基于群體協作的計算機硬件實踐考評促教

黃永剛， 王 娟， 劉 璐， 王殿欣

(北京理工大學 計算機學院，北京 100081)

0 引 言

隨著互聯網的廣泛普及，以及以云計算、人工智能、大數據、物聯網等為代表的新技術的應用，計算機科學正經歷著深刻的變革。同時，計算機技術在經濟、教育、文化、國防等各方面都起著越來越重要的作用。伴隨著計算機技術的變革和廣泛使用，傳統的計算機教育理論和方法已經不能滿足新形勢下對計算機人才培養的要求。國際計算機學會( Association for Computing Machinery, ACM )的教學指導方案CE2016[1]將計算機專業的培養重點確立在“系統知識和系統能力”的培養。國內外知名高校，如麻省理工、斯坦福、卡內基梅隆大學、清華大學、北京大學、北京航空航天大學等，近年來都積極地進行了以“系統知識和系統能力”為培養導向的計算機教育改革[2-4]。

我校計算機硬件課程體系包含數字邏輯、計算機組成原理、計算機體系結構、匯編語言程序設計，以及選修課嵌入式系統和計算機硬件系統設計，配套的實踐課程包括匯編與接口課程設計、計算機組成原理硬件實驗。 其中匯編與接口課程設計、計算機組成原理硬件實驗統一安排在第六學期與第七學期之間的短學期集中2周完成。每年參與的學生約 300 人左右，為計算機學院計算機科學與技術和物聯網兩個專業的實踐必修課。

在以“系統知識和系統能力”的培養為導向的計算機教育改革中，如何對現有的硬件實踐環節進行改革[5-9]，以高效地幫助學生提升計算機硬件系統能力以及對其計算機硬件系統能力進行高效客觀地評估，從而全面提升實踐教學質量，是計算機硬件實踐課程急需解決的問題。

1 現有計算機硬件實踐課程存在的問題

在我校現有的計算機硬件實踐課程中，對學生實踐結果的評價，一般采用現場演示的方式對學生的實驗結果進行檢查。同時通過現場問答的方式來考察其對實踐過程涉及到的知識點的掌握程度。這種現場問答的方式存在以下幾個方面的問題：

(1) 未結合“系統知識和系統能力”的培養導向。教師在驗收時的提問不具有系統性，沒有結合“系統知識和系統能力”的培養導向，因而難以支持以“系統知識和系統能力”的培養為導向的教學改革。

(2) 未能對學生的能力點進行全面的考察，且不夠客觀。教師在實驗驗收時的提問，比較有隨機性，很難結合學生的能力欠缺點；由于驗收時間有限，考察的問題一般是2～3個，考察不全面；驗收時由多個老師同時進行驗收，老師之間的考察標準難以達到嚴格一致。

(3) 未對評價結果進行分析，難以為先導課程優化教學策略提供支持。現場問答的方式未能對提問和回答進行有效記錄，因而難以對其進行統計分析，從而得到先導課程數字邏輯、計算機組成原理、計算機體系結構、匯編語言程序設計中的教學薄弱環節，難以為先導課程的教學優化提供支持。

2 基于群體協作的計算機硬件實踐考評促教

針對現有的計算機硬件實踐基于現場問答的知識點考察方法的不足，提出了基于群體協作的計算機硬件實踐考評促教方法(見圖1),其主要內容包括：基于群體協作的題庫建立機制；基于布盧姆模型[10-12]的試題評估和成績評價機制；基于綜合評價分析的教學策略優化機制；在以上內容的研究與實踐過程中，形成面向計算機硬件系統能力培養的題庫。

圖1 基于群體協作的計算機硬件實踐考評促教

2.1 基于群體協作的題庫建立機制

基于群體協作的題庫建立機制通過調動學生群體的積極性，讓其參與到題庫建立中來。一方面，通過這種方式建立的題庫可以反映學生在學習過程中遇到的問題；另外一方面，這種方式可以更高效地建立大規模的題庫。

如圖2所示，基于群體協作的題庫建立機制通過“學生群體出題—學生交叉檢查—學生測試—教師審核—入庫”的流程來建設大規模高質量的題庫。具體為：①學生群體出題。首先建立統一的題目模板和題目生成工具，包括選擇題，填空題，判斷題等多種客觀題型；然后，將模板和工具分發給學生，學生根據自己學習過程中遇到的難點和對課程的理解來生成考核題目；考核題目將以標準格式進行封裝，以利用分享和入庫。②學生交叉檢查。該步的目標是保證試題質量。通過統一的交叉檢查工具，在學生間進行交叉檢查，從而初步淘汰不合格的題目。③學生測試。該步的目標是保證試題的區分度。通過將試題在學生間進行初步測試，去掉難度很高、難度很低、以及區分度很低的題目。④教師審核。通過教師的審核，進一步保證試題的質量和區分度；⑤入庫。將題目按照標準格式放入試題庫中。

圖2 基于群體協作的題庫建立

2.2 基于布盧姆模型的試題評估及成績評價

針對傳統的現場問答方式“不具有系統性，沒有結合系統知識和系統能力的培養導向”的問題，提出了基于布盧姆模型的試題評估及成績評價方法。

(1) 試題評估。針對“系統知識和系統能力”的培養導向，結合計算機硬件實驗特點，設計若干計算機硬件系統問題。針對不同的系統問題，建立能力點映射關系表，同時，結合布盧姆的認知過程模型，即“記憶、理解、應用、分析、評價、創造”，將對應的試題歸類到能力點認知階段。上述對應關系如圖3所示。

圖3 “系統問題-能力點-試題”的對應關系

以系統問題“無內部互鎖流水級的微處理器Microprocessor without Interlocked Piped Stages(MIPS) 指令系統”為例，其涉及到的能力點有：①MIPS 體系結構；②MIPS 指令格式；③MIPS 匯編語言與機器語言之間的對應關系；④MIPS指令尋址方式；⑤MIPS 匯編模擬器使用；⑥MIPS匯編程序設計(排序)。針對②MIPS 指令格式的試題及布盧姆的認知過程如表1所示。

表1 能力點-試題-布盧姆認知過程的對應關系示例

(2) 成績評價。在以“系統知識和系統能力”的培養為導向的計算機硬件教育改革中，教學目標是計算機硬件系統能力。同時，試題評估也是圍繞計算機系統能力的。因此，在考試時，可以圍繞計算機系統能力及其需要達成的認知階段，隨機生成符合考察要求的試卷。這種方式既提高了出題效率，也保證了出題質量。

在學生試卷完成后，除了和傳統考試一樣給出總分數，還能給出相應的基于布盧姆模型的能力點得分，讓學生了解自己的能力不足點，為其進一步提高提供參考。這種成績評價機制以“系統知識和系統能力”的培養為導向，更全面地反映了學生硬件系統能力。

2.3 研究基于綜合評價分析的教學策略優化機制

通過對所有學生的成績進行綜合分析，計算出每個能力點不同認知過程的達成度。達成度計算式為：

(1)

式中：p(t,Z)為在能力點t，認知過程為Z(Z=1～6，分別代表記憶、理解、應用、分析、評價和創造)上的達成度；N為在能力點t，認知過程為Z上的題目完成數目，si(t,Z)為第i個完成題目的分數(采用百分制)。

通過能力點達成度和教學大綱要求作比較， 對完成度較低的能力點進行總結分析， 為先導課程的教學策略優化提供支持。

3 建設成效

在基于群體協作的計算機硬件實踐考評促教中，建立了面向計算機系統能力培養的硬件實踐題庫，開發了相關的模板和工具。

在建立的題庫上，已經組織1屆學生約300人進行了硬件實踐測試，學生反映良好。基于測試結果，進行了綜合評價分析，表2所示為能力點達成度的示例。

表2 能力點達成度示例

從表2可以看出，能力點“④ MIPS指令尋址方式的分析”在以后的教學中需要提高。圖4所示為題目的模板和硬件實踐題庫的截圖。

圖4 題目模板和題庫

4 結 語

提出了基于群體協作的計算機硬件實踐考評促教方法:①通過基于群體協作的題庫建立機制來建立題庫；②基于布盧姆模型來進行試題評估和成績評價；③通過綜合評價分析，為先導課程的教學策略優化提供支持。在該方法的研究與實踐過程中，建立了面向計算機硬件系統能力培養的題庫。用該題庫測試表明,本文方法可以對學生的硬件系統能力進行更全面的評估，同時能為先導課程的教學優化提供支持，從而提高學生計算機硬件系統能力的培養。下一步工作包括：①完善和修正題庫，提供大規模高質量的面向計算機硬件系統能力培養的題庫；②進行更深入的綜合評價分析，以更好地對學生的系統能力進行評估，和為先導課程提供更好的優化策略。實踐表明,基于群體協作的計算機硬件實踐考評促教方法面向以“系統知識和系統能力”為培養導向的計算機教育改革，有利于提高實驗教學質量[13-14]，培養創新型人才[15-16]。