OBE 理念的計算機組成原理課程教學改革探析

摘要：文章旨在探析基于OBE理念的教學改革建議，以提升計算機組成原理課程的教學效果與質量。首先介紹了OBE理念，強調學生培養的結果和學以致用的重要性；其次分析了計算機組成原理課程教學中存在的問題；隨后提出了基于OBE理念的教學改革建議，包括設計更高階的教學目標、注重教學內容的延伸、改革教學方法與模式、拓展多維度的教學評價等方面。這些建議旨在培養學生更深層次的理解和應用能力，有效地改善計算機組成原理課程的教學質量。

關鍵詞：OBE理念; 計算機組成原理課程; 教學改革

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）27-0139-03

0 引言

OBE 理念（Outcomes-based Education） 強調的是關注學生培養的結果和學以致用，教育者需要明確學生畢業時應達到的能力和水平，然后設計適宜的教育結構來確保學生達到這些目標，這與傳統的內容驅動和注重投入的教育形成了鮮明對比。美國學者斯派帝在《基于產出的教育模式：爭議與答案》一書中對OBE進行了深入研究，將其定義為“聚焦和組織教育系統，確保學生獲得未來生活中實質性成功的經驗”。在OBE教育模式中，學生學到了什么和是否成功遠比怎樣學習和什么時候學習更為重要。西澳大利亞教育部門將OBE定義為：“基于實現學生特定學習產出的教育過程，將教育結構和課程視為手段而非目的，若無法為培養學生特定能力作出貢獻，則需要重建。”

計算機組成原理作為計算機學科的核心課程，對計算機類人才的培養和職業發展具有至關重要的作用。然而，由于其難度較大、知識點繁雜，在教學實踐中學生往往難以將知識運用于實踐。為提升教學效率與質量，可以借鑒OBE理念[1-2]，將其融入計算機組成原理課程教學中，以結果為導向，幫助學生更好地學以致用[3]。

1 計算機組成原理課程教學中存在的問題

1.1 教學目標的高階性特征不顯著

在計算機組成原理課程的教學中，常常存在教學目標高階性特征不顯著的現狀[4]。多數教師在課程中目標設定時，往往會過分強調硬件層面的內容，如CPU結構、指令集體系結構、存儲器層次結構等，而忽視了與軟件、編程語言、系統設計等相關的內容。這使得學生可能只關注于硬件的細節，而忽略了計算機系統的整體性和軟硬件之間的交互；其次，教學目標中對課程實踐性和應用性的要求不高，導致課程可能過于理論化，缺乏實際案例和應用場景的引入。學生只是被廣泛地介紹了概念和理論，而缺乏實際動手操作的機會，導致他們對所學內容的理解和應用能力有所欠缺；最后，教學目標的設計常常缺乏跨學科的視角。計算機組成原理課程通常是在計算機科學專業中進行教學的，但計算機科學本身是一個與其他學科交叉融合的領域。教學目標過于單一可能會導致學生缺乏對與計算機組成原理相關的其他學科的理解，如電子工程、數學、物理學等，從而限制了他們的綜合能力和視野。

1.2 教學內容較為枯燥

計算機組成原理是一門理論性偏強的課程，涉及大量的理論知識，如數字邏輯、CPU結構、指令集體系結構等，可能過于抽象，難以引起學生的興趣，難以與日常生活或個人興趣聯系起來；其次，缺乏生動的案例和示例，可能阻礙學生對課程內容的深入理解。例如，教學中沒有足夠的實際案例來說明理論知識在實際系統設計和應用中的應用，這使得學生難以將理論知識與實際場景聯系起來，從而降低了他們的學習積極性；再次，教學內容往往只集中于本學科，而缺乏跨學科視角。計算機組成原理課程通常只涉及計算機科學領域的內容，而忽視了與其他學科的交叉融合。例如，計算機組成原理與電子工程、數學、物理學等學科有著密切的關聯，但教學內容缺乏對這些學科的引入和交叉應用，使得學生無法從多學科的視角來理解計算機系統；最后，課程中的知識點比較孤立。在教學內容中，各個知識點往往被孤立地呈現，缺乏連貫性和聯系性。學生可能只是在接收零散的知識點，而缺乏對知識點之間關聯和整體性的理解，使得他們無法將所學知識應用于解決實際問題。

1.3 教學模式略顯單一乏味

多數學校中計算機組成原理課程的教學模式仍然比較單一。首先，傳統的講授模式占主導地位，主要靠教師在課堂上通過講解教材內容來傳授知識。這種模式下，學生大多是被動接受知識，缺乏主動參與和互動，導致課堂氛圍單調乏味[4-5]；其次，計算機組成原理課程中通常缺乏足夠的實踐環節，學生難以通過實際操作來鞏固理論知識，從而對所學內容的理解和應用能力常常受到限制，無法將理論知識轉化為實際技能；再次，傳統的講授模式往往缺乏學生與教師之間的互動和學生之間的討論環節，學生可能因為缺乏參與感而失去學習的興趣，導致課堂效果不佳；最后，教學模式單一還表現在課外延伸方面，教學內容與實際應用、行業發展趨勢等聯系較少。學生只能在課堂上學習到一些基礎的理論知識，但缺乏對計算機系統實際應用、前沿技術發展等方面的深入了解。

1.4 考核體系不夠科學全面

目前，大多數計算機組成原理課程的考核體系都是不太健全和先進的[7-8]。首先，考核方式單一，許多計算機組成原理課程的考核方式主要依賴于傳統的筆試形式，如期末考試、小測驗等。這種考核方式雖然能夠測試學生對理論知識的掌握程度，但卻無法全面評估學生的綜合能力和實際應用能力，存在較大的局限性；其次，考核缺乏實踐性評估。由于考核方式單一，學生的實際操作能力和解決問題的能力往往得不到充分的評價；再次，評價的標準相對片面。由于考核方式單一，教學評價往往偏重于學生對理論知識的掌握程度，而忽視了學生的創新能力、團隊合作能力等綜合素質。這導致了學生的學習動機不足，只追求應試成績，而忽略了自我提升和全面發展；最后，考核的結果不能很好地適應行業需求。考核方式單一、學習評價片面的現狀使得學生在畢業后面臨與行業需求脫節的情況。行業更加注重實際操作能力、解決問題的能力以及團隊合作能力等綜合素質，而傳統的考核方式無法全面評估學生的這些能力。

1.5 課程跨學科團隊建設不夠完善

計算機組成原理課程通常由計算機科學或者電子工程等專業的教師獨立負責教學，大多數高校缺乏跨學科的教學團隊。這導致了課程的教學內容和方法可能局限于某一學科領域，缺乏多元化和全面性；其次，教師間可能缺乏深入的合作與交流，導致教學內容和方法單一化，無法充分借鑒和分享其他教師的教學經驗和資源；教師的培訓和發展機會較少，導致教師的教學水平和教學能力無法得到有效提升；最后，教學團隊建設中學生參與機會少，以學生代表的參與和反饋機制能夠促進教學活動的優化和改進，提高教學的針對性和有效性。

2 基于OBE 理念的教學改革建議

2.1 設計更高階的教學目標

1） 有機結合理解與應用：將教學目標從簡單的知識掌握提升到理解和應用知識的水平，不僅要求學生掌握計算機組成原理的基本概念，還需要理解這些概念如何應用于實際系統設計和問題解決中。

2） 強化分析與綜合的能力培養：強調培養學生分析問題、整合知識的能力。通過案例分析、實驗設計等活動，引導學生將所學知識應用于解決實際問題，并進行深入的思考和分析。

3） 創新與設計的培養：提升學生的創新和設計能力。鼓勵學生參與課程項目或者實驗設計，培養他們的創造力和解決問題的能力，引導他們從設計中學習。

4） 引入跨學科的內容和方法：拓寬學生的視野。將計算機組成原理與其他學科領域（如電子工程、數學、物理學等）進行結合，幫助學生理解計算機系統的綜合性和與其他學科的關聯。鼓勵學生進行實踐性的學習活動，并引導他們對所學知識進行反思和總結。通過實驗、項目設計等活動，培養學生的實踐能力，并幫助他們加深對知識的理解。

5） 強調團隊合作和溝通能力的培養：設計團隊項目或者合作實驗，讓學生有機會與同學合作，共同解決問題，培養他們的團隊合作和溝通能力。

6） 培養學生的終身學習態度和自主學習能力：引導學生主動探索和學習，鼓勵他們利用各種資源和方法提升自己的學習能力，并將其作為一種終身習慣。

例如，在培養學生面對CPU設計這一復雜工程問題時，通過將CPU分解成多類功能相對獨立的模塊（如圖1所示），每個模塊的設計與調試形成一個子任務，且都有明確的目標。通過設計更高階的教學目標，能夠有效地建設高階的教學目標，在計算機組成原理課程中培養學生更深層次的理解和應用能力，促進其綜合發展和終身學習能力的培養。

2.2 注重教學內容的延伸

跨學科知識點的結合，有利于學生全方位掌握知識點全方位。比如，數字邏輯與數字系統設計部分涉及了數字電路的基本原理和設計方法，與電子工程學有密切聯系。在學習邏輯門的原理和設計方法時，引導學生與電子工程學中的數字電路設計相關知識相結合。再比如，計算機組成原理課程與數學之間的關系也是密不可分的，課程中所涉及的布爾代數和邏輯運算等數學知識，與數學學科有密切聯系。在學習布爾代數的基本規則和定理時，引導學生與數學學科中的邏輯推理和集合論相關知識相結合。

2.3 教學方法的改革與創新

基于混合教學模式的基本思想，將教學基礎環境定位于SPOC或超星等平臺作為主要在線學習平臺，騰訊會議和QQ群用于線上互動和溝通，課堂和實驗室作為線下學習和實踐的場所。教學方法改革著眼于提高學生的自主學習能力和實踐應用能力，以促進他們的全面發展。

1） 學生將在課前進行自主學習，通過觀看教學視頻、閱讀教材、完成在線測驗等方式預習相關知識，為線下課堂的學習打下基礎（如圖2 所示）。這樣的預習環節可以讓學生在課堂上更加專注于問題討論和思維碰撞，提高了課堂教學的效率。

2） 在線下課堂中，我們采用師生互動和生生互動相結合的方式。教師不再是單向傳授知識的角色，而是引導學生積極參與討論、提出問題，并給予及時的反饋和指導。同時，學生之間也能夠通過小組討論、案例分析等方式進行交流和合作，共同解決問題，促進彼此的學習。

3） 課后，我們鼓勵學生在SPOC 平臺上繼續學習，并進行實踐任務的完成。學生可以通過在線實驗、編程作業、項目設計等方式，將所學知識應用于實際問題解決中，并及時在QQ群等平臺上與同學和教師進行交流和反饋。這樣的實踐環節不僅能夠鞏固所學知識，還能培養學生的問題解決能力和創新思維。

4） 將多教育平臺的資源有機整合，形成任務驅動的遠程混合教學模式。教師可以根據學生的學習需求和任務要求，在不同的平臺上選擇合適的教學資源和工具，為學生提供更加豐富和多樣化的學習體驗。

2.4 拓展多維度的教學評價

教學評價是OBE理念貫徹教學與否的重要方面，通過引入多樣化的評價方式，包括實驗報告、項目作業、小組討論、口頭展示等，可以更加全面評估學生的知識水平、實際應用能力和綜合素質，其示意圖如圖3 所示。

1） 期末考試是必不可少的，考查學生對計算機組成原理基本概念的理解程度，包括CPU結構、存儲器層次結構、指令集體系結構等方面。

2） 增加小組討論和口頭報告，考查學生的團隊合作和溝通能力，學生通過小組討論和口頭報告展示他們對計算機組成原理的深入理解和綜合應用能力。

3） 以實驗報告和項目作業的方式，來考查學生的實踐能力和問題解決能力，將實踐性評估納入課程考核體系，例如通過實驗操作、項目設計等方式，評價學生的實際操作能力和解決問題的能力。

2.5 加強課程跨學科團隊建設

第一，建立跨學科的教學團隊，吸引計算機科學、電子工程等不同學科領域的專家共同參與課程設計和教學活動；第二，提供教師培訓和發展機會，支持教師參加教學方法和教學技術的培訓，提高其教學水平和教學能力；第三，建立教師間的合作與交流機制，促進教師之間的合作和交流，分享教學經驗和資源；第四，設立教學團隊的管理和組織機制，確保教學活動的有序進行和教學目標的實現；第四，引入學生參與的機制，鼓勵學生參與課程設計、評價和改進，提高教學活動的針對性和有效性。

3 結論

計算機組成原理課程的教學思考與探索應致力于實現學生全面發展和提升學習效果的目標。這一過程需要緊密結合時代發展和學科需求，不斷創新教學理念和方法，使教學更加生動、貼近實際，從而有利于學生能力的全面培養。本文以OBE理念為抓手，從教學目標、教學內容、教學模式、教學考核體系以及跨學科團隊建設等多個維度，深入思考了現實教學中所面臨的挑戰和問題。以問題為導向，探索了相應的教改思路，旨在構建一套完整的教學體系，培養學生的綜合素質和創新能力，提高他們在計算機組成原理領域的實踐能力和應用水平。

參考文獻：

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【通聯編輯：王 力】

基金項目：江蘇大學高級人才基金資助項目（21JDG051）