在線實驗教學中“工作坊”學習模型的構建

任小媛, 柴志雷

(1. 江南大學 教學評估與教師卓越中心, 江蘇 無錫 214122; 2. 江南大學 物聯網工程學院, 江蘇 無錫 214122; 3. 江南大學 信息與控制國家級實驗教學示范中心, 江蘇 無錫 214122)

開展實踐學習活動是學生實現全面發展的重要途徑[1]。工作坊模式被廣泛運用到實踐教學中[2-4]。工作坊是指興趣小組的成員共同參與的實踐學習空間,在實踐教學環節發揮了重要作用。但傳統的興趣小組或工作坊組織形式一般會安排在一個特定的物理空間,可以容納一定的人數。這種組織形式受限于時間和空間,限制了其在更大范圍發揮作用。以一種計算機組成原理實踐教學MOOCs平臺的交互設計為對象,重點研究了以“興趣小組”形式組織在線工作坊模式,并貫穿從知識學習、動手實驗到開展創新項目及競賽的所有環節,將該在線工作坊模型應用于計算機組成原理課程設計“硬件結構設計”中。

1 計算機組成原理實踐教學MOOCs平臺

近年來各高校開展MOOCs建設仍以視頻教學為重點內容[5]。視頻教學的方式比較適合理論環節的教學,但單純的視頻教學方式難以適應實踐教學的需要。因為實踐教學不僅需要實驗環境的支撐,還包括教師對實驗的現場指導,學生間的協作、交流,以及實驗結果的重復、評審等多個方面的需求。隨著我國加入“華盛頓協議”后工程教育專業認證[6-7]的推進,工科學生需要大幅提升實踐環節的比重以滿足培養目標的要求。傳統的實踐教學方式很大程度上受限于實驗場地、實驗設備、實驗師資的規模,短時間內難以迅速改善。如能利用互聯網技術將實驗設備、實驗課程、實驗師資加以共享,則有望極大地改善這一狀況。

在各種可以培養計算機系統能力的貫通式實驗的設備中,現場可編程門陣列(FPGA)芯片由于硬件結構可由最終用戶編程改變,非常適合學生用來實現自己的處理器,并在上面完成后續的操作系統等實驗,是一種較為理想的支持計算機類學生系統能力培養的實驗設備。因此教育部與全球第一大FPGA供應商Xilinx公司合作開展的“產學合作專業綜合改革項目”中,專門將FPGA遠程實驗室列為重點方向之一。

“面向大學生創新創業的開放式FPGA遠程實驗室”課題的研究,目標是為學生提供開放式的、可遠程登錄使用的計算機組成原理實踐教學MOOCs平臺,讓更多的學生可以隨時隨地使用FPGA實驗設備進行貫通式的實驗,提升學生的計算機系統能力,并進一步可以開展創新項目與創新大賽,甚至基于此開放平臺進行大學生的創業活動。圖1所示為計算機組成原理實踐教學MOOCs平臺[8-9]的架構圖,用戶可以在各種不同的電腦終端通過互聯網連接使用遠程的FPGA設備。目前,課題組與企業合作已經初步完成了整個實驗平臺的開發并上線試運行,并在實際運行中驗證并持續改進研究成果。

圖1 計算機組成原理實踐教學 MOOCs平臺架構示意圖

2 MOOCs平臺的“工作坊”模型設計

與普通MOOCs不同,計算機組成原理實踐教學平臺屬于實踐類平臺,更多地需要學生的參與及互動。視頻教學的形式只能解決平臺上特定課程所需的知識傳授問題,其重要性及所占比重都大為下降。用戶交互需要更多地考慮教師和學生的參與、交流互動、班級管理、實驗結果提交及重復,方便學生實驗的開展并提升其參與度。

王小根等人在綜合國內對工作坊模型研究的基礎上,將工作坊模型概括為圖2所示的要素[10]。

圖2 工作坊要素與開展流程

由于所設計的“興趣小組”模型是基于在線實踐平臺的,它具備了超越傳統工作坊模式的可能。因此除了體現工作坊的上述要素,本文的“工作坊”模型還包含了如下一些設計理念:

(1) 平等性。互聯網時代教育的最明顯特征就是突破了物理及現實身份上的限制。原則上不只是特定高校的教師,而是互聯網上的任何人都可以在此平臺上創建一門實驗課程。有可能本身是高校承擔系統類課程的教師,有可能是掌握了某項特定技能的企業工程人員,甚至有可能是學生。只要在某個方面具有可以指導用戶使用平臺并進行創新的人員都可以創建一門課程。

(2) 角色多樣化。興趣小組的設計要能夠滿足不同的使用場景,因此小組成員的角色需要多樣化。比如在實驗課程里,小組成員可以是指導教師、學生,在項目中,小組成員可以是指導教師、學生,甚至是項目的發包方、協作方乃至承接方。

ATB施工前應對原材料與施工機具進行檢查，確保料倉材料質量達標，設備能正常啟動運行，可滿足施工需求。現場鋪筑ATB混合料前，應檢查水泥穩定碎石下承層的施工質量，確保水穩層表面無松散、離析、油斑、脫落及污染等情況，必要時可進行挖補處理，滿足施工要求后方可噴灑透層油，進行ATB結構層施工[3]。

(3) 規模可調控。傳統的工作坊由于場地、設備數量和指導教師的限制,總是會將人數限定在一定的范圍內,比如1～2個自然班級。但在互聯網為基礎的共享平臺上,場地、設備數量、指導教師等都不再是人數的限制因素,因此可以更好地支持人數的變化,從1個到數千個學生都可以在一個興趣小組內進行實驗。

(4) 范圍跨躍性。傳統的工作坊模式,交流往往局限在興趣小組內部,導致同樣的問題可能要不斷地重復講,加重了指導教師的負擔。在線興趣小組的方式以討論區的方式共享所有的問題,共性的問題只需要一次性解答。同時,借助社交軟件還可以把實驗結果和過程分享給興趣小組之外的人員,提升了影響力,也可以更好地激勵學生追求更好的實驗成績。

文章所提出的工作坊“興趣小組”交互模型在整個計算機組成原理實踐教學MOOCs平臺上保持了高度的一致性。一致性指的是FPGA遠程實驗室平臺上所有的活動都是以興趣小組的方式組織的,如高校開設的專業類實驗課程、開發人員自行推出的開發技巧類的介紹課程,以及學生大賽項目、課程設計,甚至大到一個開源項目、創業項目,都是以興趣小組的方式組織的,確保所有的活動都有一致性的使用界面,簡化用戶的使用。

3 MOOCs平臺“興趣小組”交互模型實現

課題組實現了計算機組成原理實踐教學MOOCs平臺的“興趣小組”交互模型并以其作為平臺最基本的組織形式。圖3展示的是FPGA實驗平臺中實驗課程的興趣小組組織方式。從圖3可見,用戶可關注或加入該課程,成為興趣小組的成員,從而在個人中心中獲取該課程的相關信息。在興趣小組內用戶可以查看開設的實驗列表,選擇做某個實驗,使用實驗開發軟件工具并遠程使用實驗設備。在實驗進行的過程中,教師和學生可以在實驗討論區進行問題的討論。學生還可以就該實驗課程或其中的某個實驗項目進行評價,以便為后續的學習者提供一些參考。通過微信、QQ、微博等常用社交軟件工具,學生還可以方便地把實驗過程及最終結果分享出去。

圖3 計算機組成原理實踐教學MOOCs平臺中 課程的興趣小組組織方式

圖4是FPGA實驗平臺中創新項目的興趣小組方式。從圖4可見,無論是實驗課程還是創新項目,興趣小組的交互方式保持了一致性的原則,用戶熟悉實驗課程的使用之后,可以沒有額外的學習代價直接進行創新項目的研發。稍有差異之處是項目的興趣小組處添加了Github用來對項目開發的代碼進行托管,另外增加了項目的演示功能以方便小組成員對項目的運行效果加以了解。項目小組的不同之處,還在于項目的創建者可以通過懸賞的方式尋找合適的項目承接者或合作伙伴。項目興趣小組的成員數量可以從1個到多個,成員之間的關系可以是協作開發關系,也可以是項目發包和承接的關系。

圖4 計算機組成原理實踐教學MOOCs平臺中 項目的興趣小組組織方式

此外,無論是該平臺上展示的具體硬件板卡還是算法的IP庫,都是以興趣小組的方式進行組織和交互,可以極大地簡化用戶的學習。

在興趣小組人員的組成和控制上,創建人員可以通過創建班級等方式邀請特定的人員進入,從而控制特定小組內的成員數量。系統支持通過公開或私下的邀請方式通知特定人員進入。

圖5是FPGA遠程實驗室平臺的用戶個人中心,從圖5可看出,每個用戶有自己對應的課程、班級、項目、硬件等各種信息。用戶可以創建、關注或學習某個實驗課程,也可以創建或加入某個班級,以團體行為進行實驗活動。而所有的這些活動都是以興趣小組的方式進行組織和展開的。

圖5 計算機組成原理實踐教學MOOCs平臺的個人中心模式

4 MOOCs平臺“興趣小組”交互模型應用

構建的計算機組成原理實踐教學MOOCs平臺的工作坊模型在我校計算機專業14級本科生的“硬件結構設計“實踐課程中進行了應用,參與學生86人。

4.1 興趣小組的發起

興趣小組的發起人是“硬件結構設計“課程的指導教師。指導教師登錄系統后先創建課程,然后創建與該課程關聯的班級,便完成了興趣小組的發起(見圖6)。由于此次課程設計對學生的要求具有統一的目標,因此只需要創建一個興趣小組,也可以根據需求創建任意多個興趣小組。

圖6 在線工作坊中興趣小組的發起

4.2 興趣小組的成立

選修了“硬件結構設計”的學生注冊并登錄系統,進入課程實驗下的“硬件結構設計”并加入相關班級,就加入了該興趣小組。任課教師、助教及學生都加入該興趣小組,興趣小組就成立了。相關資料見圖7。

圖7 在線工作坊中興趣小組的成立

4.3 活動開展

興趣小組成立之后,任課教師可為該興趣小組發布特定的任務,指導小組的活動。學生可以下載實驗及任務指導書,并進入實驗開發工具進行開發,完成開發后可以申請實驗設備并驗證結果。實驗進行過程中遇到的任何問題都可以在實驗討論區中進行討論。指導教師、教輔人員和學生都可以針對學生的問題進行回答,形成討論,如圖8所示。

圖8 在線工作坊中興趣小組成員的討論

4.4 項目成果匯總與分享

課程設計結束后,學生可在線提交實驗報告及結果,教師經驗證并查看實驗報告后可在線給出評價,見圖9。

圖9 在線工作坊中興趣小組成員的評價

在后期的項目分享過程中, 學生各自分享在此次課程設計中所開展的創新實踐過程, 在展示設計成果的同時也講述了各自對CPU設計的理解。學生還可以通過QQ、微信、微博等工具將自己的實驗結果分享出去,如圖10所示。

圖10 在線工作坊中興趣小組的成果分享方式

5 應用效果分析

5.1 時空拓展效果分析

(1) 時間維度。與傳統工作坊的興趣小組相比, 計算機組成原理實踐教學MOOCs平臺“興趣小組”的時間維度得以很大地拓寬。學生進行課程設計的時間已不局限于上課時間,學生可以根據需要隨時查閱指導書、詢問問題、與小組成員討論并進行實驗。通過系統的統計數據可知,在晚上12點左右通常還有若干學生在線進行實驗。此外,由于任課教師可以提前發起成立興趣小組并共享資料,課程設計的時間實際上可以持續更長時間,從而取得更好的實踐成績。

(2) 空間維度。計算機組成原理實踐教學MOOCs平臺為“興趣小組”的空間拓展提供了便利。在地理空間上,學習者們不再局限于具體的物理環境中,即學生不需要到實驗室即可開展課程設計。由于課程設計的時間延伸到了假期,從系統的統計可以看出,86個學生分別從20幾個不同的省份一起開展實驗。

5.2 應用成果分析

通過對比,本次基于計算機組成原理實踐教學MOOCs平臺“興趣小組”模式的課程設計,與之前幾屆相比,完成率及優秀率都有提高。究其原因是因為通過將興趣小組的形式拓展到線上,學生獲得了更多的實踐時間,并有了更多的與教師及學生的交流機會,遇到問題可以及時得到解決,如表1所示。

表1 在線工作坊中興趣小組對實踐教學效果的提升

5.3 不足與反思

(1) 由于首次采用線上興趣小組的方式進行課程設計,對網絡帶寬的壓力預計不足,導致幾十位學生同時在線實驗時網絡出現明顯的卡頓,影響了用戶體驗,許多學生反映因此影響了實驗進度。這是后續線上平臺開展興趣小組時需要考慮的因素。

(2) 由于興趣小組在線進行,指導教師和學生不直接面對面,更需要提前調動學生的積極性。本次課程設計進行過程中就出現一些學生前面沒真正重視起來,快到提交實踐結果時同時擠到線上,進一步加劇了網絡的卡頓,影響了實驗進程。

(3) 課程設計僅使用到本文設計的課程實驗中的興趣小組,沒有能組織成批用戶測試所有板塊的興趣小組功能。

6 結語

本研究針對實踐型MOOCs的交互需求提出了一切皆興趣小組的設計理念,將興趣小組的方式貫穿于計算機組成原理實踐教學MOOCs平臺的所有環節。該交互方式能更好地滿足實踐型MOOCs實施過程中學習人員的多種交互需求,提升實踐型MOOCs的教學效果。本研究不僅從理論上探討了這一交互方式的優勢及意義,更重要的是在課題實施過程中進行了理論原型的開發與實施并與企業結合推出了試運行系統。未來將根據系統的用戶反饋進一步完善該模式,為實踐型MOOCs的快速發展提供素材及技術途徑。