基于OBE的计算机硬件课程群建设与实践.pdf

2023年1 1 月计算机应用文摘第3 9 卷第2 1 期基于OBE的计算机硬件课程群建设与实践郭恒川,赵国增，任波（洛阳理工学院计算机与信息工程学院,河南洛阳4 7 1 0 2 3)摘要：为应对计算机专业人才培养中硬件能力薄弱、相关课程融合性不足以及实践水平低等问题，文章提出了构建计算机硬件课程群的方案。这一方案包括整合和优化课程内容、实践环节，并应用“教师工坊”模式来实现融合，以达到强化OBE理念和思政的目标。基于此，可以打造一个独立而完整的计算机专业硬件课程体系。关键词：课程群；OBE理念；教师工坊；课程整合中图法分类号：TP303Constructing OBE-based courses of computer hardware(School of Computer and Information Engineering,Luoyang Institute of Science and Technology,Luoyang,Henan 471023,China)Abstract:To address the issues of weak hardware skills,insufficient integration of related courses,and low practical level in the training of computer professionals,the article proposes a plan to build acomputer hardware course group.This plan includes integrating and optimizing course content,practical links,and applying the“teacher workshop model to achieve integration,in order to achievethe goal of strengthening the OBE concept and ideological and political education.Based on this,anindependent and complete hardware course system for computer majors can be created.Key words:course group,OBE concept,teacher workshop,curriculum integration随着工程教育专业认证的兴起，国内高校在提升教育质量方面拥有更加明确和合理的参照标准。特别是随着一流专业和一流课程建设与工程教育专业认证的相互联系、相互支持,认证工作引起了更多高校的关注,逐渐成为国内各工科专业的核心任务和努力目标。各高校纷纷将工程认证视为契机，对其教学体系进行了系统性的重构,与之相对应,各课程的建设和改革也以如何践行OBE理念，培养学生解决复杂工程问题的能力为核心。在计算机专业的课程设置和人才培养计划中,相较于软件课程方面的教学,计算机硬件课程教学相对薄弱,导致学生毕业时的硬件能力普遍不足 1 。例如，学生在毕业设计项目选择时，软件设计类项目占比超过9 0%，而硬件或软硬件结合设计的项目数量非常有限,这表明硬件课程的教学改革已经刻不容缓。尽管不同学校的硬件课程设置略有不同，但基本上都文献标识码：AGUO Hengchuan,ZHAO Guozeng,REN Bo分为理论、应用和实践等两个阶段，包括“模拟电子技术”“数字逻辑”“计算机组成原理”“单片机原理及应用”“嵌人式技术”等课程。这些课程的理论性和实践性都很强，而且课程之间存在明显的“先修”和“后继”关系,其中一些课程内容会重叠、相互渗透。目前,硬件课程缺乏全局统筹和科学规划，各门课程各自独立，导致课程之间出现知识点重复或遗漏等不当衔接的问题，学生难以获得一致的知识体系感和理解所学内容的前因后果 2 。因此,建立硬件课程群的目的是对各门硬件课程的内容进行统一和合理的安排，同时优化设置综合的、体现“两性一度”的项目实践活动。1教学现状及存在的问题1.1存在“重软轻硬”的倾向目前,大多数计算机专业的硬件类课程在课程设基金项目：河南省2 0 2 1 年高等教育教学改革研究与实践项目：融合教师工坊的课程思政育人效果提升研究与实践一一以“阳光E修”工坊为例（2 0 2 1 SJGLX565）；洛阳理工学院2 0 2 2 年教研项目：OBE理念下计算机硬件课程群建设研究与实践（2 0 2 2 JYYB-019）；洛阳理工学院2 0 2 1 年度校级课程思政专项建设项目：计算机组成与系统结构（2 0 2 1-0 5）2023 年第 2 1 期置中所占比例较低,甚至缺乏实践环节,这可能导致学生潜意识中对硬件知识的重要性缺乏充分认识。此外,计算机硬件类课程涉及知识较为抽象且内容相对枯燥，而且验证这些知识通常需要特定的硬件实验和测试条件，而软件知识则可以通过计算机轻松验证,这可能导致学生在学习过程中缺乏积极性。1.2硬件课程体系缺乏统筹规划与融合联动每门独立的硬件课程旨在确保其知识的完整性，因此这些课程通常包含所需的各种知识。然而,由于硬件类课程之间存在“先修后继”关系,导致它们之间的内容在某些部分有交叉或重叠，从而造成了内容的重复教授。此外，在实验方面，每门硬件课程通常根据教师的个人偏好使用不同的软硬件环境，这会导致学生需要花费额外时间来熟悉每门课程的不同实验环境。在当前学时被压缩的趋势下,这种重复的内容教学可能对课程的紧凑性产生不利影响。1.3实实践环节层次较低影响培养学生的创新能力计算机硬件类实验通常以验证性实验为主，学生按照预定的实验步骤执行,这些实验的难度较低，通常缺乏实际应用价值。这种教学方法未能有效地激发学生的主动性、创造性思维和实验探索的欲望。即使在课程中设置了硬件设计环节，由于硬件设计通常较为复杂,需要较长的时间来完成，因此很难安排较为具有挑战性的综合性硬件设计任务。这可能导致学生难以应用所学知识解决复杂工程和实际问题,从而影响了他们的创新思维和问题解决能力的培养。1.4缺乏硬件资源共享平台硬件类课程具有较强的应用性和工程性,能够显著提高学生的实践能力。除了课堂教学内容，学生在实验和设计方面也需要相应的硬件资源和环境来支持他们的创新设计。然而，各硬件课程通常涉及的硬件资源相对单一,难以满足复杂或创新设计项目的需求。因此,整合各门硬件课程所需的硬件资源，以满足不同难度和复杂度的实践需求，已成为课程改革的一项紧迫任务。2硬件课程群建设措施课程群的建设主要涉及整合各硬件课程的课程内容和实践环节，通过采用“教师工坊”模式，促进各层次的融合和交互。这有助于建立各门课程之间明确的联系，使知识的构建从理论到实践更加清晰，突出学习目标,以便学生能够达到最佳的学习效果。在“教师工坊”这一教学模式的实施过程中,要坚持思政育人，以提高学生的思想道德水平，同时注重实践育计算机应用文摘人，以增强学生的职业能力。2.1课程内容的整合为了整合课程内容,首先需要遵循OBE理念,对硬件课程需要支持的毕业要求进行分析，并确定整体目标和各门课程的具体目标。然后,根据各门课程的特定目标，选择其中包含的知识点，以形成知识树。在这棵知识树中,可以识别出具有前后关联或重叠的部分，然后综合考虑这些内容的教学安排，以实现更合理的设置。例如，表1 列举了“数字逻辑”“计算机组成原理”和“单片机原理及应用”这三门课程之间的相关内容。对于重复出现的知识点,通常会在首次出现的课程中进行教学，而在后续课程中则不再重复教授,以减少重复学时。对于前后关联性较高的知识点,可以考虑将它们整合为专题进行授课,拓展内容的深度和广度，直至达到应用层面，以深化学生对这些知识点的理解和掌握。表1 课程内容相关性举例类型数字逻辑BCD码重复内容数制及其转换数制及其转换快速进位链逻辑逻辑代数基础函数简化组合逻辑电路快速进位链全加分析器分析集成门电路与RAM存储器结构、触发器存储器与CPU连接关联内容中断系统原理与中断系统应用工作过程指令格式分析与指令应用设计数据寻址方式接口基本概念2.2实验基础环境的整合与内容的优化硬件课程的实验教学通常包括软件仿真和硬件焊接,或者这两者的结合。不同硬件课程因受到教师的个人喜好影响，可能会使用不同的仿真软件和硬件基础元件型号。这导致学生在每门硬件课程实验之前都需要重新学习软件的使用技巧和熟悉硬件元件的参数,这阻碍了他们在解决实际工程问题上的能力提升。因此,实验整合的第一步是统一硬件课程实验所需的软硬件环境。另外，在内容整合方面,硬件课程的实验内容应该按照逻辑前后关系划分为基础性实验、综合性实验和创新性实验，并将它们合理安排到不同的硬件课程中。基于此,学生通过课程群的所有实验训练，会逐步掌握基础元件的设计、最小系统的设计和应用系统的设计等技能，最终能够实现具有9计算机组成原理单片机原理及应用BCD 码指令应用接口设计与应用10实际应用价值的综合硬件项目设计。2.3设课程设计的改革与选题优化硬件课程的课程设计在总学时有限的情况下，通常面临时间短暂的挑战。为了增强课程设计的实际意义，必须提高设计题目的难度和综合性。这也意味着需要增加课程设计所需的时间。然而,在已有的时间框架内,很难增加额外的时间用于课程设计。一种可行的方法是充分利用学生的课余时间来完成课程设计。在课程的早期，可以提前布置设计题目，提供所需的软硬件资源,并进行相关题目的介绍和分析。提前发布设计题目不仅能够解决时间不足的问题,还能鼓励学生在课堂学习的同时积极探索课外知识。通过采用项目教学法，将课程设计与课堂教学相结合，可以激发学生的求知欲望,培养他们的主动学习能力。为了激发学生对设计题目的兴趣，并促进新技术的融合,设计题目应该按照一定的周期进行更新。硬件课程群的教师可以从他们之前指导的硬件竞赛项目中提取合适的实例作为课程设计题目。这样做不仅可以激发学生对竞赛的兴趣，提高他们的实际操作能力,还可以弥补课程内容难度较低的不足。2.4设置“教师工坊”设置“教师工坊”的目的是在学校规定的教学活动之外，建立一个集中优势资源、注重“拓、训、研、赛、创”的一体化培养模式。该工坊的主要形式是由课程授课教师组成的指导团队，他们利用课余时间进行学生的实践能力培养,基于所教授的课程内容和性质，以及个人的专长。“教师工坊”的负责人通常是课程群的负责教师,指导团队则由课程群的其他教师和企业教师一同组成，旨在提升计算机专业硬件设计实践能力的培养水平。该工坊以人才培养为核心，根据OBE理念和思政育人的实际需求,将其划分为四种主要类型，包括学科竞赛、项目科研、社会志愿服务以及创新创业，以有针对性地支持工程教育专业认证和课程思政的有效开展。“教师工坊”模式参与硬件课程群的“后教学”过程,充当学生综合能力素质培养的平台，具有明显的优势作用。大多数高校对课程教材的选用有明确的质量要求,经典教材往往被认为内容更新速度相对较慢,陈旧,跟不上硬件技术的发展,因此许多新理论和新技术并没有纳入课程教学 3 。通过“教师工坊”的指导,学生参与各类工坊活动,参与竞赛和项目开发，经过教师的引导和自主学习,能够接触到一些较新的知识，从而弥补教材内容的不足。硬件课程群的教师可以将各硬件课程所需的电子元件、焊接工具、测试仪器等资源集中存放在“教师计算机应用文摘工坊”的活动场所内，使学生能够在“教师工坊”内获取实践练习、创新研究和项目开发所需的物质资源。因此，“教师工坊”的设立可为学生提供一站式的硬件和工具支持。同时，“教师工坊”也可以作为学生了解硬件基础知识的实践场所。“教师工坊”也提供了一个学生与教师交流的平台,通过该平台，教师不仅能指导学生传授知识,还能在整个过程中通过言传身教、实际案例等更为隐性的方式对学生进行思政教育。这种形式可以使学生在日常、轻松的状态下接受思政教育，使学生更容易受到教育的引领和感染。“教师工坊”成为高校开展多样化、多渠道、个性化的精准课程思政教育的新载体。通过对学生的指导活动，不仅提升了学生的实践能力，同时使教师积累了在教学和实践方面的知识和经验，从而解决了高校硬件领域优秀师资匮乏的问题。在工坊活动中,教师积累了大量竞赛题目和项目开发资料,可以将难度适中的题目作为下一届学生的课程设计题目和课堂教学的案例,实现“反哺”课程教学。工坊在学生硬件学科竞赛方面也具有较大的优势,学生可以在工坊内得到各门课程对应教师的指导,从基础、理论到应用，教师的指导能力得到充分发挥。“教师工坊”可以在企业导师的协助下进行校企合作,从中选择适用的企业项目，引导学生进行开发实习。项目小组成员需要考虑组织结构、技术和标准的使用、产品功能、安全性等方面的要求，以满足企业的需求,最终完成产品设计，并按照企业标准进行生产、开发、交付过程管理和质量考核。整个设计过程有助于培养学生的精益求精、坚韧不拔的品格，锻炼解决复杂问题的工匠精神。同时,学生的硬件设计能力得到了实际锻炼，与企业接轨,增加了实际工作经验，提高了就业能力。“教师工坊”模式体现了“理实一体、虚实结合”的人才培养理念，深化了产教融合和校企合作，完善了课程思政的实施途径。3课程群建设与改革效果通过上述各种整合方法和教学模式对计算机专业硬件课程群进行的教学改革,以洛阳理工学院计算机科学与技术专业改革前后的两个年级的“单片机原理及应用”课程为例，从知识层面、实践层面和创新层面进行了量化对比。结果显示，学生在各方面的表现都取得了显著的提升，具体数据如图1 所示。按照9 0分以上的成绩定义为优秀标准来衡量,课程成绩的优秀率提高了2 倍，而课程设计成绩的优秀率则提高了(下转第1 4 页)2023年第2 1 期144结束语虚拟仿真实验室与现代科技的融合可大幅改善实验教学效果，同时弥补传统教学模式的不足，为学生的实践能力培育与发展提供助力，具有较强的应用与推广价值。近年来，我院虚拟仿真实验教学中心持续组织教学活动，每年均覆盖1 1 个专业6 0 0 多人，该活动不仅满足了学校在人才培养方面提出的要求，还帮助教师在教学活动积累了丰富的组织与指导经验。围绕虚拟仿真实验，我院教师已发表教研论文1 0 余篇,编写教材2 部；学生获得国家专利超6 0 项,年均100余人次参与专业竞赛并获奖，我院在人才培养方面取得了较大的进步。为进一步促进虚拟仿真实验室的建设与发展，高校应当给予经费支持并制定虚拟仿真实验教学激励政策，同时增设虚拟仿真实验课程,建立一套开放、完善的虚拟仿真教学资源共享系统，实现校内、校际间的优势互补，从而提高虚拟仿真实验室的使用率，进而增加虚拟仿真实验室的使用价值。参考文献：1 陈文刚,刘雁南,郑丽丽,等.车辆液压系统虚拟仿真实验(上接第1 0 页)3倍。此外，参与竞赛和企业项目开发的学生人数也大幅增加,获奖比例也增加了3 倍左右。因此,综合分析表明,计算机专业硬件课程群的建设和改革效果显著,特别是学生的实践能力得到了显著提升 4 5 。学科竞赛获奖率课程设计成绩优秀率课程成绩优秀率0%10%20%30%40%50%60%70%20级（教改后）1 9 级（教改前）图1 硬件课程群建设改革教学效果4结束语计算机硬件课程群的建设对于学生的硬件能力和毕业生质量至关重要，是一项需要高度重视的教学改革工作。在OBE理念的指导下，根据专业发展的需求,这也成为计算机专业工程教育专业认证不断改计算机应用文摘室建设研究 J.科技创新与生产力，2 0 2 1,3 2 8（5：8 6-8 8.2郑超,宋立彬，王新洪，等.材料成型及控制工程专业虚拟仿真实验室的建设与实践 J.实验技术与管理,2 0 1 9,3 6(3):261-265.3周佳杰,肖莉莉.高职院校工业机器人虚拟仿真实训室建设 J.中阿科技论坛（中英文）,2 0 2 1,2 8（6）：1 5 8-1 6 0.【4 张鹭鹭.产学研协同育人模式下经管类专业虚拟仿真实验室建设研究 J.产业与科技论坛，2 0 2 2,2 1（1 8）：2 5 9-2 6 0.5王郑库,李风霞,徐家年，等.基于应用型人才培养的虚拟仿真实验平台建设与实践一一以石油工程虚拟仿真实验室为例 J.重庆科技学院学报（社会科学版），2 0 2 0,2 6 2(3):121-124.6殷复鹏，邓晓红,张雷.基于模块化的虚拟仿真实验室建设J.实验技术与管理,2 0 2 0,3 7(6)：2 5 9-2 6 2.7】李乐欣.高校虚拟仿真实验室建设与管理探究 J.无线互联科技,2 0 2 1,1 8(2):8 4-8 5.8吴昊荣,李晓晓，陈娅，等.应用型本科高校实验室建设路径探索 J.技术与市场,2 0 2 3,3 0（1）1 6 2-1 6 5.作者简介：李晓晓（1 9 8 7 一）,硕士，实验师，研究方向：大学生实践教学评价。进的关键点。这一举措使教师的硬件教学水平得到提升，激发了学生的学习兴趣和实践欲望。参考文献：1 杨欣宇,李诚,陈长春.计算机专业硬件课程整合与课程群建设 J.高师理科学刊,2 0 1 7,3 7（4）:9 0-9 3.2雷艳静,钱丽萍,秦娥，等.OBE理念下计算机硬件课程群建设研究与实践 J.计算机教育，2 0 1 6（4)：8 8-9 0.3高亚兰,吴孝银,徐旭,等.基于OBE的工程教育模式在计算机组成原理课程中的应用与实践 J.电脑知识与技术,2 0 2 2,1 8(2 1):1 3 4-1 3 5.4韦良芬,梁月放,梅莹莹.应用型本科计算机系统能力培养的硬件课程群建设 J.西昌学院学报（自然科学版），2020,34(2):112-115.5郭树强,周欣欣.计算机专业硬件系列课程体系建设与实践 J.信息技术，黑龙江科技信息，2 0 1 6（3 1）：1 8 6.作者简介：郭恒川（1 9 8 2 一），硕士，副教授,研究方向：计算机应用、信息教育化。2023 年第2 1 期