CPTH平臺下計算機組成原理實驗課7E教學模式研究

李鑫洪 謝雪軍

摘要：高等學校教學模式的變革，不僅有助于創新人才的培養，還將提升教育質量。7E教學模式包括啟發、參與、探究、解釋、精致、擴展和評價等7個步驟，而評價貫穿于各個階段中。樣本來自我校計算機專業類學生77名學生，其中40名學生為實驗班，37名學生為對照班。實驗班學生通過基于7E教學模式學習，而對照班學生通過傳統教學模式學習。通過調查分析，實驗班學生學習滿意度得到了一定的提高。運用SPSS統計軟件對學生后測成績進行獨立樣本T檢驗，實驗班和對照班學生后測成績平均得分分別為69.48和63.49，實驗班學生及格率高于對照班約13個百分點，一定程度上說明了7E教學模式提高學生的學習能力是有效的。最后概述該教學模式對我國高等教育質量發展的幾點啟示，以期為地方高校的信息化建設、學風建設和課程建設提供一個有益版本。

關鍵詞：高等教育；CPTH平臺；7E教學；滿意度；版本

中圖分類號：G642 ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）29-0174-04

1 問題提出

目前宜春學院硬件課程教學水平整體較低，普遍存在設計缺失、教育理念落后、考核機制缺位、資金投入不足等問題。比如計算機組成原理實驗課教學過程中存在的一些問題：（1）教學模式制約。主宰式的教學使得很多學生不適應，感到很迷茫，對硬件實驗設備感到很陌生、較難掌握。（2）學生基礎薄弱。存在生源質量差問題，學生容易感到畏懼和枯燥，喪失興趣，出現上實驗課時蒙混過關，抄襲別人實驗結果的現象。（3）考核管理缺失。存在實驗課考核形式單一，輕過程考核，重形式化的考核結果數據[1]。CPTH平臺是結合國內同類產品的優點，最新研制開發的超強型實驗計算機裝置，自帶鍵盤和液晶顯示器，支持脫機和聯PC機兩種工作模式，運用系統監控和數碼管等實時監視，全面動態管理模型機的運行和內部資源。宜春學院2018年從東疆計算機公司引進該平臺25套（以前實驗課借用我校理工學院實驗室），該平臺示教效果較好，易理解和操作，適用地方本科高校計算機組成原理實驗課的教學與實驗，提升課堂教學質量和學生滿意度。

基于以上背景下，讓學生沉浸于學習的情境，注重實現知識的內在價值，強調學生能夠積極主動地開展學習，重構已有的知識結構，并學會解決實際問題，從而實現有創造價值的學習。我們必須破解資源瓶頸，突破常規思維，借助信息科學技術，開展CPTH平臺下《計算機組成原理》實驗課7E教學模式探索與實踐。

2 研究現狀

美國前教師協會會長Eisenkraft于2003年提出7E教學模式[2]，該教學模式分為7個教學或學習步驟，且每個步驟都以E開頭，分別為啟發（Enlighten）、參與（Engage）、探究（Explore）、解釋（Explain）、精致（Elaborate）、擴展（Extend）和評價（Evaluate）等。以“7E教學”為篇關鍵詞在清華同方CNKI數據庫資源中從1994年1月至2021年12月檢索發現相關記錄8條[2-9]，從發表論文類型來看學術期刊4篇，學位論文4篇；從研究領域來看高中生物2篇，初中生物4篇，高職英語和小學英語各1篇。目前關于地方本科高校7E教學模式可供借鑒相關資料極少。

為了使7E模式更適合地方高校硬件實驗課教學，多維評價貫穿于每個階段中，破解地方高校固有的學習文化，使培養學生核心競爭力，培養符合社會要求的“能”學習，“會”學習的創新人才。

3 研究方案

計算機組成原理（Principles of Computer Organization）理論課主要討論計算機各大功能部件組成的基本原理及其互連構成整機的技術，在計算機系統能力培養目標中起著重要的承上啟下作用。實驗課是該門學科的主要組成部分，在動手實踐中理解程序如何運行，要求學生動手和自主學習，理論與實踐相結合。實驗目的是使學生建立計算機系統的整體概念。根據宜春學院計算機組成原理課程實際教學情況，以大二本科生為研究對象，大班理論教學，分兩個小班實驗教學，可以把兩個小班分別設置為對照班和實驗班。樣本包括實驗班學生40名和普通班學生37名，理論上兩個小班屬于平行班，不存在顯著的成績差異。實驗班學生通過7E教學模式學習，而對照組學生通過傳統教學模式學習。這項研究是在學年奇數學期進行的[10-11]。

3.1 啟發（Enlighten）

激發學生表達自己的知識，根據學生的知識來規劃學習。學生的知識主要來源于3個方面：（1）文化學習。比如對計算機專業高年級的學生來說，掌握計算機語言、數據結構、數據庫和軟件工程等就是文化專業知識。（2）生活經驗。實踐出真知，從生活中得來的往往更能記憶猶新。例如，水往低處流就是公認的真理。（3）家庭背景。好的家庭背景會得到優越的條件和背景知識，父母會成為良好學習的引路人。為了達到課堂實驗的教學目的，學生根據自己的先期知識結構進行規劃學習。比如提出前期數字邏輯課程的知識點來引起學生的回憶以及對新知識探索，學生根據已學知識回答。列出問題清單，明確問題重難點，討論問題解決方案。明確學習的目的和要求，學生可收獲什么樣的知識和預計達到的點。使學生很好地融入課堂、積極動手操作，鼓勵學生發現問題，勇于提出問題，激發學生表達自己的觀點。

3.2 參與（Engage）

將學生的興趣點由課外轉向課內，吸引學生注意力?？蓜撛O1-2情境提高學生的求知欲，通過播放PPT幻燈片和動畫視頻等吸引學生的注意，介紹我國計算機發展的艱辛歷程、國際競爭環境和取得的成績，引導學生的奉獻精神和構建和諧社會價值導向，引出本次實驗課要學習的對象。根據情景講解，理論聯系實際，使學生為探究活動和概念建構做好準備。例如運算器實驗中先吸引學生對累加器、工作寄存器和數據寄存器以及算術邏輯運算（加、減、或、與、帶進位加、帶進位減、取反等）原理學習的關注，形成積極活躍的課堂氣氛，引導學生自己提出需要探索的問題。學生發現問題后，需對問題進行進一步加工處理，用書面的語言清晰描述問題，把發現的問題變成探究性的科學問題。老師分別組織實驗班和對照班學生兩兩分組，先分組討論，再分別得出概念。

3.3 探究（Explore）

探究是課堂的關鍵環節，培養學生科學素養。學生用眼看，用心想，用手做，用感觀去感知，要做學習的主人，教師作為學習的引導者。確立學生學習的主體地位，改變以往學習模式中死記硬背、生搬硬套的學習模式，通過激發學生的積極性，主動參與到學習中。存儲器EM實驗中利用CPTH實驗儀上的K16...K23開關作為DBUS 的數據，其他開關作為控制信號，實現程序存儲器EM的讀寫操作。存儲器EM由一片6116RAM構成，是用戶存放程序和數據的地方。教師先講解學生實驗目的和實驗原理，由小組自行熟悉理解實驗電路，討論實驗方案。先將數據11H、22H、33H分別寫入EM[0]、EM[1]、EM[2]，再通過開關實現存儲器讀操作，檢驗寫的正確性。

3.4 解釋（Explain）

感性認識上升為理性知識的重要環節，得出抽象化的概念，這個過程教師最好引導學生自己去總結概括完善。解釋能強化對知識的理解過程，先有學生提出問題，教師再依據學生的想法進行講解，引導學生自行探索，尋找正確的探索途徑，在學生探索基礎上進行加工處理。教師在學生解釋的過程中，需要不斷地引導、補充和糾正。學生通過交流過程構建起科學的認知。在存儲器EM實驗中提出思考性問題：1）是不是寫一個數據，然后接著讀該數據？2）存儲器讀操作后要重寫入數據嗎？3）斷電后存儲器中保存的信息還在嗎？學生通過運用分析、理解、推理等手段探索新的知識點，再綜合以前學習的知識整合構造新知識。

3.5 精致（Elaborate）

將所學知識學以致用，學生有機會運用發現的新知識甚至結論來解釋理論知識，可能會為下一次實驗帶來新的問題。在此階段重在師生之間的交流互動，在課堂上營造一種促進學生討論以及相互合作的學習氛圍，以小組為單位相互分享各自想法并予以回饋，以建立各自的理解。在已形成的解釋的基礎上，應用于新的問題中，強調知識與過程技能的一般化，發展更深更廣。前述存儲器EM實驗中可聯系理論教材或現實生活中計算機，存儲器為什么分為主存、外存和緩存三級存儲體系？師生共同總結：存儲器是用來存儲信息的，包括程序、數據和文檔等。為了解決存儲器容量、速度和成本三方面的矛盾，計算機采用多級存儲體系結構。進一步完善學生的認知結構。

3.6 擴展（Extend）

自主學習、獨立思考，鼓勵解決問題策略的突破與創新。深化概念理解的基礎上，拓展延伸本節實驗課的內容，幫助學生發現與之有聯系的相關概念或主題，讓學生成為學習的主體，舍教師“一言堂”，強化求異思維，這是擴展階段的重要特征。學生聯系日常生活中所學到的概念，創造性地學習以及把自己的知識結構和日常生活中的例子聯系起來，尋找新的概念理論。結合半導體存儲體的國際競爭、發展歷程和我國存儲器發展的規劃，增加學生的時代責任擔當。通過7E教學周期的每個階段，學生可以在學習過程中發展他們的批判性思維能力。

3.7 評價（Evaluate）

包括互評和自評，采取適當的方式來調整教學思路。反饋要及時而有針對性，給予學生積極反饋是7E實驗教學開展過程中不可缺少的一部分，根據教學目標，以及學生的學習情況，對教學過程中的學習活動及成果予以評價。通過評價，教師可以根據實驗教學各方面的情況，不斷改善教學，提高教學質量水平。教學評價可以反映出教師的教學效果和學生的學習情況，使得教師和學生更快更好地做出調整7E教學方案。例如前述存儲器EM實驗中評價著重于：1）對學生的探究能力進行評價。學生通過實驗，可以加深對實驗原理、實驗要求和實驗電路的理解。2）對學生的學習能力進行評價。在實驗教學中，學生主動積極參與，動手操作，能更好地體現自我價值，能讓教師了解學生情況更好的因材施教。

4 結果分析

4.1滿意度調查分析

在學期結束后對實驗班和對照班的學生分別進行課堂滿意度的調查，通過對不同班級的數據對比，得出學生對于傳統教學模式和7E教學模式在實驗教學中的滿意度。參加滿意度調查的人數為77人，測試發放問卷77份，回收77份[10]。問卷設計基于李克特量表法（Likert Scale），即問題由針對實驗課教學的態度或看法的陳述組成，其中1代表“完全不滿意”；2代表“不滿意”；3代表“一般”；4代表“滿意”；5代表“完全滿意”。

統計結果表明：對照班學生對實驗教學態度不滿意的有9人（24.3%，包括完全不滿意的學生人數），而實驗班學生對實驗教學態度不滿意的沒有，甚至對照班有2人對實驗課教學完全不滿意。對照班學生對實驗教學態度滿意只有8人（21.6%），而實驗班學生對實驗教學態度滿意有34人（85.0%），在完全滿意一項，在兩個班級人數相當的情況下實驗班與對照班人數比5：1。這說明了宜春學院硬件實驗課傳統教學水平較低，存在教育理念落后的問題，學生對傳統教學滿意度較低，急需新的教學模式改革。從實驗班調查結果分析來看，7E教學模式有利于學生學習興趣的提升，能夠有效地提高課堂教學效率，總體上學生的學習滿意度得到一定的提高。

4.2前后測成績分析

宜春學院計算機組成原理理論課共16周（平均周課時3節），實驗課從第9周至第16周（周課時2節）。任課老師第8教學周組織了實驗班和對照班學生階段性實驗操作考試，以這次考試成績作為前測成績，以期末實驗考試成績作為后測成績。研究結果表明，無論是高水平還是低水平學生，通過7E教學模式學習的學生期末考試成績（后測成績）優于傳統教學模式學習的學生，實驗班學生期末考試成績平均分高于對照班學生6分左右，而實驗班與對照班學生前測成績幾乎無差異。實驗班和對照班學生后測成績平均得分分別為69.48和63.49，從兩個班的平均成績看，實驗班有更大的進步，而且實驗班學生及格率高于對照班13.51個百分點，說明7E教學模式提升學生的學習能力是有效的[2]。

5 結語

7E模式完全能滿足計算機組成原理實驗課程教學的內在訴求，二者有著本質的契合：（1）與課程教學目標相聯系。培育良好的學習文化氛圍，使學生理解計算機系統硬件的完整組成和基本工作原理。帶著問題自主學成默認學習文化，學生想學自覺學，老師愿意主動教，老師由主宰變主導，學生由客體變主體。（2）體現課程實踐教學。通過對實驗課程教學流程的不斷優化和經驗的持續積累，為計算機類硬件課程建設提供更多樣化的教學思路，亦將會為其他計算機專業的教學模式提供更多可參考的經驗。（3）引入新實驗平臺CPTH。有力地支撐實驗教學的開展，降低實驗板的故障率和日常維護成本，提高實驗效率和教學質量[12]。（4）支持普通高等學校本科教學評估工作。培養學生的自主學習，提高學生的實驗課程成績，使學生期末考試成績基本呈正態分布，顯著提高學生成績及格率，滿足教學評估課程學習數據考核要求，促進硬件類課程健康、持續地發展。

7E模式融入以學生為中心的教學理念，從“學中做”到“做中學”“玩中學”轉變[13]，提高學生的學習動機。教師要合理把控教學內容深度與地方本科高校生源質量相適應，規劃更加豐富的教學內容。為了最大限度地提高學生的學習能力，必須使學生養成積極學習的習慣，消除CPTH平臺下實驗課程7E教學模式的所有障礙，把學習的責任更多地放在學生的身上，同時給予他們更大的動手做實驗動力[14-15]。7E教學模式為地方高等院校培育學習文化和創新教學方法提供了一定借鑒和參考，有利于學生在校園環境下獲得積極的學習習慣，以期為實踐教學研究提供一個好的范本。當然對于CPTH平臺下計算機組成原理實驗課7E教學模式研究還不夠全面和存在較大的主觀性，未來有時間還要繼續做相應的研究，多視角總結好的經驗。

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【通聯編輯：王力】