《計算機組成與體系結構》MOOC課程建設探索

張楊+王國華+左保河

摘 要：MOOC引發了在線教育的革命。計算機組成與體系結構課程是軟件學院的一門專業基礎課，在傳統的教學過程中，存在著難以形成整機概念、學生學習積極性不高、對課程重要性認識不足、師生互動不夠頻繁這些教學問題。本文通過分析MOOC課程的特點，引入MOOC課程來解決上述問題。論文闡述了計算機組成與體系結構MOOC課程的建設過程、實施方法和實施效果。最后，總結了該類課程的建設經驗。

關鍵詞：計算機組成與體系結構；MOOC課程；課程建設

中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A

Abstract：The MOOC triggered the revolution of online education.Computer Organization and Architecture is a professional basic course in the school of software engineering.Various problems are found in traditional teaching with the lack of the computer system concept，learning initiatives，cognition to the importance of the course and the communication between teachers and students.By analyzing the characteristics of MOOCs，the paper introduces the Computer Organization and Architecture MOOC to solve the above problems.The paper elaborates on the construction，the implementation methods and the implementation effects.At the end，the MOOC construction experience of similar courses is summarized.

Keywords：computer organization and architecture；MOOC；course construction

1 引言（Introduction）

MOOC的全稱是Massive Open Online Course，意為大規模開放在線課程，最早于2008年由加拿大學者Dave Cormier和Bryan Alexander提出。MOOC顛覆了以往的教學方式，短短幾年間快速地在美國興起，并在全球火熱，2012年被稱為世界MOOC元年[1]。斯坦福大學創立的Coursera和Udacity，麻省理工學院和哈佛大學聯合創立的edX是國外最具代表性的MOOC平臺。國內高校也緊跟國際在線教育發展趨勢，2013年，北大、清華、復旦等中國的一流大學陸續“投靠”了Coursera、edX課程提供商。因此，2013年被稱為中國MOOC元年[2]。后來，清華大學的又自建了學堂在線平臺，上海交通大學自建了的好大學在線平臺等，這些都是國內具有代表性的MOOC平臺。

MOOC引發了在線教育的革命，它將信息技術、網絡技術與課程教學有機融合，為高等學校的人才培養提供了一種新型的開放式教學手段[3]。為了提高教師的教學效果和學生的學習成效，促進教學改革的進一步深化和教學質量的提高，課程團隊在學校和學院的支持下，將MOOC這一新型教學手段引入計算機組成與體系結構課程教學當中，取得了較好的效果。

2 現狀分析（Analysis of the current situation）

計算機組成與體系結構課程是本校軟件工程專業的核心專業基礎課之一。這是軟件工程專業基礎課程中為數不多的一門硬件基礎課程，在本專業的課程體系設計中起著承上啟下的作用。其先導課程有數字邏輯、C++高級程序設計，后續課程有操作系統、嵌入式軟件開發等。課程的教學目標是為學生建立計算機系統的整機概念，理解計算機系統中硬件、軟件的功能劃分和相互配合關系，并為后續的軟件系統的設計開發奠定硬件基礎。

計算機組成與體系結構課程是由計算機組成原理和計算機體系結構兩門課程合并而成的。在軟件學院的課程體系中，總學時數64學時，其中授課學時48，實驗學時16。相比較計算機學院，學時數減少一半。在這種情況下，很難將兩門課程講得完整，因此在授課內容方面必須要有所取舍。在這里，課程主體還是以計算機組成原理為主，輔以部分精選過的計算機體系結構的內容。

經過筆者十多年的課程教學，對學生進行調查后發現，現有的傳統課程教學方式存在以下問題：

（1）知識點多且零散，內容抽象，學生難以形成整機概念。

計算機組成與體系結構課程的內容主要是講述計算機五大功能部件的工作原理以及計算機整機的工作過程，同時也講述計算機體系結構領域的基礎知識和提高計算機的部件和整機硬件性能的主要途徑。課程理論知識點繁多，需要理解的基本概念多，所以很多學生反映學了以后印象還是一些文字的描述，而沒有深入地理解。而且隨著計算機技術和電子技術的飛速發展，計算機內部結構日趨復雜、龐大和高度集成化，這就更顯得本課程知識面廣、內容多、更新快的特點，學生普遍感到這門課程難學、概念抽象，感性認識差。

（2）學生硬件基礎較差，造成學生學習的積極性不高。

在學習態度方面，很多學生上課不認真聽講，這和他們硬件基礎較差也有一定的關系。例如，本課程先導課程是數字邏輯，很多學生沒有學好這門課，以至于在本課程講到相關內容時就會聽不明白。比如，講到加法器原理時，涉及到對真值表的化簡，許多學生就不懂如何得到邏輯表達式。所以由于學生的硬件基礎差，加上對先行課程的相關知識沒有掌握好，導致學習積極性下降。endprint

（3）對課程的重要性認識不足

軟件學院的學生普遍存在著“重軟偏硬”的思想，對課程的重要性認識不足，他們覺得課程與以后所進行的軟件開發工作沒有什么關系。因此，課程團隊對本學院開設的所有課程的教學內容進行了梳理，找出本課程與其他相關課程的銜接之處，并在MOOC課程的知識點設計時，注重與軟件開發之間的關聯。

（4）教學過程中，師生互動不夠頻繁。

在傳統的教學方式中，由于課程任務重，學時數有限，教師在課堂教學上有滿堂灌的趨勢，缺乏師生之間的互動。并且由于實際情況的限制，學生住在大學城，教師只是在上課時才在大學城，這樣導致學生在學習過程中即使遇到問題，也不會及時采用當面方式與教師溝通，而如果采用郵件，有時會無法及時解決問題。

3 MOOC課程建設（MOOC construction）

MOOC是一種新的教學模式，MOOC和翻轉課堂相結合，課前學生觀看視頻；課上教師剖析重點；課后學生閱讀與訓練；討論課上學生和教師、同學面對面討論交流，這樣可以增加互動，啟發深入思考。

3.1 MOOC的特點

MOOC課程具有以下顯著特征[4]：（1）要求有教師引導上課，不是單純依靠學生自學。MOOC的教學方式是以學習者為中心的，但是強調了教師的引導作用，這樣有利于提高學生的學習積極性。（2）在線學習，在線觀看視頻時，經常會有插入的隨堂測試題檢驗學習者的理解程度，而課后的在線測試可以及時對學習者的答題情況進行反饋，這是符合學習理論中反饋率的要求的。（3）互動的學習環境。在MOOC平臺中都會設置課程的答疑討論區，學生有疑問可以隨時在討論區中向教師提問或者與同學討論，解決了由于地理因素帶來的不能及時溝通的問題。

綜上所述，MOOC課程可以解決當前計算機組成與體系結構課程教學中存在的以上問題，因此本課程團隊于2015年開始著手MOOC課程的建設，并取得了學校和學院的支持。

3.2 MOOC課程設計

本課程共分為八章，每章分講，每一講即為一個知識點視頻。根據文獻[5]所給出的大規模開放在線課程的設計，本文做了一定的改進。本MOOC課程的設計過程分為學習者分析、教學目標設定、知識點分解、腳本編寫和習題設計五個步驟。

（1）學習者分析

本課程已被立項成為廣東省精品資源共享課程，以后將面向廣東省高校的學生開放。在課程建設之初，首先面向的是軟件工程學院的學生。軟件學院的學生已經具有數字邏輯課程和高級語言程序設計的基礎，但是不具有匯編語言的基礎，并且在軟件學院的課程體系中也不會開設匯編語言。但是在課程有些知識點的講述時，會伴隨匯編語言的代碼實例。在以前的教學過程中，課程團隊發現存在有部分學生由于匯編語言知識的缺乏，而難以理解與原理相關的匯編語言實例的。另外，考慮到課程經過迭代后，面向全廣東省高校學生開放時，學生可能是來自各個不同專業，也會出現同樣的問題。因此針對這個問題，課程團隊在設計知識點時，需要考慮到學習者的因素。

（2）教學目標設定

本課程的教學目標旨在提高學生對計算機系統的全面認識水平和系統設計能力，建立計算機整機，全面理解計算機系統的層次結構。具體包括以下幾個方面：了解計算機指令集體系結構的設計原則和設計原理；具備使用HDL進行計算機硬件設計的基本能力；深刻理解操作系統和硬件之間的分工和銜接關系；掌握從硬件角度出發進行編譯優化的基本技術；深刻理解從硬件角度出發編制高效程序的基本原理；提高利用硬件知識進行程序調試的能力。

（3）知識點分解

在課程設計時，考慮將知識點進行重新分解，每個知識點設計錄制時長盡量不超過十五分鐘，因為根據心理學的研究，人的高效專注時間長度在15-20分鐘，方便學生利用碎片時間對課程視頻進行反復觀看。但是，有時也不會一味地追求知識點的短小，而將知識點劃分地過小。如在講cache的原理時，會將cache的控制位和cache的寫策略合成為一個知識點，以避免知識點過細導致視頻特別短的問題。因此，對知識點劃分粒度是在進行課程設計時需要重點考慮的一個問題。

在課程中，額外設計了兩個有關于匯編語言的視頻，為沒有匯編語言基礎的學生更好地理解課程提供幫助。

（4）腳本編寫

在對知識點完成分解的工作后，需要為每個知識點視頻的錄制編寫腳本。具體的做法是為每張PPT編寫解說內容，并注明所需要的特效。在編寫腳本的時候可根據不同PPT的篇幅內容，設計采用教師不出鏡、教師全身出鏡或者采用畫中畫的形式在視頻的右下角出鏡三種不同的形式，以避免學生視頻觀看時產生的視覺疲勞。

（5）習題設計

為了檢驗學生自主學習的效果，同時做到在翻轉課堂時對學生對知識點的掌握程度有所了解，課程團隊為每個知識點視頻配套兩類習題。第一類習題是客觀練習題，每個知識點有4—8個單項選擇題。另一類習題是主觀練習題，一般為簡答題或計算題。當學生學習完知識點視頻后，需要完成這兩類習題，以檢驗學習效果。

3.3 MOOC課程錄制

軟件學院自建了兩間融理論課程、實訓課程、項目開發和實時錄制的多功能教室，并自建了MOOCs課程錄播工作室，依托學院自建服務器群（6臺專用服務器）和好大學在線平臺（與百度和上海交通大學共建），實現課程錄制、實時在線學習和資源共享集成化平臺。

自建錄播室的好處是在課程錄制完成之后，任課教師可根據課程的發展，隨時補錄課程視頻，以便跟上計算機系統硬件的業界發展趨勢。當然，也存在著課程視頻制作不夠精美的缺點。但是，課程團隊的思想是先建設課程內容上線運行，等課程內容迭代成熟以后，可以將美觀等問題慢慢交給專業公司去完善。本課程的企業合作團隊是深圳軟酷網絡科技有限公司，幫助制作了課程的宣傳片和部分動畫。endprint

4 MOOC課程實施（MOOC implementation）

經過一年的精心錄制和制作，本課程于2016年7月錄制完成，2016年9月在好大學在線平臺上線。由于是課程的第1版，因此目前開放范圍僅限于本校學生，后續隨著課程內容的持續迭代會考慮擴大學習者范圍。課程的實施方式選用了翻轉課堂教學方式，由原來傳統的課堂授課48學時+實驗16學時，改為翻轉課堂24學時+實驗16學時。

4.1 學生自學

每周由任課教師在課程公告欄發布知識點視頻以及與知識點相關的延伸閱讀資料，學生自行安排時間完成視頻觀看學習（在視頻播放過程中不允許快進）。知識點視頻學習完成后，有相應的客觀練習題或主觀練習題供學生檢驗自己對知識點的理解情況。練習題會設定提交截止時間，一般設置為線下課堂教學的前一天?？陀^練習題會限定學生在規定的時間內完成，如10分鐘或20分鐘不等，視題目的數量和難易程度不同。

4.2 翻轉課堂

課程的翻轉課堂教學采用幾種方式實現：

（1）知識點精講

由于針對每個知識點會有相關的練習題，教師在課前可以通過好大學在線平臺的統計數據獲知學生對知識點的自學掌握情況。如果某個知識點的錯誤率較高，教師會在課堂上對知識點的內容做更詳盡的解釋，以確保學生能夠完全掌握。

（2）延伸閱讀材料分組討論

由于采用影印版英文教材，教材內容更新速度有限，無法及時反映業界技術的最新發展。如在介紹存儲器的存儲原理時，教材中主要介紹了靜態和動態半導體存儲器的存儲原理，而現在常用的固態存儲器原理并未涉及。教師就需要將這些內容作為延伸閱讀材料在線布置給學生，學生在線下除了自學知識點視頻之外，還需要根據教師所提要求來精讀這些延伸閱讀材料。教師在翻轉課堂時可以采取讓學生講解延伸閱讀材料的方式，并組織學生進行分組討論，一方面擴充了教材內容，另一方面又通過學生的自主閱讀，鍛煉了學生的文獻閱讀能力，對提高學生的學習興趣也起到了很好的促進作用。

5 MOOC課程實施效果（MOOC implementation

effects）

軟件學院2015級3、4班共88人，5、6班共97人，另有4名大連理工大學交換生，共計189人參與課程，如圖1所示。

績（圖中的成績為卷面成績，而非總評成績）在60分以下，只有少數幾個學生卷面成績能夠達到80、90分，全班總平均分甚至都在60分以下。

從圖3可以看出，在MOOC課程上線之后，2015級的學生成績有了長足的進步，只有百分之十六的學生卷面成績在60分以下，卷面成績在80、90分的學生達到了接近20人，全班總平均分提高到了72分。

這些數據表明，MOOC課程提高了學生的學習積極性，使得他們的學習成績有了很大的提高。

6 結論（Conclusion）

本次MOOC課程建設經過了學習者分析、教學目標設定、知識點分解、腳本編寫和習題設計五個步驟。MOOC課程的實施方式采用了MOOC+翻轉課堂的形式。經過在軟件學院2015級4個班的實施，學生的成績有了較大的提升。因此MOOC課程因為能夠提高學生的學習興趣，并且利用碎片化的時間完成課程知識點的學習，是互聯網+在教育領域的一次成功的應用。

參考文獻（References）

[1] Pappano L.The year of the MOOC.The New York Times，Nov 2，2012：ED26.

[2] Zhang Liqin，Wu Ning.Construction of a MOOC Based Blend Learning Mode[C].Proceedings of The 10th International Conference on Computer Science & Education（ICCSE 2015） July 22-24，2015：997-1000.

[3] Li Ruolan.The Preliminary Exploration of the application of MOOC in College oral English Teaching[C].Proceedings of 2016 8th International Conference on Information Technology in Medicine and Education.813-816.

[4] 李京杰.MOOC-一種新型大規模公開在線課程模式探討[J].軟件導刊，2013（9）：49-50.

[5] 張忠.大規模在線課程設計研究[D].武漢：華中師范大學，2014：34.

作者簡介：

張 楊（1977-），女，博士，講師.研究領域：服務計算.

王國華（1977-），女，博士，講師.研究領域：網絡存儲.

左保河（1967-），男，博士，副教授.研究領域：系統工程，軟件工程，網絡安全.endprint