基于群體協(xié)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(xué) 計算機學(xué)院，北京 100081)

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的廣泛普及，以及以云計算、人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等為代表的新技術(shù)的應(yīng)用，計算機科學(xué)正經(jīng)歷著深刻的變革。同時，計算機技術(shù)在經(jīng)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(shù)的變革和廣泛使用，傳統(tǒng)的計算機教育理論和方法已經(jīng)不能滿足新形勢下對計算機人才培養(yǎng)的要求。國際計算機學(xué)會( Association for Computing Machinery, ACM )的教學(xué)指導(dǎo)方案CE2016[1]將計算機專業(yè)的培養(yǎng)重點確立在“系統(tǒng)知識和系統(tǒng)能力”的培養(yǎng)。國內(nèi)外知名高校，如麻省理工、斯坦福、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等，近年來都積極地進行了以“系統(tǒng)知識和系統(tǒng)能力”為培養(yǎng)導(dǎo)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(shù)字邏輯、計算機組成原理、計算機體系結(jié)構(gòu)、匯編語言程序設(shè)計，以及選修課嵌入式系統(tǒng)和計算機硬件系統(tǒng)設(shè)計，配套的實踐課程包括匯編與接口課程設(shè)計、計算機組成原理硬件實驗。 其中匯編與接口課程設(shè)計、計算機組成原理硬件實驗統(tǒng)一安排在第六學(xué)期與第七學(xué)期之間的短學(xué)期集中2周完成。每年參與的學(xué)生約 300 人左右，為計算機學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)兩個專業(yè)的實踐必修課。

在以“系統(tǒng)知識和系統(tǒng)能力”的培養(yǎng)為導(dǎo)向的計算機教育改革中，如何對現(xiàn)有的硬件實踐環(huán)節(jié)進行改革[5-9]，以高效地幫助學(xué)生提升計算機硬件系統(tǒng)能力以及對其計算機硬件系統(tǒng)能力進行高效客觀地評估，從而全面提升實踐教學(xué)質(zhì)量，是計算機硬件實踐課程急需解決的問題。

1 現(xiàn)有計算機硬件實踐課程存在的問題

在我?，F(xiàn)有的計算機硬件實踐課程中，對學(xué)生實踐結(jié)果的評價，一般采用現(xiàn)場演示的方式對學(xué)生的實驗結(jié)果進行檢查。同時通過現(xiàn)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(xiàn)場問答的方式存在以下幾個方面的問題：

(1) 未結(jié)合“系統(tǒng)知識和系統(tǒng)能力”的培養(yǎng)導(dǎo)向。教師在驗收時的提問不具有系統(tǒng)性，沒有結(jié)合“系統(tǒng)知識和系統(tǒng)能力”的培養(yǎng)導(dǎo)向，因而難以支持以“系統(tǒng)知識和系統(tǒng)能力”的培養(yǎng)為導(dǎo)向的教學(xué)改革。

(2) 未能對學(xué)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(jié)合學(xué)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(biāo)準(zhǔn)難以達(dá)到嚴(yán)格一致。

(3) 未對評價結(jié)果進行分析，難以為先導(dǎo)課程優(yōu)化教學(xué)策略提供支持?，F(xiàn)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(tǒng)計分析，從而得到先導(dǎo)課程數(shù)字邏輯、計算機組成原理、計算機體系結(jié)構(gòu)、匯編語言程序設(shè)計中的教學(xué)薄弱環(huán)節(jié)，難以為先導(dǎo)課程的教學(xué)優(yōu)化提供支持。

2 基于群體協(xié)作的計算機硬件實踐考評促教

針對現(xiàn)有的計算機硬件實踐基于現(xiàn)場問答的知識點考察方法的不足，提出了基于群體協(xié)作的計算機硬件實踐考評促教方法(見圖1),其主要內(nèi)容包括：基于群體協(xié)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(xué)策略優(yōu)化機制；在以上內(nèi)容的研究與實踐過程中，形成面向計算機硬件系統(tǒng)能力培養(yǎng)的題庫。

圖1 基于群體協(xié)作的計算機硬件實踐考評促教

2.1 基于群體協(xié)作的題庫建立機制

基于群體協(xié)作的題庫建立機制通過調(diào)動學(xué)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(xué)生在學(xué)習(xí)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(guī)模的題庫。

如圖2所示，基于群體協(xié)作的題庫建立機制通過“學(xué)生群體出題—學(xué)生交叉檢查—學(xué)生測試—教師審核—入庫”的流程來建設(shè)大規(guī)模高質(zhì)量的題庫。具體為：①學(xué)生群體出題。首先建立統(tǒng)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(fā)給學(xué)生，學(xué)生根據(jù)自己學(xué)習(xí)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(biāo)準(zhǔn)格式進行封裝，以利用分享和入庫。②學(xué)生交叉檢查。該步的目標(biāo)是保證試題質(zhì)量。通過統(tǒng)一的交叉檢查工具，在學(xué)生間進行交叉檢查，從而初步淘汰不合格的題目。③學(xué)生測試。該步的目標(biāo)是保證試題的區(qū)分度。通過將試題在學(xué)生間進行初步測試，去掉難度很高、難度很低、以及區(qū)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(zhì)量和區(qū)分度；⑤入庫。將題目按照標(biāo)準(zhǔn)格式放入試題庫中。

圖2 基于群體協(xié)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(tǒng)的現(xiàn)場問答方式“不具有系統(tǒng)性，沒有結(jié)合系統(tǒng)知識和系統(tǒng)能力的培養(yǎng)導(dǎo)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(tǒng)知識和系統(tǒng)能力”的培養(yǎng)導(dǎo)向，結(jié)合計算機硬件實驗特點，設(shè)計若干計算機硬件系統(tǒng)問題。針對不同的系統(tǒng)問題，建立能力點映射關(guān)系表，同時，結(jié)合布盧姆的認(rèn)知過程模型，即“記憶、理解、應(yīng)用、分析、評價、創(chuàng)造”，將對應(yīng)的試題歸類到能力點認(rèn)知階段。上述對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

圖3 “系統(tǒng)問題-能力點-試題”的對應(yīng)關(guān)系

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

表1 能力點-試題-布盧姆認(rèn)知過程的對應(yīng)關(guān)系示例

(2) 成績評價。在以“系統(tǒng)知識和系統(tǒng)能力”的培養(yǎng)為導(dǎo)向的計算機硬件教育改革中，教學(xué)目標(biāo)是計算機硬件系統(tǒng)能力。同時，試題評估也是圍繞計算機系統(tǒng)能力的。因此，在考試時，可以圍繞計算機系統(tǒng)能力及其需要達(dá)成的認(rèn)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(zhì)量。

在學(xué)生試卷完成后，除了和傳統(tǒng)考試一樣給出總分?jǐn)?shù)，還能給出相應(yīng)的基于布盧姆模型的能力點得分，讓學(xué)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(tǒng)知識和系統(tǒng)能力”的培養(yǎng)為導(dǎo)向，更全面地反映了學(xué)生硬件系統(tǒng)能力。

2.3 研究基于綜合評價分析的教學(xué)策略優(yōu)化機制

通過對所有學(xué)生的成績進行綜合分析，計算出每個能力點不同認(rèn)知過程的達(dá)成度。達(dá)成度計算式為：

(1)

式中：p(t,Z)為在能力點t，認(rèn)知過程為Z(Z=1～6，分別代表記憶、理解、應(yīng)用、分析、評價和創(chuàng)造)上的達(dá)成度；N為在能力點t，認(rèn)知過程為Z上的題目完成數(shù)目，si(t,Z)為第i個完成題目的分?jǐn)?shù)(采用百分制)。

通過能力點達(dá)成度和教學(xué)大綱要求作比較， 對完成度較低的能力點進行總結(jié)分析， 為先導(dǎo)課程的教學(xué)策略優(yōu)化提供支持。

3 建設(shè)成效

在基于群體協(xié)作的計算機硬件實踐考評促教中，建立了面向計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)的硬件實踐題庫，開發(fā)了相關(guān)的模板和工具。

在建立的題庫上，已經(jīng)組織1屆學(xué)生約300人進行了硬件實踐測試，學(xué)生反映良好?；跍y試結(jié)果，進行了綜合評價分析，表2所示為能力點達(dá)成度的示例。

表2 能力點達(dá)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(xué)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(jié) 語

提出了基于群體協(xié)作的計算機硬件實踐考評促教方法:①通過基于群體協(xié)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(dǎo)課程的教學(xué)策略優(yōu)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(tǒng)能力培養(yǎng)的題庫。用該題庫測試表明,本文方法可以對學(xué)生的硬件系統(tǒng)能力進行更全面的評估，同時能為先導(dǎo)課程的教學(xué)優(yōu)化提供支持，從而提高學(xué)生計算機硬件系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。下一步工作包括：①完善和修正題庫，提供大規(guī)模高質(zhì)量的面向計算機硬件系統(tǒng)能力培養(yǎng)的題庫；②進行更深入的綜合評價分析，以更好地對學(xué)生的系統(tǒng)能力進行評估，和為先導(dǎo)課程提供更好的優(yōu)化策略。實踐表明,基于群體協(xié)作的計算機硬件實踐考評促教方法面向以“系統(tǒng)知識和系統(tǒng)能力”為培養(yǎng)導(dǎo)向的計算機教育改革，有利于提高實驗教學(xué)質(zhì)量[13-14]，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才[15-16]。