微機原理課程的MOOC建設

摘要：介紹微機原理課程MOOC建設中的一些實踐和探索，從MOOC方案設計、微機原理教學知識劃分、教學視頻和課程習題準備、在線學習等方面探討MOOC建立的一些措施，提出微機原理課程實施MOOC教學的幾點思考，建立基于MOOC開放課程資源的翻轉式/混合式教學模式，以進一步提高教師教學水平和微機原理課程教學效果。

關鍵詞：MOOC；微機原理；教學內容；教學方法

1.背景

MOOC是一種新的開放課程資源共享模式，具有關聯學習、大規模教學、翻轉課堂和協同評價的混合式教學特點，國內外一流大學都紛紛開設了自己的MOOC。2015年7月8日，教育部在線教育研究中心交流聯絡部主任和清華大學“學堂在線”戰略合作總監陳偉、清華大學教授肖星等一行3人到西南科技大學參加“互聯網+與MOOC（慕課）/混合式教學改革”學術報告會。西南科技大學隨后也打開了MOOC教學模式改革的序幕，要求各教學單位緊跟改革發展浪潮，抓緊研究建立本校在線課程選用和建設管理機制，鼓勵和支持課程教師建設MOOC課程，將MOOC這一新型教學手段引入課程教學，進一步提高教學效果和改善教育教學質量。

微機原理課程是計算機科學與技術專業的一門專業基礎課程。通過本課程的學習，學生能夠在理論和實踐層面掌握微型計算機的基本組成、工作原理及常用接口技術；初步掌握匯編語言程序設計的基本方法和上機調試過程；建立微機整體概念，具備利用微機進行硬、軟件開發的初步能力。

2.微機原理課程MOOC建設的具體措施

高校MOOC課程建設的一般流程是擬訂教學大綱和授課思路-確定視頻單元與非視頻單元的內容、拍攝場景和制作風格-策劃視頻腳本-拍攝、制作視頻單元和非視頻單元（主要準備隨堂習題與作業）-策劃在線學習與交流活動-上傳與測試課程內容-開展在線教學活動。

2.1擬訂教學大綱和授課思路

建設MOOC開始階段，教師可針對計算機科學與技術本科專業學生的培養目標和教學要求，對微機原理課程教學內容進行整體的規劃和梳理，充分了解學生的專業基礎，體現課程特點，將整個教學內容劃分為相對獨立的知識單元，對每個單元又分為3～5個知識點，包括微機基本結構與工作過程、微處理器的編程結構、微機尋址方式與指令系統、匯編語言程序、微處理器的內部結構、I/O接口和DMA技術（8237）、并行通信及接口電路（8255）、中斷及中斷控制器（8259）、定時/計數技術（8253）、串行通信及接口電路（8251）、存儲器及其接口等知識單元。教師在每個知識單元的知識點把握上，一方面可盡量降低對學生先修知識的門檻要求；另一方面應遵循微型計算機與時俱進的發展規律，為有潛力和有興趣的學生增加相關先進技術的拓展性內容。

在授課方面，為了滿足不同專業基礎學生的學習需求，要求MOOC在每個知識單元中的多個知識點既要保持相對獨立性和完整性，又要強調之間的聯系。在MOOC建設中，教師可將課程內容按微機原理知識單元劃分為20講，每1講2小節（即對應1學時的授課時間），每小節包含2-3個知識點，1個微視頻對應1個知識點。傳統微機原理教學課時是48學時，其中理論授課40學時，課程實驗8學時，教學時長為10周。由于課程教學內容綜合了微型計算機軟、硬件的理論知識，要求學生既有扎實的計算機硬件理論知識，又有良好的面向機器語言進行程序設計的能力。這一要求對于大多數缺乏實踐經驗、理論基礎薄弱的學生而言明顯不適宜，因而容易導致學生的學習興趣降低，學習積極性差；另一方面，原有教學模式下，課程內容多，知識點比較散亂，班級容量大（大班教學），教學時以“老師講”為主，學生參與互動、討論少。MOOC將每個知識點制作成短視頻，可供學生隨時、反復觀看學習，幫助學生真正實現溫故知新。

2.2錄制視頻和準備隨堂習題與作業

學生通過觀看課程教學視頻獲取知識是MOOC教學的重要步驟。為了讓學生充分利用碎片時間，集中精力學習，每個知識單元中的知識點對應的教學視頻時長都在10分鐘以內，而且視頻錄制形式根據知識點的內容調整。PPT錄屏方式用于課程中基本概念和原理的講解，如講授微型計算機基本結構時，教師結合PPT中的系統框圖進行講解；講解難度較大的“微處理器的編程結構”時，采用PPT錄屏與手寫錄屏相結合的方式，這樣既可以減慢講課節奏，讓學生有充分的思考時間，又可以通過PPT錄屏方式給出直接的結果；對于學生感覺比較枯燥的知識點則可采用動畫型視頻和影視剪輯型視頻，課程中偶爾應用多媒體視頻錄制形式也能吸引學生的注意力，激發其學習興趣，使這些枯燥的知識點變得生動。不論采用何種錄制方式，始終保證教師出現在視頻當中，給學生真實的課堂感受，可彌補慣用MOOC教學方式的不足。

在習題與作業準備方面，教師可主要根據微機原理的知識單元結構特點設置兩種類型的作業，一種是需要同伴互評或教師評價的主觀題（綜合大作業）；另一種是對應每個知識點的隨堂習題（客觀題）。每個知識點設置5道左右的客觀題，主要是將傳統的經典課程習題中分析題、計算題、簡答題的重要知識點提取出來并進行改造，變為與知識點緊密相關的選擇題和判斷題，這樣既能對學生的知識點掌握情況進行考查，又適合MOOC教學的特點，同時還能進一步鞏固所學內容。主觀題通常是經過一個或幾個知識單元的學習后給出的大作業，主要考查學生對于所學知識的綜合應用能力，如“基于8086的打字練習評價系統”大作業，要求學生綜合所學過的知識點如LED點陣顯示、并行接口、定時器等，獨立完成一個較復雜的微機系統。學生經歷從整體方案設計、硬件電路設計和實現、軟件設計和編程，到系統測試運行的完整過程，可以訓練自主獲取知識的能力和培養創造意識，強化知識綜合應用能力。最后，學生提交的大作業的評分由學生互評與教師點評兩部分組成，學生互評既能讓學生復習鞏固已掌握的知識，又能促使學生對掌握不徹底的知識點重新學習，縮小學生在學習成績上的差距；教師評價主要是發現學生共同存在的問題并給予解答，這樣有利于提高MOOC課程學習評價的效果和效率。

2.3開展在線學習活動

在線學習是MOOC教學與傳統教育的一個重要區別，它通過網絡在學生、教師之間開展形式多樣的交流與互動，令學生可以隨時隨地向教師提問并與同學交流，使教學互動過程不再被限制在固定的時間和地點。這為學生提供了能提高學習效果的高效資源池，可以及時為有困惑的學生答疑解難，也能為教師掌握學生的學習情況和知識接受程度提供第一手的反饋資料。

微機原理MOOC的在線學習主要有開展在線答疑和討論、在網絡上建立互動學習社區等內容；在學習社區中設置一名主講教師，另外從計算機專業的研究生中招募互動學習社區的助教，參與平臺的答疑和討論。教師應根據教學進度和教學內容，突出教學重點和難點，設計互動社區的討論主題，激發盡量多的學生參與討論。例如，在知識單元“微處理器的編程結構”微處理器工作模式的學習中，設置關于微型計算機實模式和保護模式的討論主題，要求學生利用微處理器編程結構中所學的知識，分析實模式和保護模式的區別。這種主題討論既能幫助學生復習已學的知識，又能鍛煉和提高其分析問題和解決問題的能力。互動社區的主講教師主要負責討論主題的設計；助教除了負責日常的答疑和參與社區討論以外，還要維護社區的信息安全、信息的純凈以及解決各種技術問題。

微機原理是一門技術性、工程實踐性都很強的課程。為了幫助學生鞏固所學的技術方法，增強綜合運用能力，教師可在MOOC建設中設置以學生互動為主、教師積極參與的仿真實驗系統；根據教學內容正確、合理地設計實驗課程內容，并利用PROTUES仿真實驗系統預先構建的微型計算機實驗平臺。這個平臺具有完整的包括匯編語言編程實驗、接口技術實驗和系統綜合設計實驗3個層次實驗的內容體系，對培養學生的創新能力有很大幫助。學生可下載微型計算機實驗平臺到本地，然后根據實驗要求進行相應的實驗，完成之后即可在本地運行，直觀地看到運行結果。這種互動式聯合開發仿真實驗能有效地訓練學生的綜合實踐能力，還可以與理論課協調配合，實現互補和互動。學生完成實驗后，需要向仿真實驗系統提交完成的代碼、實驗結果和經驗心得，這些資料都將與其他學生和小組共享，各個小組之間相互點評，達到相互學習和相互促進的目的。

3.微機原理MOOC建設的幾點思考

3.1MOOC與傳統教學模式

MOOC是一種全新的知識傳播模式和學習方式，為學習者提供了全新的知識獲取渠道和學習模式。通過微機原理課程MOOC建設，建立全部知識點的教學視頻和與之對應的習題庫，能幫助學生完成對教學內容的全面學習。然而，對于計算機專業的在校本科學生來說，不宜完全依賴MOOC在線學習來完成微機原理教學過程。首先，微機原理課程是計算機專業基礎課程，是大學生學習和掌握計算機硬件基礎知識、匯編語言程序設計及常用接口技術的入門課程，又是技術性和工程實踐性很強的課程，實踐環節在課程教學中占有非常重要的地位。雖然在MOOC中開設了仿真實驗系統，以仿真軟件的方式對學生的動手能力進行了一些模擬訓練，但還是無法完全取代真實的課程實驗室教學。其次，學生的專業知識基礎、接受程度、學習自覺性等方面存在較大的個體差異，盡管MOOC在知識點劃分、視頻制作等過程中考慮了這些因素，但還是無法完全做到因材施教。MOOC自主學習在很大程度上依賴于學生的自我約束性，容易受到干擾，難以保證學習效果。因此，微機原理的教學需要將MOOC和傳統課堂教學結合，實施混合模式教學，充分發揮兩種教學模式的優點。

實施混合式教學，教師首先要完成從“以教師為中心”的傳統教學觀念到“以學生為中心”的新觀念的轉變；其次，要完成角色的變換，從課程講授的主導者轉變為課程學習的指導者，在課程教學過程中主要發揮引導、討論和評價的作用，對學生的學習進行指導、互動和示范，當好課程學習的服務員。基于MOOC教學模式的核心是讓學生成為學習的主人，學生除了課堂時間外，還可以利用課余和各種碎片時間進行課程學習；同時，學生自學和相互學習、師生互動、學生與學生互動及教師指導成為重要的學習方法。班級學生還能以小組形式進行學習，按照性別比例、性格特長、宿舍、成績、團結協作能力等均衡合理地劃分為學習小組（3～5人為一組較為合適），在課堂上，以小組為單位進行討論和提問。在實驗及課后作業或基于MOOC學習時，也以小組為單位，課程結束后，以小組為單位進行考核。為了能讓小組的每一個成員有機會得到能力的鍛煉，在提問、討論、實驗等教學過程中，小組成員應該輪流闡述本小組的學習成果及觀點。這樣的學習方法可以使那些積極性差的學生在小組其他學生的幫助下，變得更主動。通過這種混合式教學，學生可以完全掌握微機原理課程教學的全部內容。

3.2MOOC與實踐教學

微機原理除了一些基本概念和原理外，主要介紹各種接口技術，而在理論課中只抽象地介紹接口的工作原理，因而必須通過讓學生設計接口電路和編寫接口程序的實踐來加深對微機接口技術的理解。微機原理MOOC教學效果的好壞，在很大程度上取決于實踐教學的效果。

微機原理實踐教學平臺可以有多種，包括固定結構的實驗箱、軟件仿真實驗、基于FPGA的在線實驗和基于E-Lab的硬仿真軟件，但比較適合MOOC的是基于FPGA的在線實驗和E-Lab的硬件仿真軟件，這兩種模式充分利用現代信息技術，同時保留傳統固定結構實驗箱的優點，可為MOOC實驗教學提供實踐平臺，為學生設計多層次的實驗項目。第1層次的實驗是基礎單元實驗，主要包括：①數模和模數轉換接口實驗，實驗目的是深入學習數模和模數轉換電路的基本原理和接口方法、模數和數模轉換芯片（ADC0809、DAC0832）的工作性能，掌握模數和數模轉換的編程方法；②鍵盤顯示器接口實驗，實驗目的是掌握鍵盤顯示接口芯片8279與單片機的硬件連接方法、8279的編程方法以及單片機內部定時器的使用方法；③微機串行口通信實驗，實驗目的是深入掌握異步串行通訊的基本原理、用微機串行口設計實現異步串行通信的方法以及串行接口芯片8251的工作原理和使用方法；④PCI設備操作實驗，實驗目的是了解PCI設備的工作原理和自動配置過程，掌握PCI BIOS的使用方法，熟悉自行開發的PCI實驗接口卡的使用，為后續實驗打下基礎；⑤可編程并行接口實驗，實驗目的是深入掌握并行接口的基本原理和實現方法以及并行接口芯片8255工作原理和使用方法；⑥可編程定時/計數器與中斷控制實驗，實驗目的是深入掌握PC機中斷系統的基本原理，學會編寫中斷服務程序，掌握定時/計數器芯片8253的基本工作原理和使用方法。第2層次的實驗是系統綜合實驗，學生需自己動手，建立微機系統整體概念，訓練系統綜合設計能力和創新意識，如基于實驗平臺自行完成實驗項目（參考項目：電子琴、步進電機控制、溫度控制系統、數字錄音機、電子游戲等）。第3層次的實驗是基于微型計算機的嵌入式系統設計實驗。前2個層次的實驗面向本專業所有學生，最后1個層次的實驗主要針對創新和實踐能力較強的學生設置。

4.結語

MOOC是一個公開共識課程資源的平臺，很多國際、國內的大學和教學工作者已經在開放平臺上發布了自己的MOOC課程，平臺的開放性和競爭特點對課程建設質量、教師授課水平等提出了更高的要求。微機原理MOOC建設將現有培養方案中要求學生掌握的知識單元的知識點以視頻、習題集、在線學習的方式，形成一套“視頻+習題+在線學習”的MOOC教學流程，服務于計算機專業本科教學，也支持其他專業的學生進行自學。MOOC建設能夠有效地提升微機原理課程的教學水平，推動教學模式的進一步變革。隨著信息技術的發展，微機原理課程教學改革的探索還將繼續，只有改革教學方案，才能夠有效地提高教學質量，達到新的人才培養目標。