面向OBE的計算機硬件類課程實驗改革探索

李潤洲 康磊 宋彩利

[摘要]計算機硬件類課程的實踐性強、工程應用性強，貫穿整個計算機專業課學習階段，是訓練工程思維與培養工程能力的重要手段。面向OBE，從貼近實際工程環境，設置層次遞進的工程性實驗項目，多個層次與結點上的實驗驗收與考核方式等方面進行了實驗改革，并結合基于二維碼的實驗過程監管云平臺，探索解決實驗環境有效學習、多結點驗收、多層次能力培養、OBE持續改進等問題。

[關鍵詞]二維碼;OBE;計算機硬件類課程;實驗

[中圖分類號]G642.0

[文獻標識碼]A

[文章編號]2095-3437（2020）03-0098-03

2013年6月，中國成為《華盛頓協議》簽約預備成員國，2015年6月轉為正式成員?！度A盛頓協議》以成果導向教育（Outcomes-Based Education，OBE）為核心理念，是目前國際化程度最高、最具權威性的本科工程教育國際互認協議。不同于本科教學評估，國際等效、目標定位、能力導向和持續改進是工程教育專業認證的主要特征，它將本科教育從傳統的工科教育中解放出來，回歸工程教育，以學生的學習和未來的發展為中心，將關注點從“教什么”轉變為“學會了什么，學會做什么”。

這一指導思想將實踐環節擺在重要且突出的位置。計算機硬件類課程是計算機類相關專業課程的重要組成部分，其實踐性強、工程應用性強。該類課程從大學二年級的專業基礎課到硬件類相關的畢業設計（論文），貫穿整個專業課學習階段，是學生參與工程實踐、形成工程思維、獲得工程經驗的重要手段。致力于服務西部地區經濟社會和培養應用型工程人才的普通地方院校，其硬件類課程實驗可從以下幾個方面進行改革：改善實驗環境，與實際工程環境接軌;按實驗技能、專業實驗能力、工程項目能力、設計創新能力層次遞進的方式制定課程目標，設置實驗項目;重視實驗（實踐）過程，改進考核制度。同時，對于學生是否完成得好，是否達到了預期目標，后續如何改進等，著手建設計算機硬件類課程實驗過程監管云平臺（Experiment Process Supervisory Cloud Platform，EPSCP），以解決上述改革實施中管理與操作碰到的問題，并為課程和實驗項目的持續改進提供定量數據支持，以改進當前經驗型粗放評價的不足。

一、面向能力培養的計算機硬件類課程實驗改革

計算機硬件類課程包括數字邏輯、計算機組成原理、微機原理與應用、嵌入式系統、計算機體系結構、物聯網技術以及硬件類課程設計和相關的畢業設計（論文）等，實踐性強、工程應用性強，又普遍難懂難學，因此實驗環節就成為深入理解工程原理并培養工程能力的主要推手。根據學校生源的實際情況，計算機硬件類課程實驗可從以下幾個方面開展改革與探索。

（一）將實驗過程、成果作為課程考核的主要內容，強調成果驗收

實驗分兩人一組，驗收時對每組每人進行提問，包括設計思路、操作方法、階段性及最終成果演示、工程原理等，并將驗收成績作為實驗成績主要的評分依據，使考核形式多元化，加強學生對實踐能力、動手能力的重視，促進其工程能力的培養。同時，可充分促進實驗前的預習準備、問題分析、方案設計;實驗中測試和調試方法手段的掌握，問題的發現與解決;驗收時對質詢問題進行回答、表述、演示，有助于總結、厘清思路，拓展問題的認識深度。

（二）實驗環境盡量與實際工程接軌，實驗項目向實用性靠攏

過去幾年的內涵式建設與發展，計算機硬件類課程實驗無論是在硬件平臺、軟件開發環境還是實驗教材方面都已經能夠跟隨工程應用環境。比如嵌入式系統與物聯網技術課程的“Cortex A9核心芯片+傳感模塊+無線模塊+JDK+Eclipse框架+GNU ARM插件+ARM編譯器+FS-JTAG仿真器+云服務器”實驗平臺，能夠讓學生學會使用較為先進的工具與技術，畢業后經短期培訓即可融入實際工作環境。同時考慮計算機產業工具與技術快速變化的態勢，建立以工程認證為促進手段，以工程認證周期為節點的軟件環境升級更新機制，解決經費、投入有限情況下的實驗環境更新問題。

在實驗項目的設置與設計方面，堅持可用、實用、結合實際情況的原則。通過將復雜項目拆分成簡單分析、設計型實驗，再組合為綜合實驗，為課程設計項目購置少量特定開發平臺等手段，使學生盡早開始工程項目思維的訓練。比如將秒表（數字邏輯）分解為計數器、顯示電路設計實驗，將RISC模型機（計算機組成原理）分解為運算器、存儲器設計實驗以及四軸飛控教學系統（嵌入式系統課程與課程設計）的購置等等。

（三）重視復雜綜合類實驗項目，加強實驗的開放性設計

面向OBE，提升學生學業挑戰度并做到與國際等效，對普通地方院校來說不可謂不難。但重視考核與驗收的復雜綜合實驗項目能幫助學生轉變學習態度，增強實踐能力與工程能力。面向全體學生的畢業能力要求，這一類實驗項目需要重視開放性設計，允許學生在多個層次上進行。一方面幫助低層次學生理解工程原理與培養基本的應用、分析、設計能力，另一方面滿足高層次學生創新能力的發展要求。以計算機組成原理為例，表1給出RISC模型機的層次化設計與能力培養目標，其原型采用Verilog描述的全開放設計，實驗難度可從理解實驗原理過渡到完全更新設計自己的模型機，保證學生在基本原理與實驗技能掌握的基礎上有足夠的創新、拔高空間。

二、基于EPSCP的實驗過程監管

上述措施在實施時仍碰到一些問題：計算機硬件類實驗依賴環境與場地，其調試、測試過程通常又比較耗時，多個階段性結點的逐組逐項驗收在當前的人員配比與實驗時間內完成有困難;與實際工程接軌的實驗平臺工具、參數、流程繁雜，成為耗費學生實驗時間以及影響核心分析、任務設計的主要障礙;學生完成效果、能力培養達成度評價依據的數據離散孤立，主要采用經驗型評價模式，很難形成有效的反饋及改進建議。因此，著手建設基于二維碼的計算機硬件類課程實驗過程監管云平臺EPSCP，利用二維碼在手機等智能移動設備上的廣泛應用，完成實驗簽到，實驗環境學習支持，實驗過程測查，達成度評價支持等。其體系結構與工作流程如圖1所示。

（一）簽到

由EPSCP簽到系統完成，通過維護學生、課程、教師、實驗項目、實驗開設等信息，生成學生實驗項目相關的二維碼，用于學生實驗簽到或開放實驗室使用登記。基于二維碼的簽到系統極大地簡化了考勤過程，提高了考勤準確度，解決了冒名簽到以及開放實驗室實驗時間彈性變化下的實驗時效統計等問題。

（二）學習

與實際工程環境接軌的實驗平臺工具多、更新快、參數復雜、流程煩瑣。以數字邏輯為例，其實驗課是學生開始專業實驗，培養實驗技能與專業實驗能力的重要環節。但由于學生初次接觸EDA技術、Verilog描述語言、開發板、Quartus Ⅱ集成開發環境，因此他們掌握如何將開發資源轉換為實際的工程項目就需要多一些引導與學習。教材、廠家手冊等大而全的說明性文檔很難及時有效解決問題，非操作過程中的講解耗時費力卻效果不彰。

利用EPSCP學習系統，可發布特定專題講解視頻供隨時查看，更可以依據以往的教學經驗，將常見的問題、易出錯的問題、需要強調的問題等編寫錄制成有針對性的簡短操作說明文檔或視頻，發布到服務器，生成資源二維碼。學生登錄簽到系統后，教師下載保存所有二維碼到手機，或形成打印的條碼本發給學生。每個二維碼都以所描述問題的關鍵詞命名，針對具體問題，學生可根據關鍵詞查詢快速定位問題資源，這樣能大大減少實驗平臺學習占用的實驗時間，解決開放實驗室實驗輔導及實驗預習階段的答疑解惑等問題，充分提高實驗時效。

（三）測查

EPSCP的實驗過程測查系統可用于快速在線實驗驗收與結果記錄，解決逐組逐項多層次成果驗收的時效性問題，并為達成度評價提供有效數據支持。

針對每個可驗收項（也稱為考核點），EPSCP生成由關鍵詞命名的考核點二維碼。學生掃描二維碼后輸入學號，就能跳轉到驗收內容頁面。系統提出驗收問題，學生回答上傳提交，完成驗收?？己它c由課程和實驗項目確定，可以是多項實驗內容中的一項，也可以是大型綜合實驗多個層次上的階段性驗收點，如表1的驗收考核內容所示。還可依據其能力培養目標劃分為基礎型、應用型、創新型三種類別，在能力培養與達成度評價中給予不同的權重。所有考核點的驗收考核內容匯集成題庫，學生每次登錄時動態生成驗收問題，并設置時效性。實驗過程測查系統的信息結構如表2所示。

（四）統計

實驗過程中采集的數據是實驗項目、內容、課程體系、人才培養方案等持續改進的重要依據。統計與分析系統可依據實驗出勤情況、自主實驗時長等統計學生完成實驗的總時長，確定實驗內容設置難易程度的合理性;可統計各工具、環境等學習項目的訪問次數，確定實驗過程中的主要障礙與困難，必要時改進實驗手段，或增加單獨的實踐環節等;可統計每個實驗項目各考核點的完成時間、完成率、達標率、時效性等，以進一步分析能力培養是否達標、實驗設置是否合理、課程學習是否有效等。

三、結語

本研究面向OBE，對計算機硬件類課程在實驗項目設置的復雜綜合性、遞進能力培養作用、實驗環境的實用性、考核方式的過程性等方面進行了改進，收到了良好效果。特別是通過綜合實驗項目完成完整工程訓練，極大地激發了學生的學習熱情及其投入工程項目的動力。同時考慮到在達成度評價與持續改進實施中，偏經驗、定性、離散化考核成績數據支撐的不充分性，因而建設了EPSCP監管云平臺。計算機硬件類課程實驗有比較明顯的優點：能極大地減少環境操作講解學習時間，增多分析、設計、驗證時間，使時效性顯著提高;實驗考核可細化到多個結點，使得強調實驗過程的考核成為可能;學習驗收結果可統計、可分析，成為課程目標與畢業要求達成度評價的重要數據，也成為課程體系、實驗項目持續改進的重要依據。但各個統計數據以什么樣的權重參與評價能夠成為持續改進的主要依據，需要綜合課程目標、畢業要求、實驗項目等級、實驗考核目標、完成度等等多維信息，如何獲得滿意的模型還需要多次的嘗試與探索。

[責任編輯：龐丹丹]