高速I/O设备或辅助存储器与主存交换信息过程中，不断被打断而执行中断服务程序的情况，人们探索出了DMA控制方式。利用计算机硬件基本组成原理等知识，分析并设计其应用场景执行过程。

（1）DMA接口主要由哪些部件组成；

（2）结合应用场景分析在数据交换过程中应完成哪些功能；

（3）画出DMA工作过程的流程图，并简述其工作过程（不包括预处理和后处理）。

3.2 作业考核

作业考核主要检验学生对计算机硬件的基本组成的认知能力，对硬件工作原理的理解能力，识别并理解计算机复杂工程问题相关特性的能力，对计算机复杂工程问题涉及的硬件、模块等诸多因素开展技术研究的能力。同样在日常的作业中也进行了理论联系实践的方式进行考核。

作业：中国人民解放军某部队研究出了一种基于汉明码纠错的测控软件数据库编码信息只能校验方法，仿真结果表明，采用该方法进行信息检验的纠错能力较好，测控软件数据库编码信息抗干扰和抗攻击能力较强，具有很好的信息隐写性能。结合课程存储器相关校验知识，分析解释奇偶校验原理和汉明校验码的实现原理，并自拟一段7位的二进制代码，完成汉明码的产生和逆向翻译过程。最后对发现的传输错误进行纠正和评价。

要求：（1）解释概念清楚；（2）对工作原理应用及分析评价方法合理；（3）分析评价结果合理。

4 课程考核评价

课程分目标达成情况评价值的计算如下：

其中，VCi为课程目标i的达成情况评价值，SAi为课程目标i对应考核平均分，STi为课程目标i对应考核总分，Wi为课程目标i对应考核方式所占比例。

根据2018级和2019级计算机科学与技术专业学生的学习情况进行考核，2018级和2019级课程目标的达成情况如图1所示，2019级学生的课程目标达成情况较2018级有所提升。

图1 2018级学生与2019级学生课程目标达成情况对比

5 改进措施

教师应加强学生分析和评价能力的训练。后续应加强学生分析和评价能力的训练，引导学生利用网络课程资源平台，强化“评价有关平台环境、技术工具和有效资源在问题求解中的局限性”的学习。优化教学案例和项目，在本课程下一学年的教学过程中，注重学生分析和评价能力的培养。后续应加强部分达成情况不好学生的学习指导，学业指导教师应积极与该类学生沟通。对于少数学业有困难的学生启动学业预警机制，进行学业帮扶，促进其毕业要求的达成。

为了促进课程目标的达成，学生应该形成整机思维，整合联系相关理论知识，综合运用恰当的方法，对计算机工程解决方案进行分析评价。注重实验操作，通过实验锻炼简单的硬件系统的设计与开发能力。掌握识别计算机复杂工程问题相关特性的方法，理解其特征。学生应该养成研究探索的习惯，在理论指导下积极进行实验验证。

6 结语

本文基于工程认证理念，在课程设计和教授方面以学生为中心，课程目标为起始进行探索。在评价考核方面，将课程理论知识与社会实践相联系，使得同学们在学习理论知识的同时，了解所学习知识的使用之处。方便根据学生的课程目标的达成情况，及时做出持续改进措施，这样在学习过程中更有利于提升学生分析和解决复杂工程问题的能力。