《計算機組成原理》硬件實驗線上線下混合教學模式探討

張海英

摘要：作為計算機以及相關(guān)專業(yè)的主修專業(yè)課程，《計算機組成原理》的實驗環(huán)節(jié)，目前廣泛采用線下方式。即：利用開發(fā)箱，學生通過動手布線，完成實驗設(shè)計。但是，受限于實驗場地和實驗箱等硬件條件，實驗的過程控制不具有連貫性，實驗效果不夠理想。基于軟件工程專業(yè)認證以產(chǎn)出為導向，以學生為中心的理念，建立線下實體平臺與線上虛擬平臺的混合教學模式顯得尤為迫切和必要。本文探討了線上與線下混合硬件實驗教學模式的總體架構(gòu)和設(shè)計方案。通過這種混合教學模式的開展，可以完善過程控制，提升學生對于整個實驗環(huán)節(jié)的操控能力。方式靈活，能夠更為充分地支撐理論授課。

關(guān)鍵詞：計算機組成原理;硬件虛擬仿真平臺;線上線下混合實驗教學

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）23-0103-02

1 引言

《計算機組成原理》是計算機及其相關(guān)專業(yè)的專業(yè)必修課程，同時也是研究生入學考試的必考科目。對于該門課程的教學改革，目前存在很多的改革思路和成果。如針對網(wǎng)絡(luò)教學的：翻轉(zhuǎn)課堂[1]，慕課MOOC[2]，SPOC微課[3]以及各種混合式教學改革方案[4][5]。除了針對理論教學的改革，教學工作者也陸續(xù)提出了一些針對實驗教學的改革方案。大致可以劃分為針對體系改革[6][7]以及針對硬件虛擬平臺設(shè)計[8-11]幾個方面的工作。與較為集中和充分的理論教學改革比較，針對實驗教學改革的研究與探討工作尚不夠充分和完善。

分析已有的建設(shè)思路和方案，我們發(fā)現(xiàn)，從功能角度而言，沒有提供實驗前和實驗后的過程控制，不能支持學生實驗前的預習、實驗后的復習功能。從完整性而言，沒有實現(xiàn)線上建設(shè)和線下平臺的結(jié)合;從用戶角色劃分上，主要以學生為主要角色，沒有提供教師角色，因而無法支持教師的測評環(huán)節(jié)。此外，從實現(xiàn)層面看，平臺的完整性和擴展性較差。可見，對于線上和線下混合硬件實驗教學的研究尚存在較大的空間。

廈門大學軟件工程專業(yè)于2018年通過了工程教育認證，按照“以學生為中心”“產(chǎn)出導向”“持續(xù)改進”的基本理念，我們提出線上線下的混合硬件教學模式。線上教學主要基于虛擬硬件實驗平臺，學生和教師以不同角色登錄平臺，有針對性地完成相應的任務。線下教學則基于原有的實驗開發(fā)箱，進行實際操作。通過線上與線下的結(jié)合，使得實驗前，實驗中和實驗后，都能夠體現(xiàn)以學生為本的主旨。同時，虛擬平臺的結(jié)合，提升了實驗教學的自動化程度，降低了對于硬件環(huán)境的依賴，具有更大的靈活性和可擴展性。

2 線上與線下混合硬件實驗教學總體架構(gòu)

與其他課程相比，《計算機組成原理》課程的實驗環(huán)節(jié)具有下述特點：

1） 不僅需要個人電腦，還需要線下實際的開發(fā)平臺;

2） 學生通過現(xiàn)場布線完成實驗項目，對于實際操作能力要求較高。

隨之帶來下述問題：

1） 實驗環(huán)境以現(xiàn)場為主，無法支持學生進行實驗前預習，以及演示和驗證等工作;

2） 實驗報告等需要離線提交，學生只能根據(jù)實驗回憶進行整理;

3） 受到實際開發(fā)箱的限制，通常需要分小組分輪次進行，既耗時，又無法實現(xiàn)對于學生個體能力的考核。

針對上述問題，圍繞實驗流程，我們給出線上線下混合硬件實驗教學的總體架構(gòu)，如圖1所示。

如圖1所示，左側(cè)流程為原有的線下硬件實驗教學模式，右側(cè)則為改革后，線上線下的混合教學模式。具體如下：

1） 將原有的實驗前預習工作轉(zhuǎn)移到線上。在線上預習模塊，學生可以針對上傳的實驗手冊和實驗演示進行充分的課前預習。為了保證預習效果，平臺設(shè)置有預習打卡機制。

2） 維持原有的實驗中的現(xiàn)場布線環(huán)節(jié)。此外，為了強化現(xiàn)場操作環(huán)節(jié)，在進行實際操作時，我們給出如下的限制條件：

① 由于已經(jīng)設(shè)置了預習環(huán)節(jié)，因而，現(xiàn)場操作時，學生不能夠再查看實驗演示和說明手冊，只能看到具體的實驗任務和要求。

② 單人單機，根據(jù)實驗的復雜程度，控制時間在60分鐘之內(nèi)完成。

③ 完成實驗后，教師或者助教現(xiàn)場檢驗，并將布線情況拍照上傳到虛擬平臺，作為記錄;

④ 為了考查學生對于實驗的理解程度，學生完成實驗后，還需要利用線上平臺提供的問題列表，隨機選擇問題，回答并提交到虛擬平臺。

3） 對于實驗后需要完成的報告撰寫和綜合測試環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)移到線上虛擬平臺。學生可以進行報告的自動生成，包括現(xiàn)場問題回答的情況。教師則根據(jù)預習環(huán)節(jié)，線下布線檢驗的結(jié)果以及實驗報告撰寫的質(zhì)量等進行線上的綜合測評，給出最終的實驗成績。

3 線上線下虛擬仿真平臺設(shè)計

針對前述的分析，我們給出線上虛擬平臺的總體功能設(shè)計，如圖2所示。

如圖2所示，《計算機組成原理》硬件實驗虛擬平臺總共分為6個模塊。

1） 用戶登錄界面：根據(jù)需求分析，設(shè)置學生和教師兩種用戶角色。

2） 實驗預習模塊：主要用于實驗前的預習，提供電子版本的實驗手冊供學生預習和準備;此外，還可以提供實驗演示。

3） 實驗布線模塊：此部分針對實際操作的布線環(huán)節(jié)。提供實驗布線，以及布線過程中出錯后的及時清除，布線結(jié)束后的線路校驗環(huán)節(jié)。

4） 實驗項目模塊：根據(jù)課程需要，設(shè)置5個實驗項目。分別是：運算器、存儲器、總線、微程序控制器以及模型機。實驗項目可以根據(jù)實際需要擴充。

5） 實驗結(jié)果模塊：支持現(xiàn)場實驗結(jié)果的提交，實驗問答，報告的自動生成以及教師測評等功能。

6） 管理員模塊：主要進行平臺維護以及用戶權(quán)限管理等。

為了評價我們的改革思路的有效性，我們從幾個角度進行了改革前后兩種模式的比較，如表1所示：學生通過線上平臺可以進行充分的預習工作，因而，線下實驗布線的時間會大大縮減;同時，所有的數(shù)據(jù)（預習+布線+實驗報告）等均可以通過線上平臺進行保存，顯著提高了自動化過程。此外，由于線上與線下的結(jié)合，使得單人單機操作成為可能。以前固定時間下的分小組分輪次的模式，將被更為靈活的模式替代，如：可以采用實驗預約模式等。

4 結(jié)論

《計算機組成原理》硬件實驗線上線下混合教學模式的探討是適應學科特色，學科發(fā)展以及“以本為本”“以學生為中心”“以產(chǎn)出為導向”等方針政策的綜合體現(xiàn)。通過實驗前，實驗中，實驗后全流程的過程管理，采用現(xiàn)場與虛擬平臺結(jié)合的方式，克服了原有單一線下教學的不足，有效提升學生對于實驗環(huán)節(jié)的重視程度，加深對于實驗項目的理解，方便教師對于實驗流程的管理和成績評定。后續(xù)，我們將進一步探索和完善該模式，為同類課程提供可借鑒的思路和方案。

參考文獻：

[1] 吳旭.計算機組成原理課程的翻轉(zhuǎn)課堂教學研究[J].福建電腦，2020，36（1）：100-101.

[2] 崔永利，林克正，朱素霞，等.基于MOOC理念的計算機組成原理課程教學研究[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2018（19）：87-89，93.

[3] 宋峰，松云.SPOC教學模式下《計算機組成原理》的教學效果分析[J].內(nèi)蒙古師范大學學報（教育科學版），2018，31（3）：111-115.

[4] 劉三榮，候艷艷，單承剛，等.MOOC+混合式教學模式下計算機組成原理課程的教學改革與研究[J].科教導刊（中旬刊），2019（5）：124-125.

[5] 紀祿平，劉輝，羅克露.《計算機組成原理》線上線下混合式小班教學探索及實踐[J].中國教育信息化，2019（4）：60-62.