三支决策与OBE结合的计算机组成原理课程教学探究

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　　摘 要：针对计算机组成原理课程教学过程中存在的问题，将三支决策理论引入计算机组成原理教学领域，结合基于成果导向的教育模式（OBE），提出了三支决策和OBE相结合的计算机组成原理课程教学模式（TWD-OBE）。将本科阶段计算机组成原理教学过程分为认知、提升和综合3个阶段，分别对应课堂教学、课程设计和国家级CPU设计大赛。在对教学内容进行重构的基础上，将MOOC资源分布到3个阶段中。在计算机组成原理教学中采用这种循序渐进的方式传授知识和技能，使学生具备设计和实现复杂模型的能力。
　　关键词：计算机组成原理;三支决策;OBE;MOOC
　　DOI：10. 11907/rjdk. 191965 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
　　中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2020）002-0195-03
　　英标：Research on the Computer Organization by Combining Three-way Decision and OBE
　　英作：ZHAO Song， BIAN Yi-xin， WANG Hong-xia， WANG Yuan-zhi
　　英单：（School of Computer Science and Information Engineering， Harbin Normal University， Harbin 150025， China）
　　Abstract： In order to resolve the problems in the teaching process of computer organization， a new teaching pattern of computer organization was proposed in this paper by combining the theory of three-way decision and the outcome-based？education model （OBE）. The teaching process of computer organization in undergraduate period is divided into three stages： cognition stage， improvement stage and comprehensive stage， which correspond to classroom teaching step， course design step and the step of national CPU design competition respectively. On the basis of the reconstruction of teaching contents， MOOC resources are distributed into these stages to gradually cultivate the knowledge and skills of computer organization. The purpose of this teaching pattern is to make the undergraduates develop the ability of designing and implementing complex model machines.
　　Key Words： computer organization; three-way decision; OBE; MOOC
　　0 引言
　　作為计算机专业的核心基础课程，计算机组成原理课程教学目标是使学生掌握计算机基本原理，深刻理解计算机硬件执行程序的过程，培养学生对计算机系统分析、设计、开发和使用能力[1]，为未来从事芯片设计、体系结构和系统开发等工作奠定基础[2]。“中兴事件”和“华为事件”的发生，使企业认识到必须自己掌握核心技术，实现芯片自主开发，而要达成这一目标，相关人才培养是关键。持续推进基于OBE 理念的课程改革，培养硬件开发人才，在新时代具有重要意义。
　　为提高计算机组成原理课程教学效果，许多高校进行了各种尝试。在中国知网的主题搜索框中输入“计算机组成原理”，获得1 107条搜索结果（截至2019年5月25日），从多角度或结合多种理论对课堂教学或实验教学方法进行了探索。在理论教学方面，厦门大学[2]将工程教育专业认证与基于学习产出的教育模式（OBE）相结合，对计算机组成原理课程体系、授课模式以及产出评价标准等进行重构;哈尔滨理工大学[3]将MOOC应用于计算机组成原理课程建设，以提升学生自主学习能力;华北电力大学[4]将能力培养融入到计算机组成原理课堂教学中，为教学模式研究提供新思路。在实验教学研究方面，南京邮电大学[5]使用国产龙芯开源CPU的计算机组成原理实验平台进行实验教学，学生动手设计真实处理器，以此提升计算机组成原理课程教学水平。尽管OBE理念已经在教学领域得到广泛认可，但将其用于计算机组成原理课程教学的研究却很少。本文将科研领域的三支决策理论与OBE理念相结合，提出三支决策和OBE相结合的计算机组成原理教学模式（TWD-OBE）。
　　OBE（Outcomes-based Education）是被国际教育界广泛认可的教育理念，尤为适合计算机等工程类专业[6]。与传统 “以教为主”的教育模式相比，OBE倡导“以学为主”。学生作为主角，通过学习获得专业技能，而作为配角的教师则通过组织和促进教学活动展开，引领、辅导学习活动[7]。
　　哈尔滨师范大学计算机科学与信息工程学院在计算机组成原理课程教学过程中存在诸多问题，归纳如下：①理论教学学时不够，仅有大二下学期54学时的理论课程，学习效果不理想，大部分学生没有达到教学目标要求;②仍采用比较老旧的实验箱进行实验教学，学生在这些落后的设备上进行验证型实验，不足以支撑后续的设计型实验。由此导致学生在实验教学环节中普遍做不出教师布置的题目，与OBE将知识转化为能力的要求相距甚远。 　　为解决以上问题，本文将科研领域的“三支决策”思想引入计算机组成原理课程教学领域，将本科阶段教学过程分为认知阶段、提升阶段和综合阶段，分别对应课堂教学、课程设计和国家级CPU设计大赛，通过MOOC资源将三者结合为一个整体。
　　1 三支决策
　　三支决策理论（Three-way decision）是加拿大华人学者Yao[8]于2010 年首次提出的。三支决策诞生于粗糙集研究过程，后来逐渐演变为一种解决问题的思维模式。这种模式主要是用三种思维求解复杂问题，具体表现为以三为本、基三思维、依三而治，既包含了“一分为三”，也包含了“三合为一”。随着三支决策研究的发展，其应用研究也逐渐渗透到不同领域，许多学者已将这种思想转换为一个理论系统、信息处理模式和计算方法[9]，用于解决不同应用领域问题，取得了良好效果。
　　2 三支决策与OBE相结合的教学模式
　　传统的计算机组成原理授课模式主要是教师讲授学生接受，实验和课程设计采用的设备也较陈旧，验证型实验学生完成度比较理想，但设计型实验绝大部分学生做不出来，而“综合运用计算机原理知识，设计并实现较为完整的计算机”是对学生的基本能力要求。
　　为使学生达到课程要求的能力，根据OBE理念定义：“教育系统中的每一项活动设计都应基于最终的学习者学习成果”[10]，本文将三支决策理论应用于本科阶段计算机组成原理课程教学，提出三支决策和OBE相结合的计算机组成原理课程教学模式（TWD-OBE），如图1所示。该模式将本科阶段教学过程分为认知阶段、提升阶段和综合阶段，分别对应课堂教学、课程设计和国家级CPU设计大赛，3个环节均采用MOOC资源或线上资源，通过线上资源将三者“三合为一”。循序渐进 “磨炼”学生的计算机组成原理知识和技能，使其具备教学目标要求的能力。
　　2.1 认知阶段课堂教学
　　2.1.1 学习内容
　　课堂教学是学习过程的认知阶段，是学生从对计算机硬件结构完全“陌生”到“熟识”的过程。这个阶段学习内容见表1。基本理论与实践内容为：计算机组成原理之机器、计算机组成原理之数字、计算机组成原理之CPU和与之配套的验证型实验。教学模式采用课前预习+课堂教学+课后作业的形式完成。首先，任课教师选取线上内容，让学生做好课前预习，这部分内容采用中国大学MOOC上哈工大的计算机组成原理课程;然后，在课堂教学活动中采用雨课堂教学工具进行提问和练习，快速获取反馈结果，并针对薄弱环节进行讲解和辅导;最后，将作业通过雨课堂工具发送给学生，学生按时完成作业。学习者可根据自身对知识的掌握程度参加线上小测试、期中和期末考试。通过线上学习和考试后可以获得该课程学习合格证。学生线上成绩作为任课教师期末评分依据，最终的期末考试学生一样参加，由任课教师评定成绩。
　　2.1.2 考核方式
　　根据计算机组成原理教学培养目标、考试大纲和计算机硬件课程类型及特点，课程考核内容应从知识、能力、素质3方面着手，同时兼顾学生的学习能力、创新能力和综合素质等指标[11]。
　　传统考核的过程性评价和终结性评价比例是5∶5，但加入雨课堂和MOOC内容后，学生的过程性学习内容增加，为了更加客观地评定学生的学习成绩，突出学习过程的重要性，需增加過程性评价比重，过程性评价与终结性评价成绩比例变为是6∶4。其中过程考核成绩由课堂表现、学习评价和实验3个部分构成，占总成绩的60%;终结性评价的期末考试占40%，由任课教师评定，各部分内容所占比例及说明见表2。
　　如表2所示，第一部分课堂表现由提问+课堂讨论的形式构成，学生以小组为单位，提问内容是学生课前预习部分，对有疑问或回答不准确的部分先进行组内和组间讨论，然后由教师进行讲解和辅导，这部分成绩占总成绩的5%;第二部分学习评价由测验+在线讨论+作业3部分构成。其中随堂测验占10%，作业占10%，均由雨课堂平台记录成绩。在线讨论占5%，由MOOC平台记录成绩;第三部分实验，由于线上平台没有涉及，所以学生需在实验室完成，共占30%，成绩由任课教师评定。
　　2.2 提升阶段课程设计
　　课程设计通常在组成原理教学结束后进行，属于设计型实验，对学生能力要求比较高。从实际情况看，绝大部分学生不能很好地完成实验项目，缺乏硬件设计能力，达不到OBE模式要求。针对这种情况对课程设计内容进行重构：在技术上采用Vivado设计套件，并引导学生自学东南大学的Vivado MOOC线上课程。
　　课程设计开始前两周指定学习Vivado的MOOC内容，学生也可依据自身实际选择其它MOOC内容进行学习。课程设计开始后，教师根据学生的任务完成度打分，其中完成表1所示课程设计前两项任务的为及格，完成前4项任务的为良好，完成所有任务的为优秀。优秀学生有资格参加应届“龙芯杯”全国大学生计算机系统能力培养大赛。
　　2.3 综合阶段全国计算机系统能力大赛
　　将科技竞赛融入教学，这种改革模式不仅能为科技竞赛提供理论指导，还可提高学生学习积极性，使理论和实践联系更紧密，提高教学质量[12]。“龙芯杯”全国计算机系统能力大赛是由教育部计算机类教指委发起的全国性大赛，是计算机硬件类最高级别比赛，其目的是提升学生以CPU为核心的系统设计想象力、创新力和工程实践能力[13]，是OBE理念对本科阶段硬件课程的最高要求。
　　对课程设计中成绩优秀的学生，教师可指定其学习相关MOOC内容和大赛培训视频，学习内容如表1所示。对于其它学生采取自愿方式，对有学习要求的学生，任课教师安排其与参赛同学学习相同内容。
　　3 结语
　　本文提出的三支决策和慕课相结合的计算机组成原理课程教学模式（TWD-OBE），将教学、课程设计和国家级CPU设计大赛通过MOOC资源整合为一个整体，阶梯式地提升学生计算机硬件知识和技能，不仅要求学生掌握计算机硬件的核心知识，而且要将知识转化为能力，具备复杂模型机的设计与实现能力。 　　参考文献：
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　　[2] 张海英. 基于OBE 理念的《计算机组成原理》课程改革[J].  现代计算机，2018（12）：73-75.
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　　[4] 张铭泉，程晓荣.  以能力培养为目标的计算机组成原理教学研究[J]. 教育教学论坛，2019（11）：221-222.
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　　[11] 巩新龙，李松林，原松梅，等. 实验、实习、毕业设计三位一体本科实践教学模式的探究[J].  现代教育技術，2012，3（22）：119-121
　　[12] 游磊，张航，罗熙越，等. 计算机组成原理课程和科技竞赛融合教学改革探究[J]. 信息系统工程，2018（10）：163-164.
　　[13] “龙芯杯”第三届全国大学生计算机系统能力培养大赛[EB/OL].  http：//www.nscscc.org/
　　（责任编辑：杜能钢）
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