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［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(yè)課學習階段，是訓練工程思維與培養(yǎng)工程能力的重要手段。面向OBE，從貼近實際工程環(huán)境，設置層次遞進的工程性實驗項目，多個層次與結(jié)點上的實驗驗收與考核方式等方面進行了實驗改革，并結(jié)合基于二維碼的實驗過程監(jiān)管云平臺，探索解決實驗環(huán)境有效學習、多結(jié)點驗收、多層次能力培養(yǎng)、OBE持續(xù)改進等問題。

［關(guān)鍵詞］二維碼；OBE；計算機硬件類課程；實驗

2013年6月，中國成為《華盛頓協(xié)議》簽約預備成員國，2015年6月轉(zhuǎn)為正式成員?！度A盛頓協(xié)議》以成果導向教育（Outcomes⁃BasedEducation，OBE）[1-2]為核心理念，是目前國際化程度最高、最具權(quán)威性的本科工程教育國際互認協(xié)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(xù)改進是工程教育專業(yè)認證的主要特征[3]，它將本科教育從傳統(tǒng)的工科教育中解放出來，回歸工程教育[4]，以學生的學習和未來的發(fā)展為中心，將關(guān)注點從“教什么”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩W會了什么，學會做什么”。這一指導思想將實踐環(huán)節(jié)擺在重要且突出的位置[5-6]。計算機硬件類課程是計算機類相關(guān)專業(yè)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(yè)基礎(chǔ)課到硬件類相關(guān)的畢業(yè)設計（論文），貫穿整個專業(yè)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(jīng)驗的重要手段[7]。致力于服務西部地區(qū)經(jīng)濟社會和培養(yǎng)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(huán)境，與實際工程環(huán)境接軌；按實驗技能、專業(yè)實驗能力、工程項目能力、設計創(chuàng)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(xù)如何改進等，著手建設計算機硬件類課程實驗過程監(jiān)管云平臺（ExperimentProcessSupervisoryCloudPlatform,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(xù)改進提供定量數(shù)據(jù)支持，以改進當前經(jīng)驗型粗放評價的不足。

一、面向能力培養(yǎng)的計算機硬件類課程實驗改革

計算機硬件類課程包括數(shù)字邏輯、計算機組成原理、微機原理與應用、嵌入式系統(tǒng)、計算機體系結(jié)構(gòu)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及硬件類課程設計和相關(guān)的畢業(yè)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(huán)節(jié)就成為深入理解工程原理并培養(yǎng)工程能力的主要推手。根據(jù)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）將實驗過程將實驗過程、成果作為課程考核的主要內(nèi)容，強調(diào)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(jù)，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(yǎng)。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(diào)試方法手段的掌握，問題的發(fā)現(xiàn)與解決；驗收時對質(zhì)詢問題進行回答、表述、演示，有助于總結(jié)、厘清思路，拓展問題的認識深度。（二）實驗環(huán)境盡量與實際工程接軌實驗環(huán)境盡量與實際工程接軌，實驗項目向?qū)嵱眯钥繑n。過去幾年的內(nèi)涵式建設與發(fā)展，計算機硬件類課程實驗無論是在硬件平臺、軟件開發(fā)環(huán)境還是實驗教材方面都已經(jīng)能夠跟隨工程應用環(huán)境。比如嵌入式系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)課程的“CortexA9核心芯片+傳感模塊+無線模塊+JDK+Eclipse框架+GNUARM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(shù)，畢業(yè)后經(jīng)短期培訓即可融入實際工作環(huán)境。同時考慮計算機產(chǎn)業(yè)工具與技術(shù)快速變化的態(tài)勢，建立以工程認證為促進手段，以工程認證周期為節(jié)點的軟件環(huán)境升級更新機制，解決經(jīng)費、投入有限情況下的實驗環(huán)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(jié)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(fā)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(shù)字邏輯）分解為計數(shù)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(tǒng)（嵌入式系統(tǒng)課程與課程設計）的購置等等。（三）重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(yè)挑戰(zhàn)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(zhuǎn)變學習態(tài)度，增強實踐能力與工程能力。面向全體學生的畢業(yè)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(yǎng)基本的應用、分析、設計能力，另一方面滿足高層次學生創(chuàng)新能力的發(fā)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(yǎng)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(chǔ)上有足夠的創(chuàng)新、拔高空間。

二、基于EPSCP的實驗過程監(jiān)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(huán)境與場地，其調(diào)試、測試過程通常又比較耗時，多個階段性結(jié)點的逐組逐項驗收在當前的人員配比與實驗時間內(nèi)完成有困難；與實際工程接軌的實驗平臺[8]工具、參數(shù)、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(yǎng)達成度評價依據(jù)的數(shù)據(jù)離散孤立，主要采用經(jīng)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[9]的計算機硬件類課程實驗過程監(jiān)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(huán)境學習支持，實驗過程測查，達成度評價支持等。其體系結(jié)構(gòu)與工作流程如圖1所示。。（一）簽到。由EPSCP簽到系統(tǒng)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(guān)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(tǒng)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(tǒng)計等問題。（二）學習。與實際工程環(huán)境接軌的實驗平臺工具多、更新快、參數(shù)復雜、流程煩瑣。以數(shù)字邏輯為例，其實驗課是學生開始專業(yè)實驗，培養(yǎng)實驗技能與專業(yè)實驗能力的重要環(huán)節(jié)。但由于學生初次接觸EDA技術(shù)、Verilog描述語言、開發(fā)板、QuartusII集成開發(fā)環(huán)境，因此他們掌握如何將開發(fā)資源轉(zhuǎn)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(tǒng)，可特定專題講解視頻供隨時查看，更可以依據(jù)以往的教學經(jīng)驗，將常見的問題、易出錯的問題、需要強調(diào)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，到服務器，生成資源二維碼。學生登錄簽到系統(tǒng)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(fā)給學生。每個二維碼都以所描述問題的關(guān)鍵詞命名，針對具體問題，學生可根據(jù)關(guān)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(tǒng)可用于快速在線實驗驗收與結(jié)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(shù)據(jù)支持。針對每個可驗收項（也稱為考核點），EPSCP生成由關(guān)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(zhuǎn)到驗收內(nèi)容頁面。系統(tǒng)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(nèi)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(nèi)容所示。還可依據(jù)其能力培養(yǎng)目標劃分為基礎(chǔ)型、應用型、創(chuàng)新型三種類別，在能力培養(yǎng)與達成度評價中給予不同的權(quán)重。所有考核點的驗收考核內(nèi)容匯集成題庫，學生每次登錄時動態(tài)生成驗收問題，并設置時效性。實驗過程測查系統(tǒng)的信息結(jié)構(gòu)如表2所示。（四）統(tǒng)計。實驗過程中采集的數(shù)據(jù)是實驗項目、內(nèi)容、課程體系、人才培養(yǎng)方案等持續(xù)改進的重要依據(jù)。統(tǒng)計與分析系統(tǒng)可依據(jù)實驗出勤情況、自主實驗時長等統(tǒng)計學生完成實驗的總時長，確定實驗內(nèi)容設置難易程度的合理性；可統(tǒng)計各工具、環(huán)境等學習項目的訪問次數(shù)，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(huán)節(jié)等；可統(tǒng)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(yǎng)是否達標、實驗設置是否合理、課程學習是否有效等。

三、結(jié)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(yǎng)作用、實驗環(huán)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(fā)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(xù)改進實施中，偏經(jīng)驗、定性、離散化考核成績數(shù)據(jù)支撐的不充分性，因而建設了EPSCP監(jiān)管云平臺。計算機硬件類課程實驗有比較明顯的優(yōu)點：能極大地減少環(huán)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(jié)點，使得強調(diào)實驗過程的考核成為可能；學習驗收結(jié)果可統(tǒng)計、可分析，成為課程目標與畢業(yè)要求達成度評價的重要數(shù)據(jù)，也成為課程體系、實驗項目持續(xù)改進的重要依據(jù)。但各個統(tǒng)計數(shù)據(jù)以什么樣的權(quán)重參與評價能夠成為持續(xù)改進的主要依據(jù)，需要綜合課程目標、畢業(yè)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。

作者:李潤洲 康磊 宋彩利 單位:西安石油大學計算機學院