基于MOOC的計算機組成原理新型教學(xué)模式探索

趙 博，王 煒，侯一凡，姚金陽

（戰(zhàn)略支援部隊信息工程大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院，河南 鄭州 450001）

0 引言

為應(yīng)對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，支撐我國科技創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設(shè)，深度探索并形成全球領(lǐng)先的工程教育新模式。計算機科學(xué)與技術(shù)作為傳統(tǒng)典型的工科分支，其教學(xué)模式面臨新挑戰(zhàn)。計算機組成原理課程是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的核心課程，在基礎(chǔ)課與專業(yè)課之間起著重要的承上啟下作用，同時也是研究生入學(xué)的必考課程。一方面，計算機組成原理課程本身概念多，前置課程知識覆蓋面廣，對于教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)難度都比較大，甚至不少學(xué)生在學(xué)習(xí)本門課程時主觀上會存在較強的畏難情緒；另一方面，學(xué)生處于大三時期，專業(yè)課程任務(wù)重，對于所學(xué)知識的練習(xí)時間較少，課后學(xué)生消化知識時面臨問題較多，這都需要教師進行詳細的課程答疑來提升學(xué)習(xí)效率。當(dāng)前MOOC（Massive Open Online Courses，大規(guī)模開放在線課程）在廣大高校中的廣泛使用，為學(xué)生的課程學(xué)習(xí)提供了海量的在線教學(xué)資源，極大地豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)途徑。然而，如何在海量教學(xué)資源中選取適合學(xué)生學(xué)情的優(yōu)質(zhì)資源并加以整合優(yōu)化，是當(dāng)前計算機組成原理教學(xué)中面臨的一個現(xiàn)實問題，需要不斷在課程教學(xué)實踐中進行摸索。

1 計算機組成原理課程人才培養(yǎng)目標

計算機組成原理課程要求掌握計算機硬件子系統(tǒng)各大部件的組成原理、邏輯實現(xiàn)與設(shè)計方法及互連構(gòu)成整機的技術(shù)，同時要培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、嚴謹認真的工作作風(fēng)，勇于創(chuàng)新、團結(jié)合作、克服困難的專業(yè)精神，以及分析、解決問題的能力。具體目標包括以下3個方面：

（1）掌握計算機各功能部件的結(jié)構(gòu)組成和工作原理。能夠?qū)唵蔚腃PU組織進行設(shè)計（包括組合邏輯和微程序設(shè)計）和調(diào)試，能夠?qū)Υ鎯ζ魅萘窟M行擴充和調(diào)試，建立起計算機整機概念，加深對計算機工作過程的理解。

（2）將計算機的組織和結(jié)構(gòu)與計算機軟件編程、計算機應(yīng)用程序執(zhí)行、計算機人機交互以及計算機操作系統(tǒng)調(diào)度等相關(guān)知識有機聯(lián)系起來，理解并掌握面向特定應(yīng)用要求和性能目標進行計算機系統(tǒng)設(shè)計的基本思路及基本方法，逐步形成計算機系統(tǒng)概念，培養(yǎng)學(xué)生的計算機系統(tǒng)能力）。

（3）養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，能夠獨立思考，并具備勇于克服困難的精神。

2 教學(xué)現(xiàn)狀分析

2.1 課程特點

計算機組成原理課程是大家公認的既難教又難學(xué)的課程，所涉及的內(nèi)容多而散，而且因為要深入計算機硬件結(jié)構(gòu)內(nèi)部，相對學(xué)生此前所學(xué)的計算機編程而言，看不見、摸不著，顯得有些“虛”。

2.2 學(xué)生特點

教學(xué)對象已經(jīng)修學(xué)過計算機基礎(chǔ)、C語言等軟件課程，在計算機軟件、硬件和編程方面有一定的知識儲備。該課程研究計算機基本結(jié)構(gòu)、工作原理等方面知識，學(xué)生對該課程充滿了好奇、探索的心理，具有學(xué)習(xí)熱情很高、渴望被認同的特點。但由于該課程系統(tǒng)性強、知識體系偏硬件，也使得部分學(xué)生產(chǎn)生了一定的畏難情緒。特別是對于非計算機專業(yè)的學(xué)生而言，其并沒有系統(tǒng)學(xué)習(xí)過數(shù)字邏輯與電路等硬件技術(shù)課程，大多數(shù)人對計算機硬件的認識是模糊、抽象的。因此，計算機組成原理這個基礎(chǔ)性的引領(lǐng)課程能夠很好地將其帶入計算機硬件的專業(yè)學(xué)習(xí)中。

2.3 教師特點

基于MOOC的混合式教學(xué)模式與傳統(tǒng)課堂相比，教師的主要任務(wù)不再是課上的知識灌輸，而是要引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)方向，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。教師要強化自身的責(zé)任意識，在教學(xué)過程中發(fā)揮好組織者、促進者與引導(dǎo)者的作用。

對于年輕教師而言，其剛踏入工作崗位，有著扎實的專業(yè)知識功底，但由于專業(yè)研究重點不同，在具體授課過程中，對計算機組成原理課程講授的深度和高度都有所欠缺，且對學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過程中通常會出現(xiàn)的卡點把握不足，駕馭課堂的能力亟待提高。與此同時，年輕教師自我學(xué)習(xí)能力強，善于利用網(wǎng)絡(luò)資源，樂于接受新型教學(xué)方式，因此對于借助互聯(lián)網(wǎng)平臺的教學(xué)模式應(yīng)用有著天然優(yōu)勢。

3 基于MOOC的計算機組成原理教學(xué)模式探索

受全球新冠疫情的影響，同時得益于信息化手段的發(fā)展，近些年來出現(xiàn)了許多在線課程資源。特別是以MOOC為代表的線上教學(xué)資源是“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的產(chǎn)物，使互聯(lián)網(wǎng)終端用戶足不出戶也能享受到優(yōu)質(zhì)的教育資源。針對MOOC的特點，結(jié)合計算機組成原理課程建設(shè)，崔永利等［1］進行基于MOOC的計算機組成原理課程教學(xué)設(shè)計，加強了師生間的交流與互動。將智慧教學(xué)手段和優(yōu)秀的教育理念相結(jié)合，能夠更有效地發(fā)揮智慧教學(xué)的優(yōu)勢［2］。針對計算機組成原理內(nèi)容抽象晦澀、知識更新進度緩慢等問題，張策等［3］提出以學(xué)生為中心的教學(xué)綜合改革方案，旨在提高學(xué)生的軟硬件協(xié)同開發(fā)與調(diào)試能力；宋峰等［4］提出在SPOC教學(xué)模式下，開設(shè)多途徑、多渠道的師生互動方式，及時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，從而提高教學(xué)質(zhì)量；劉三榮等［5］采用“MOOC+混合教學(xué)”模式教授計算機組成原理課程，以培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和自我管理能力；趙松等［6］提出將三支決策與OBE相結(jié)合的計算機組成原理課程教學(xué)模式，將MOOC資源分布到認知、提升、綜合3個階段中，使學(xué)生具備設(shè)計與實現(xiàn)復(fù)雜模型的能力。雖然目前已經(jīng)有了許多關(guān)于計算機組成原理教學(xué)方面的探索，但對于很多新手教師來說更需要有一種簡單、有效，能夠發(fā)揮自身優(yōu)勢的混合式教學(xué)模式。

通過對海量MOOC資源進行收集、整合、優(yōu)化，本文研究并構(gòu)建了一種適用于新手教師的混合教學(xué)模式，以提高計算機組成原理課程教學(xué)效果。首先對學(xué)生學(xué)情進行詳細調(diào)查，針對性地制定相應(yīng)教學(xué)方案，然后在教學(xué)過程中根據(jù)學(xué)生反饋不斷完善課程設(shè)計，成為教學(xué)模式改革的重要手段。“師生共同學(xué)習(xí)、學(xué)生提問、講師答疑”的新型教學(xué)方式，可有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。該過程對學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和講師的答疑能力有著較高要求，可促進“師生共同學(xué)習(xí)、教學(xué)相長”，對年輕教師培養(yǎng)和學(xué)生學(xué)習(xí)都起到了積極作用。

3.1 教學(xué)框架

混合式教學(xué)設(shè)計遵循以學(xué)生為中心和深度學(xué)習(xí)的原則，有機地將在線學(xué)習(xí)與課堂面授教學(xué)活動相結(jié)合，多元化地深度協(xié)同培養(yǎng)新工科專業(yè)人才。教學(xué)過程突出教師的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體地位，通過前置學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，通過課前課中測試和課堂引導(dǎo)提升學(xué)生發(fā)現(xiàn)與解決問題的能力，通過課中討論、課后作業(yè)等完成學(xué)生對知識內(nèi)化的過程。

本文針對新手教師的特點設(shè)計了以下教學(xué)方案：首先，課題組對照本校教學(xué)大綱進行專業(yè)知識點梳理，建立計算機組成原理課程知識脈絡(luò)，并對照每個知識節(jié)點構(gòu)建“本土化教學(xué)資源庫”，該資源庫有助于新手教師進行授課前期的準備工作；其次，教師在課前進行學(xué)情調(diào)查，通過課前測試結(jié)果，及時調(diào)整講課方式和節(jié)奏；之后，利用新手教師自我學(xué)習(xí)能力強、善于利用網(wǎng)絡(luò)資源的特點，與學(xué)生進行線上線下交流互動，從而達到教學(xué)相長的目的。新手教師學(xué)習(xí)的內(nèi)容不但包括課程知識點的內(nèi)涵、外延，還包括課程的教授方式。除有老教員“傳幫帶”外，更多的授課經(jīng)驗是從與學(xué)生的交流碰撞中學(xué)習(xí)得到的。因此，通過線上微信、MOOC平臺、雨課堂等方式可以與學(xué)生進行全方位的溝通交流。最后，針對教學(xué)方式的改變，采用混合式、過程化的考核方式。本文根據(jù)以上4部分設(shè)計出基于混合式教學(xué)模式的自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)框架，如圖1所示。

3.1.1 資源庫建立

通過資源庫的建立為課前“預(yù)熱”、課中“烹飪”、課后“回溫”提供了有力保障。對于新手教師來說，首先要對教學(xué)內(nèi)容進行全面把握，能夠帶領(lǐng)學(xué)生既見到樹木又展望森林。根據(jù)本校教學(xué)大綱梳理知識點、構(gòu)建計算機組成原理課程的知識樹就是一個快速把握教學(xué)內(nèi)容架構(gòu)的有效途徑。根據(jù)該途徑完成本校網(wǎng)絡(luò)安全專業(yè)的計算機組成原理課程知識樹構(gòu)建，并根據(jù)知識樹，對照每個知識節(jié)點構(gòu)建“本土化教學(xué)資源庫”。建設(shè)的資源包括MOOC、課件、文檔、視頻、參考書目等，以及覆蓋幾乎全部知識點的在線測試題目。近年來MOOC發(fā)展迅猛，資源異常豐富，但對于新手教師來說，在課程教學(xué)之初，采用的MOOC資源不宜過于繁雜，而是以最切合本校教學(xué)大綱的一兩門為主。以本校網(wǎng)絡(luò)安全專業(yè)為例，采用中國大學(xué)MOOC時，以哈爾濱工業(yè)大學(xué)的計算機組成原理課程資源為主，在拓展和延伸方面以國防科技大學(xué)的計算機原理課程資源為輔。同時，針對網(wǎng)絡(luò)安全專業(yè)學(xué)生沒有系統(tǒng)學(xué)習(xí)過數(shù)字邏輯與電路等硬件技術(shù)課程的特點，增加了國防科技大學(xué)的數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程MOOC資源作為補充。

3.1.2 前置學(xué)習(xí)設(shè)計

課前的學(xué)習(xí)溝通，對于教師快速了解學(xué)生、掌握學(xué)情可起到至關(guān)重要的作用。新手教師對于自己在授課過程中需要具備各種知識的深度與廣度正處于不斷的探索階段，通過課前發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)、反饋交流，對新手教師來說也是一種有效的“自省”，能夠做到“知彼”，更能做到“知己”。

在網(wǎng)絡(luò)安全專業(yè)的授課過程中，根據(jù)教學(xué)大綱和學(xué)生缺乏硬件知識的背景，推送合適的課前學(xué)習(xí)資源并配備學(xué)習(xí)任務(wù)清單，推送的資源包括課前導(dǎo)學(xué)MOOC資源、課前知識測試等內(nèi)容。學(xué)生按照課前任務(wù)清單的指引，像打通關(guān)游戲一樣逐項進行學(xué)習(xí)并測試。教師可通過測試題目及時了解學(xué)生對知識的掌握程度以及對問題理解的深度，為后續(xù)的二次備課提供依據(jù)。

3.1.3 課堂教學(xué)形式設(shè)計

計算機組成原理課程內(nèi)容包括計算機硬件子系統(tǒng)各大部件的組成原理、邏輯實現(xiàn)與設(shè)計方法及互連構(gòu)成整機的技術(shù)。課程內(nèi)容繁雜，涉及到計算機中各大硬件部件的教學(xué)思路和方法有時完全不同，對于有些較容易理解的內(nèi)容可以放在網(wǎng)上讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)，而對于一些較為復(fù)雜、難以理解的部分則適合采用線上與線下相結(jié)合的方式。具體采用哪種方式需根據(jù)課程體系及教學(xué)大綱中具體的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標進行劃分重組，在重新組織教學(xué)內(nèi)容過程中要兼顧新手教師的自身特點。

新手教師教學(xué)基本功的練就不是一蹴而就的，需要長時間的經(jīng)驗積累和不斷探索，最終形成自己的風(fēng)格。傳統(tǒng)課堂形式練就的是教學(xué)的“內(nèi)功”，此時教學(xué)不易過于追求形式上的多樣性，應(yīng)以傳統(tǒng)課堂講授為主，輔以簡單的線上活動。翻轉(zhuǎn)課堂對教師的控場能力要求較高，若準備不好很可能導(dǎo)致課堂內(nèi)容過于發(fā)散，反而不利于對重點內(nèi)容的學(xué)習(xí)。在整個教學(xué)周期中，新手教師可以穿插一兩個特別適合采用翻轉(zhuǎn)課堂形式的內(nèi)容進行嘗試，并在課前通過線上線下等途徑與學(xué)生多交流。

3.2 課堂測試

授課時，年輕教師往往存在對教學(xué)難點把握不準確、對學(xué)生特點掌握不全面的問題，通過線上的課堂測試可以及時掌握學(xué)情狀態(tài)，及時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)卡點并調(diào)整教學(xué)策略。課堂上遵照BOPPPS教學(xué)模式的規(guī)律，從建立的資源庫中抽取本課中不同知識點對應(yīng)的自測題進行線上測試（可采用雨課堂進行線上測試互動），通過線上的“即時反饋”及時得到學(xué)生最新的學(xué)習(xí)狀態(tài)，從而彌補年輕教師經(jīng)驗不足等缺點。除以上教學(xué)形式外，教學(xué)活動根據(jù)內(nèi)容的不同還可以采用多種形式。比如，可以通過課前的思考題，在課堂上進一步引導(dǎo)學(xué)生進行思考與討論，并針對重點問題進行課堂深度解析，也可以采用提問驅(qū)動等方式。在講授過程中，當(dāng)講到某個小知識點時，還可以采用“課堂我來講”的方式，由學(xué)生進行講解。

3.3 互動交流

師生的傳統(tǒng)交流主要是在課堂上你問我答，如今通過信息技術(shù)手段構(gòu)建的多元化立體交流互動環(huán)節(jié)，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。同時，有效的交流能使新手教師對教與學(xué)有著更鮮活的感知，從而達到“教學(xué)相長”。

在具體組織過程中，學(xué)生在課前的線上自主學(xué)習(xí)過程中會存在一些疑惑和問題，可以通過“同伴學(xué)習(xí)法”進行討論與相互學(xué)習(xí)，教師根據(jù)現(xiàn)場討論結(jié)果與在線測試數(shù)據(jù)制定備課內(nèi)容；課中，教師通過雨課堂發(fā)布資源庫中與本課程相關(guān)的前測、中測及后測練習(xí)題，統(tǒng)計分析結(jié)果可實時反饋給教師，這種方法簡單易行，能夠讓新手教師在整個課堂中的講授與交流做到“有的放矢”，從而彌補其教學(xué)經(jīng)驗不足、無法很好把握學(xué)生學(xué)習(xí)卡點的問題；課后，答疑交流重在“欲擒故縱”，課后作業(yè)的批改主要借助中國大學(xué)MOOC平臺進行互評，學(xué)生給他人評價作業(yè)的過程也納入最終成績。為了能夠正確批改他人作業(yè)，學(xué)生會主動進行學(xué)習(xí)，由此引發(fā)的探討和辯論會異常激烈。教師在討論過程中要學(xué)會“欲擒故縱”，并不急于回答，而是引導(dǎo)學(xué)生通過查資料等方式主動思考以驗證自己的想法。教師的作用主要是拋轉(zhuǎn)引玉，在引導(dǎo)學(xué)生思考的過程中，也能給新手教師更多時間分析學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并為下次課程中對共性問題的集中解答進行充分的思考。通過線上和線下交流活動，學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性與學(xué)習(xí)興趣得到最大程度的激發(fā)，從而逐漸養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣。

3.4 考核方式

采用全過程化考核機制，從多層面、多角度進行課程考核，打破傳統(tǒng)的單一考核方式和一次反饋方式，并及時把過程考核的階段性結(jié)果反饋給學(xué)生，從而激發(fā)學(xué)生的競爭心理，激勵其主動學(xué)習(xí)。學(xué)生通過過程考核成績可清醒意識到自己當(dāng)前的狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)差距及薄弱之處，從而適時調(diào)整學(xué)習(xí)方法，合理分配時間。而現(xiàn)有的線上移動工具等平臺也使課程學(xué)習(xí)生命周期各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的真實采集成為了可能。課程評價考核主要包括以下幾部分：

（1）終結(jié)性教學(xué)評價。課程教學(xué)評價是在學(xué)期末以筆試閉卷考試形式完成的（分數(shù)占50%），應(yīng)逐步加大期末考試題目中非標準答案或開放問答題目、自主設(shè)計題目的比例，注重考查對知識的理解應(yīng)用而不是死記硬背。

（2）實驗教學(xué)評價。線下動手實驗需完成一批基礎(chǔ)實驗和至少一個設(shè)計型綜合實驗（分數(shù)占30%），實踐過程評價主要表現(xiàn)在實驗素養(yǎng)、實驗成功率、實驗原理掌握情況以及實驗中發(fā)現(xiàn)與解決問題的能力等方面。

（3）平時過程性評價。平時過程性評價主要通過線上MOOC平臺記錄的學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)數(shù)據(jù)和線下學(xué)習(xí)表現(xiàn)進行綜合評價（分數(shù)占20%）。

線上線下教學(xué)中對MOOC平臺及其他方式所能捕捉到的學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)（視頻學(xué)習(xí)進度、交流次數(shù)和質(zhì)量、學(xué)生上課出勤率等）進行分析，并根據(jù)學(xué)生平時作業(yè)與隨堂測驗等環(huán)節(jié)完成情況、主講專題的深入程度和拓展程度、其它專題的參與程度等方面的情況進行綜合評定。該方式能夠反映學(xué)生的真實學(xué)習(xí)水平，既避免了學(xué)生機械記憶、死記硬背，又能夠引導(dǎo)學(xué)生將功夫花在平時，將重心落在分析和解決問題上。

4 教學(xué)效果

從2021年開始，在網(wǎng)絡(luò)安全等兩個專業(yè)開展了基于MOOC的計算機組成原理新型教學(xué)模式改革實踐。以2022年為例，在教學(xué)結(jié)束后對采用了該模式的實驗班與常規(guī)教學(xué)班（參照班）進行對比，主要對比了期中和期末考試成績中基礎(chǔ)題型（70分）與綜合題型（30分）的平均成績。從圖2中可以看出，對于簡答、計算這類基礎(chǔ)題，實驗班略勝一籌，而對于綜合設(shè)計題，實驗班優(yōu)勢更明顯。通過對比可以看出，在新型教學(xué)模式下，學(xué)生對知識的運用能力得以提升。

Fig.2 Comparison of teaching effect between experimental class and general class in the first half of 2022圖2 2022上半年改革實驗班與普通參照班教學(xué)效果對比

在考察基于MOOC的新型教學(xué)模式的教學(xué)效果時還采用了問卷調(diào)查法。在受訪的56名學(xué)生中，有52名學(xué)生喜歡混合式教學(xué)方式，36名學(xué)生認為混合式教學(xué)方式提高了自身的學(xué)習(xí)熱情，30名學(xué)生認為混合式教學(xué)方式能夠滿足自己個性化的學(xué)習(xí)需求，40名學(xué)生認為課前測試、課堂自測方式的學(xué)習(xí)效果好，但也有4名學(xué)生認為混合式教學(xué)方式使得學(xué)習(xí)壓力增大，如圖3所示。問卷調(diào)查結(jié)果顯示，學(xué)生對基于MOOC的計算機組成原理課程教學(xué)有較高認同度。

Fig.3 Teaching effect questionnaire of hybrid teaching mode based on MOOC圖3 基于MOOC的混合式教學(xué)效果調(diào)查問卷

5 結(jié)語

在“互聯(lián)網(wǎng)+”時代，利用MOOC在線資源進行混合教學(xué)，為學(xué)生提供了創(chuàng)新的學(xué)習(xí)方式，也為教師提供了新的教學(xué)方法和手段，特別是為初入講堂的年輕教師提供了有力支持，使教與學(xué)都更加高效。MOOC平臺在計算機組成原理課程中的應(yīng)用，有效提高了本科生計算機課程教學(xué)質(zhì)量，提升了學(xué)生的總結(jié)和表達能力，激發(fā)了其學(xué)習(xí)熱情和興趣，使學(xué)生能夠通過互動學(xué)習(xí)，成為真正的課堂主人。該模式在學(xué)校其他計算機類課程中進行了推廣，取得了較好效果。實踐結(jié)果證明，小班教學(xué)效果更加明顯，而對于大班教學(xué)，整理分析線上數(shù)據(jù)會降低教師的工作效率。