一種計算機硬件類課程實驗教學方法

章復嘉，孫丹鳳，趙建勇，林 菲，李二濤

(杭州電子科技大學 國家級計算機實驗教學示范中心，杭州 310018)

0 引 言

在線教育是近幾年教育改革的熱點，高校教學改革經歷了從MOOC到SPOC的發展[1-2]。然而，在高等教育領域MOOC并非適用于所有課程，對于專業性較強的課程，采用SPOC是更好的選擇，因為SPOC既吸收了MOOC的優點，又便于在高校開展。多年實踐表明，MOOC/SPOC實施的難點之一在于怎樣設計與實踐緊密結合的課程教學方案、怎樣制作適用的實踐教學資源，如何能夠切實有效地提高實踐課程的教學效果，培養學生的動手能力[1]。

本文在“互聯網+”大背景下，針對數字電路設計、計算機組成原理、嵌入式系統原理等計算機硬件類課程實驗的特點，結合遠程FPGA實驗板卡、遠程STM32F207VC開發板等實驗設備的應用，提出了針對硬件類課程實驗的RSIE-SPOC教學方法。

1 自主學習理論、SPOC教學模式和PBL方法

1972年聯合國教科文組織國際教育發展委員會在《學會生存——教育世界的今天和明天》報告中指出：未來的學校必須把教育的對象變成自己教育自己的主體[3]。這一著名的論點顛覆了教育是單向知識傳授的概念，明確了教育的目標是要使受教育的人成為教育他自己的人，要幫助學生掌握學習的方法，培養終身學習的意識和能力。

2013年，哈佛大學提出了支持自主學習理論的SPOC(Small Private Online Courses)教學模式，即小規模專有性在線課程，SPOC結合了MOOC和翻轉課堂的優點，將符合準入條件的學生分成小班，小班規模一般在幾十人至幾百人，讓學生利用MOOCs的優質資源進行課前學習，采用翻轉課堂的形式，通過課堂上做練習、討論等形式更深入地學習，從而比MOOC更有效地實施線上線下相結合的混合式教學[2]。

PBL(Problem-Based Learning)最早起源于20世紀50年代的醫學教育，是一套以學生為中心，以問題為導向，設計學習情境的完整方法。該方法遵循教師課前提出問題→學生查找資料→分組討論→教師總結的思路，偏重小組合作學習和自主學習，為學生們營造輕松、主動的學習氛圍，在討論中加深對正確理論的理解，鍛煉學生們文獻檢索、查閱資料、歸納總結、綜合理解，邏輯推理、口頭表達等多方面的能力。在目前的SPOC教學實施中，PBL是一種常用的設計學習情境的方法。

2 硬件類課程實踐教學現狀和需求

在數字電路設計、計算機組成原理和嵌入式系統原理等硬件課程及實驗教學中,發現學生普遍存在“重軟輕硬”即重視軟件課程輕視硬件課程現象。付振勇[4]針對學生對硬件實驗缺乏興趣的現象，提出從教學內容上進行改革，給學生拓展思考題，引導培養科研探索的興趣。遲宗正[5]認為層次化任務驅動式實踐環節能夠提高學生興趣，發揮其主觀創新能動性。陳永強等[6]則提出設計一個硬件實驗平臺，促進軟硬件協同的學習，從而提高學習興趣的方法。周剛等[7]針對按部就班實驗不能發揮學生思考能力和創新能力的現象，采用PBL教育法設計問題導向的創新實驗方案來培養學生的創新能力。姜欣寧[8]從系統設計任務驅動的角度出發，培養學生自主創新能力。李寧等[9]針對硬件實驗不能滿足學生“充分實踐”需要的現象，提出更多開放實驗室和學生租賃學校設備的方法來增加學生實踐的機會。朱銘琳[10]針對硬件實踐不充分和創新能力培養不夠的現象，主張利用課余時間，教師指導學生團隊進行創新實驗的方式培養創新能力，積累項目開發經驗。遲宗正等[11]在教學中發現，傳統實驗考核方式存在漏洞，無法對每一位同學準確評估，他們采用筆試+機試相結合的方式解決不能準確評估的問題。另外他們也采用平臺共享的方式解決傳統教學資料傳達方式的不足。

為了更好地解決學生“重軟輕硬”的現象，本文探索采用一種新的硬件實驗教學方法——RSIE-SPOC教學方法。R代表遠程訪問，S代表自主學習，I代表創新性，E代表實驗。采用RSIE-SPOC解決上述問題的方法是：

(1)圍繞教學目標，及時調整和更新實驗內容，夯實基礎，激發學生的學習興趣和探究欲，為“充分實踐”掃清思想障礙。

(2)開發遠程可交互式訪問硬件設備，提供7×24 h開放實驗，為學生提供“充分實踐”的機會。

(3)采用SPOC+翻轉課堂的PBL方法布置任務、發布學習資料、組織課堂討論和評定實驗成績，促進深度思考，獲得準確的成績評估。

3 RSIE-SPOC教學方法的實施

RSIE-SPOC教學方法，是針對硬件類課程實驗教學的需要，基于遠程可交互式訪問的硬件實驗設備，采用SPOC和翻轉課堂組織學習的，是一種普適于硬件類課程實驗的新的教學方法。

3.1 基于遠程可交互式硬件實驗設備的“充分實踐”

RSIE-SPOC要求教師采用制作和使用翻轉課堂教學視頻的經典五步法(分析、整理、制作、發布和反饋)來制作課前視頻和組織課程學習，切實落實知識表達和教學設計，視頻與自主學習任務單配合使用。課前發布的學習資料包含3類信息：①自主學習任務單；②實驗任務和要求；③相關知識點學習資料(視頻、文字、PPT等)；④實驗教學短視頻或現場實操短視頻。

RSIE-SPOC課前實踐是以遠程可交互訪問硬件實驗設備為基礎的“充分實踐”。在圖1所示的架構下，硬件實驗板卡7×24 h開放，學生通過校內IP地址登錄服務器，申請使用設備，不僅可以下載程序到設備上，還可以實時輸入參數和查看返回的參數。課前學生實踐步驟是：①通過網站登錄申請使用設備；②設備使用申請得到審批后，可在指定時間段內進行設備的調試使用；③連接服務程序，由服務程序連接具體設備進行調試；④調試時間結束后，服務程序自動斷開連接，終止設備聯調。

在這個過程中，學生可以通過平臺提供的智能問答系統、教師在線輔導等方式獲得幫助。這種與其他學習者在線交互的方式，能夠促進學生對學習的投入程度[12]。

圖1 教學流程和遠程可交互式硬件實驗平臺架構

3.2 不斷更新實驗要求

RSIE-SPOC要求教師遵循PBL方法，以問題為導向設計實驗任務，強調知識的融會貫通和靈活運用，且每年實驗內容都有少量更新，比如：組成原理實驗指導書上設計單周期MIPS CPU的R+I型指令數據通路實驗，老師發布實驗任務比指導書上多1條輸入指令，并且要求使用I型指令格式實現該輸入功能，而前1年的要求是用R型格式實現輸入和輸出2條指令。

在保持實驗質量不降低的前提下，圍繞實驗內容作出一些調整，促使學生獨立思考，不斷探索，繼而培養他們的創新精神，同時也能夠有效避免抄襲往屆同學實驗代碼應付檢查的現象，為拓展課堂討論的深度和廣度，獲得更好的實驗教學效果，打下良好基礎。

3.3 精心設計實驗課堂教學活動

RSIE-SPOC將實驗課的時間全部用于實驗驗收和課堂討論，要求課堂討論時在硬件板卡上再現實驗設計，并據此展開協作討論。如果沒有本地實驗板卡，則必須在能夠遠程訪問硬件實驗板卡的場所進行課堂討論，這種情況下教師需要事先向網站管理員申請該時間段獨占足夠數量的設備。

教師抓住“內化知識”和“拓展能力”這兩個關鍵詞，基于“四步法”(檢測、作業、協作、展示)來設計實驗課堂的教學活動。

在“檢測”階段，通過不超出自主學習任務單的問題來對學生進行檢測，增加他們的學習成就感。

在“作業”階段，教師圍繞實驗提出進階式具有挑戰的問題，引導學生深度思考。

在“協作”階段，學生分組展開討論，甚至當場編程，在硬件板卡上測試，在此階段教師需教導學生怎樣觀察，怎樣做好記錄，怎樣分析結果，從而使學生能力得到發展。

美國緬因州Bethel國家訓練實驗室的學習金字塔實驗[13]結果表明，如果成功組織好課堂“展示”，那么將會得到比協作學習和“做中學”這兩種構建主義方法更有效的學習效果。常見的問題是，學生多以至無法做到每一組都展示，建議采用每次課換幾組展示的循環訓練方法來解決這個問題，因為RSIE-SPOC將實驗課所有時間都用于課堂討論，所以一個實驗能夠對應幾次課堂討論，從而為小組提供更多展示機會。

最后，在“四步法”基礎上，教師還可以根據需要，選擇添加“教師總結”環節。

以上課堂教學活動中，教師和學生分別依據PBL教師評估量表和PBL學生評估量表等開展學生自評、學生互評和導師評估。在參考前人已有的教學評估量表基礎上，教師根據課程特點來設計本實驗課的評估量表和各項目權重，可選用Likert量表、德爾菲法等方法進行設計。在設計評價維度的時候應盡量做到全面，比如將自主學習、團隊合作、溝通情況等各方面納入評估，使量表具有較好信度，在評估各方面都得到較好的Alpha一致性評測數值。

另外，有研究表明，PBL自評環節中，表現差的學生容易給自己高分，能力強的學生反而自評分偏低[14-15]。學生自評和學生互評得分普遍高于導師評分。這些現象降低了成績與學習效果的一致性，老師可以采取調整導師評分比例、舉行筆試并在成績構成中占一定比例等方法進行修正。

3.4 成績評定

RSIE-SPOC模式下，實驗成績由課前自主學習成績、課堂討論成績、實驗程序驗收成績和實驗報告成績構成，四者比例因課程不同而存在差異，參考比例為：課前學習資料成績占10%，課堂討論成績占30%，實驗程序驗收成績占30%，實驗報告成績占30%。

系統按照設置，根據學生看短視頻等資料的情況自動統計課前自主學習成績。課堂討論成績由學生自評、學生互評和展示評分3個部分構成。學生自評和互評的依據是PBL學生自評量表和PBL學生互評量表。展示評分的依據是PBL教師評估量表。

實驗程序驗收成績由老師評價。

實驗報告成績由學生互評、教師評價和評委得分3部分構成，三者比例一般建議：40%、50%和10%。

實驗報告中除了實驗內容而外，還應該包含實驗心得體會和進一步思考等內容，并且注明小組每個成員的分工，實驗報告按人提交。如圖2所示，實驗報告按照PBL互評方法進行評審，每位同學需評審10份實驗報告，每份實驗報告分別由10名同學評審。為杜絕抄襲報告和亂評分現象，系統平臺對報告查重并隱去待評報告的姓名和學號，隨機發送給10位同班學生評委，學生評委按照老師發布的實驗報告評分標準進行評審，從10個得分中去掉最高分和最低分后取平均分作為該實驗報告的學生互評得分。

圖2 PBL實驗報告管理及成績評定

當學生評審同學的報告后，計算該報告的平均分和每一位學生評委給分與平均分的差值，乘以失分系數后與評委應得滿分相減，得到該評委對這一篇報告的評審得分，對10篇報告都按此方法求得評審得分，然后求平均便得到該同學的評委得分。

同一個小組的學生在共同完成實驗時每個人貢獻可能不同，對實驗的反思、收獲和深度思考也可能不同，每位同學實驗報告的評委得分也可能不同，這些都是組內不同成員獲得不同成績的原因。

4 結 語

基于多年來硬件實驗教學和實驗室管理經驗，結合遠程可交互式硬件實驗設備，提出了針對硬件類課程實驗的RSIE-SPOC教學方法。近2年來，在數字電路設計、組成原理、嵌入式系統原理3門課程的實驗教學中展開應用，取得了良好的教學效果，涌現出多名優秀的學生，學生普遍反映得到充分的動手實踐機會。基于實踐的課堂討論氣氛熱烈，能夠啟發深度思考，采用平臺支持下的PBL實驗報告管理和成績評定方法，基本能夠實現對每一位同學精確評定成績，同時又有效杜絕抄襲報告和亂評分現象。