CPTH平臺下計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課7E教學(xué)模式研究

李鑫洪 謝雪軍

摘要：高等學(xué)校教學(xué)模式的變革，不僅有助于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，還將提升教育質(zhì)量。7E教學(xué)模式包括啟發(fā)、參與、探究、解釋、精致、擴(kuò)展和評價(jià)等7個(gè)步驟，而評價(jià)貫穿于各個(gè)階段中。樣本來自我校計(jì)算機(jī)專業(yè)類學(xué)生77名學(xué)生，其中40名學(xué)生為實(shí)驗(yàn)班，37名學(xué)生為對照班。實(shí)驗(yàn)班學(xué)生通過基于7E教學(xué)模式學(xué)習(xí)，而對照班學(xué)生通過傳統(tǒng)教學(xué)模式學(xué)習(xí)。通過調(diào)查分析，實(shí)驗(yàn)班學(xué)生學(xué)習(xí)滿意度得到了一定的提高。運(yùn)用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件對學(xué)生后測成績進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)班和對照班學(xué)生后測成績平均得分分別為69.48和63.49，實(shí)驗(yàn)班學(xué)生及格率高于對照班約13個(gè)百分點(diǎn)，一定程度上說明了7E教學(xué)模式提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力是有效的。最后概述該教學(xué)模式對我國高等教育質(zhì)量發(fā)展的幾點(diǎn)啟示，以期為地方高校的信息化建設(shè)、學(xué)風(fēng)建設(shè)和課程建設(shè)提供一個(gè)有益版本。

關(guān)鍵詞：高等教育；CPTH平臺；7E教學(xué)；滿意度；版本

中圖分類號：G642 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）29-0174-04

1 問題提出

目前宜春學(xué)院硬件課程教學(xué)水平整體較低，普遍存在設(shè)計(jì)缺失、教育理念落后、考核機(jī)制缺位、資金投入不足等問題。比如計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課教學(xué)過程中存在的一些問題：（1）教學(xué)模式制約。主宰式的教學(xué)使得很多學(xué)生不適應(yīng)，感到很迷茫，對硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備感到很陌生、較難掌握。（2）學(xué)生基礎(chǔ)薄弱。存在生源質(zhì)量差問題，學(xué)生容易感到畏懼和枯燥，喪失興趣，出現(xiàn)上實(shí)驗(yàn)課時(shí)蒙混過關(guān)，抄襲別人實(shí)驗(yàn)結(jié)果的現(xiàn)象。（3）考核管理缺失。存在實(shí)驗(yàn)課考核形式單一，輕過程考核，重形式化的考核結(jié)果數(shù)據(jù)[1]。CPTH平臺是結(jié)合國內(nèi)同類產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，最新研制開發(fā)的超強(qiáng)型實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)裝置，自帶鍵盤和液晶顯示器，支持脫機(jī)和聯(lián)PC機(jī)兩種工作模式，運(yùn)用系統(tǒng)監(jiān)控和數(shù)碼管等實(shí)時(shí)監(jiān)視，全面動態(tài)管理模型機(jī)的運(yùn)行和內(nèi)部資源。宜春學(xué)院2018年從東疆計(jì)算機(jī)公司引進(jìn)該平臺25套（以前實(shí)驗(yàn)課借用我校理工學(xué)院實(shí)驗(yàn)室），該平臺示教效果較好，易理解和操作，適用地方本科高校計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)，提升課堂教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生滿意度。

基于以上背景下，讓學(xué)生沉浸于學(xué)習(xí)的情境，注重實(shí)現(xiàn)知識的內(nèi)在價(jià)值，強(qiáng)調(diào)學(xué)生能夠積極主動地開展學(xué)習(xí)，重構(gòu)已有的知識結(jié)構(gòu)，并學(xué)會解決實(shí)際問題，從而實(shí)現(xiàn)有創(chuàng)造價(jià)值的學(xué)習(xí)。我們必須破解資源瓶頸，突破常規(guī)思維，借助信息科學(xué)技術(shù)，開展CPTH平臺下《計(jì)算機(jī)組成原理》實(shí)驗(yàn)課7E教學(xué)模式探索與實(shí)踐。

2 研究現(xiàn)狀

美國前教師協(xié)會會長Eisenkraft于2003年提出7E教學(xué)模式[2]，該教學(xué)模式分為7個(gè)教學(xué)或?qū)W習(xí)步驟，且每個(gè)步驟都以E開頭，分別為啟發(fā)（Enlighten）、參與（Engage）、探究（Explore）、解釋（Explain）、精致（Elaborate）、擴(kuò)展（Extend）和評價(jià)（Evaluate）等。以“7E教學(xué)”為篇關(guān)鍵詞在清華同方CNKI數(shù)據(jù)庫資源中從1994年1月至2021年12月檢索發(fā)現(xiàn)相關(guān)記錄8條[2-9]，從發(fā)表論文類型來看學(xué)術(shù)期刊4篇，學(xué)位論文4篇；從研究領(lǐng)域來看高中生物2篇，初中生物4篇，高職英語和小學(xué)英語各1篇。目前關(guān)于地方本科高校7E教學(xué)模式可供借鑒相關(guān)資料極少。

為了使7E模式更適合地方高校硬件實(shí)驗(yàn)課教學(xué)，多維評價(jià)貫穿于每個(gè)階段中，破解地方高校固有的學(xué)習(xí)文化，使培養(yǎng)學(xué)生核心競爭力，培養(yǎng)符合社會要求的“能”學(xué)習(xí)，“會”學(xué)習(xí)的創(chuàng)新人才。

3 研究方案

計(jì)算機(jī)組成原理（Principles of Computer Organization）理論課主要討論計(jì)算機(jī)各大功能部件組成的基本原理及其互連構(gòu)成整機(jī)的技術(shù)，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)目標(biāo)中起著重要的承上啟下作用。實(shí)驗(yàn)課是該門學(xué)科的主要組成部分，在動手實(shí)踐中理解程序如何運(yùn)行，要求學(xué)生動手和自主學(xué)習(xí)，理論與實(shí)踐相結(jié)合。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖鞘箤W(xué)生建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體概念。根據(jù)宜春學(xué)院計(jì)算機(jī)組成原理課程實(shí)際教學(xué)情況，以大二本科生為研究對象，大班理論教學(xué)，分兩個(gè)小班實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以把兩個(gè)小班分別設(shè)置為對照班和實(shí)驗(yàn)班。樣本包括實(shí)驗(yàn)班學(xué)生40名和普通班學(xué)生37名，理論上兩個(gè)小班屬于平行班，不存在顯著的成績差異。實(shí)驗(yàn)班學(xué)生通過7E教學(xué)模式學(xué)習(xí)，而對照組學(xué)生通過傳統(tǒng)教學(xué)模式學(xué)習(xí)。這項(xiàng)研究是在學(xué)年奇數(shù)學(xué)期進(jìn)行的[10-11]。

3.1 啟發(fā)（Enlighten）

激發(fā)學(xué)生表達(dá)自己的知識，根據(jù)學(xué)生的知識來規(guī)劃學(xué)習(xí)。學(xué)生的知識主要來源于3個(gè)方面：（1）文化學(xué)習(xí)。比如對計(jì)算機(jī)專業(yè)高年級的學(xué)生來說，掌握計(jì)算機(jī)語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫和軟件工程等就是文化專業(yè)知識。（2）生活經(jīng)驗(yàn)。實(shí)踐出真知，從生活中得來的往往更能記憶猶新。例如，水往低處流就是公認(rèn)的真理。（3）家庭背景。好的家庭背景會得到優(yōu)越的條件和背景知識，父母會成為良好學(xué)習(xí)的引路人。為了達(dá)到課堂實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的，學(xué)生根據(jù)自己的先期知識結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)劃學(xué)習(xí)。比如提出前期數(shù)字邏輯課程的知識點(diǎn)來引起學(xué)生的回憶以及對新知識探索，學(xué)生根據(jù)已學(xué)知識回答。列出問題清單，明確問題重難點(diǎn)，討論問題解決方案。明確學(xué)習(xí)的目的和要求，學(xué)生可收獲什么樣的知識和預(yù)計(jì)達(dá)到的點(diǎn)。使學(xué)生很好地融入課堂、積極動手操作，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，勇于提出問題，激發(fā)學(xué)生表達(dá)自己的觀點(diǎn)。

3.2 參與（Engage）

將學(xué)生的興趣點(diǎn)由課外轉(zhuǎn)向課內(nèi)，吸引學(xué)生注意力。可創(chuàng)設(shè)1-2情境提高學(xué)生的求知欲，通過播放PPT幻燈片和動畫視頻等吸引學(xué)生的注意，介紹我國計(jì)算機(jī)發(fā)展的艱辛歷程、國際競爭環(huán)境和取得的成績，引導(dǎo)學(xué)生的奉獻(xiàn)精神和構(gòu)建和諧社會價(jià)值導(dǎo)向，引出本次實(shí)驗(yàn)課要學(xué)習(xí)的對象。根據(jù)情景講解，理論聯(lián)系實(shí)際，使學(xué)生為探究活動和概念建構(gòu)做好準(zhǔn)備。例如運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)中先吸引學(xué)生對累加器、工作寄存器和數(shù)據(jù)寄存器以及算術(shù)邏輯運(yùn)算（加、減、或、與、帶進(jìn)位加、帶進(jìn)位減、取反等）原理學(xué)習(xí)的關(guān)注，形成積極活躍的課堂氣氛，引導(dǎo)學(xué)生自己提出需要探索的問題。學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題后，需對問題進(jìn)行進(jìn)一步加工處理，用書面的語言清晰描述問題，把發(fā)現(xiàn)的問題變成探究性的科學(xué)問題。老師分別組織實(shí)驗(yàn)班和對照班學(xué)生兩兩分組，先分組討論，再分別得出概念。

3.3 探究（Explore）

探究是課堂的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)。學(xué)生用眼看，用心想，用手做，用感觀去感知，要做學(xué)習(xí)的主人，教師作為學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者。確立學(xué)生學(xué)習(xí)的主體地位，改變以往學(xué)習(xí)模式中死記硬背、生搬硬套的學(xué)習(xí)模式，通過激發(fā)學(xué)生的積極性，主動參與到學(xué)習(xí)中。存儲器EM實(shí)驗(yàn)中利用CPTH實(shí)驗(yàn)儀上的K16...K23開關(guān)作為DBUS 的數(shù)據(jù)，其他開關(guān)作為控制信號，實(shí)現(xiàn)程序存儲器EM的讀寫操作。存儲器EM由一片6116RAM構(gòu)成，是用戶存放程序和數(shù)據(jù)的地方。教師先講解學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)原理，由小組自行熟悉理解實(shí)驗(yàn)電路，討論實(shí)驗(yàn)方案。先將數(shù)據(jù)11H、22H、33H分別寫入EM[0]、EM[1]、EM[2]，再通過開關(guān)實(shí)現(xiàn)存儲器讀操作，檢驗(yàn)寫的正確性。

3.4 解釋（Explain）

感性認(rèn)識上升為理性知識的重要環(huán)節(jié)，得出抽象化的概念，這個(gè)過程教師最好引導(dǎo)學(xué)生自己去總結(jié)概括完善。解釋能強(qiáng)化對知識的理解過程，先有學(xué)生提出問題，教師再依據(jù)學(xué)生的想法進(jìn)行講解，引導(dǎo)學(xué)生自行探索，尋找正確的探索途徑，在學(xué)生探索基礎(chǔ)上進(jìn)行加工處理。教師在學(xué)生解釋的過程中，需要不斷地引導(dǎo)、補(bǔ)充和糾正。學(xué)生通過交流過程構(gòu)建起科學(xué)的認(rèn)知。在存儲器EM實(shí)驗(yàn)中提出思考性問題：1）是不是寫一個(gè)數(shù)據(jù)，然后接著讀該數(shù)據(jù)？2）存儲器讀操作后要重寫入數(shù)據(jù)嗎？3）斷電后存儲器中保存的信息還在嗎？學(xué)生通過運(yùn)用分析、理解、推理等手段探索新的知識點(diǎn)，再綜合以前學(xué)習(xí)的知識整合構(gòu)造新知識。

3.5 精致（Elaborate）

將所學(xué)知識學(xué)以致用，學(xué)生有機(jī)會運(yùn)用發(fā)現(xiàn)的新知識甚至結(jié)論來解釋理論知識，可能會為下一次實(shí)驗(yàn)帶來新的問題。在此階段重在師生之間的交流互動，在課堂上營造一種促進(jìn)學(xué)生討論以及相互合作的學(xué)習(xí)氛圍，以小組為單位相互分享各自想法并予以回饋，以建立各自的理解。在已形成的解釋的基礎(chǔ)上，應(yīng)用于新的問題中，強(qiáng)調(diào)知識與過程技能的一般化，發(fā)展更深更廣。前述存儲器EM實(shí)驗(yàn)中可聯(lián)系理論教材或現(xiàn)實(shí)生活中計(jì)算機(jī)，存儲器為什么分為主存、外存和緩存三級存儲體系？師生共同總結(jié)：存儲器是用來存儲信息的，包括程序、數(shù)據(jù)和文檔等。為了解決存儲器容量、速度和成本三方面的矛盾，計(jì)算機(jī)采用多級存儲體系結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步完善學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

3.6 擴(kuò)展（Extend）

自主學(xué)習(xí)、獨(dú)立思考，鼓勵(lì)解決問題策略的突破與創(chuàng)新。深化概念理解的基礎(chǔ)上，拓展延伸本節(jié)實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容，幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)與之有聯(lián)系的相關(guān)概念或主題，讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體，舍教師“一言堂”，強(qiáng)化求異思維，這是擴(kuò)展階段的重要特征。學(xué)生聯(lián)系日常生活中所學(xué)到的概念，創(chuàng)造性地學(xué)習(xí)以及把自己的知識結(jié)構(gòu)和日常生活中的例子聯(lián)系起來，尋找新的概念理論。結(jié)合半導(dǎo)體存儲體的國際競爭、發(fā)展歷程和我國存儲器發(fā)展的規(guī)劃，增加學(xué)生的時(shí)代責(zé)任擔(dān)當(dāng)。通過7E教學(xué)周期的每個(gè)階段，學(xué)生可以在學(xué)習(xí)過程中發(fā)展他們的批判性思維能力。

3.7 評價(jià)（Evaluate）

包括互評和自評，采取適當(dāng)?shù)姆绞絹碚{(diào)整教學(xué)思路。反饋要及時(shí)而有針對性，給予學(xué)生積極反饋是7E實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展過程中不可缺少的一部分，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，以及學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，對教學(xué)過程中的學(xué)習(xí)活動及成果予以評價(jià)。通過評價(jià)，教師可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)各方面的情況，不斷改善教學(xué)，提高教學(xué)質(zhì)量水平。教學(xué)評價(jià)可以反映出教師的教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，使得教師和學(xué)生更快更好地做出調(diào)整7E教學(xué)方案。例如前述存儲器EM實(shí)驗(yàn)中評價(jià)著重于：1）對學(xué)生的探究能力進(jìn)行評價(jià)。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)，可以加深對實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)要求和實(shí)驗(yàn)電路的理解。2）對學(xué)生的學(xué)習(xí)能力進(jìn)行評價(jià)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生主動積極參與，動手操作，能更好地體現(xiàn)自我價(jià)值，能讓教師了解學(xué)生情況更好的因材施教。

4 結(jié)果分析

4.1滿意度調(diào)查分析

在學(xué)期結(jié)束后對實(shí)驗(yàn)班和對照班的學(xué)生分別進(jìn)行課堂滿意度的調(diào)查，通過對不同班級的數(shù)據(jù)對比，得出學(xué)生對于傳統(tǒng)教學(xué)模式和7E教學(xué)模式在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的滿意度。參加滿意度調(diào)查的人數(shù)為77人，測試發(fā)放問卷77份，回收77份[10]。問卷設(shè)計(jì)基于李克特量表法（Likert Scale），即問題由針對實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的態(tài)度或看法的陳述組成，其中1代表“完全不滿意”；2代表“不滿意”；3代表“一般”；4代表“滿意”；5代表“完全滿意”。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：對照班學(xué)生對實(shí)驗(yàn)教學(xué)態(tài)度不滿意的有9人（24.3%，包括完全不滿意的學(xué)生人數(shù)），而實(shí)驗(yàn)班學(xué)生對實(shí)驗(yàn)教學(xué)態(tài)度不滿意的沒有，甚至對照班有2人對實(shí)驗(yàn)課教學(xué)完全不滿意。對照班學(xué)生對實(shí)驗(yàn)教學(xué)態(tài)度滿意只有8人（21.6%），而實(shí)驗(yàn)班學(xué)生對實(shí)驗(yàn)教學(xué)態(tài)度滿意有34人（85.0%），在完全滿意一項(xiàng)，在兩個(gè)班級人數(shù)相當(dāng)?shù)那闆r下實(shí)驗(yàn)班與對照班人數(shù)比5：1。這說明了宜春學(xué)院硬件實(shí)驗(yàn)課傳統(tǒng)教學(xué)水平較低，存在教育理念落后的問題，學(xué)生對傳統(tǒng)教學(xué)滿意度較低，急需新的教學(xué)模式改革。從實(shí)驗(yàn)班調(diào)查結(jié)果分析來看，7E教學(xué)模式有利于學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的提升，能夠有效地提高課堂教學(xué)效率，總體上學(xué)生的學(xué)習(xí)滿意度得到一定的提高。

4.2前后測成績分析

宜春學(xué)院計(jì)算機(jī)組成原理理論課共16周（平均周課時(shí)3節(jié)），實(shí)驗(yàn)課從第9周至第16周（周課時(shí)2節(jié)）。任課老師第8教學(xué)周組織了實(shí)驗(yàn)班和對照班學(xué)生階段性實(shí)驗(yàn)操作考試，以這次考試成績作為前測成績，以期末實(shí)驗(yàn)考試成績作為后測成績。研究結(jié)果表明，無論是高水平還是低水平學(xué)生，通過7E教學(xué)模式學(xué)習(xí)的學(xué)生期末考試成績（后測成績）優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)模式學(xué)習(xí)的學(xué)生，實(shí)驗(yàn)班學(xué)生期末考試成績平均分高于對照班學(xué)生6分左右，而實(shí)驗(yàn)班與對照班學(xué)生前測成績幾乎無差異。實(shí)驗(yàn)班和對照班學(xué)生后測成績平均得分分別為69.48和63.49，從兩個(gè)班的平均成績看，實(shí)驗(yàn)班有更大的進(jìn)步，而且實(shí)驗(yàn)班學(xué)生及格率高于對照班13.51個(gè)百分點(diǎn)，說明7E教學(xué)模式提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力是有效的[2]。

5 結(jié)語

7E模式完全能滿足計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的內(nèi)在訴求，二者有著本質(zhì)的契合：（1）與課程教學(xué)目標(biāo)相聯(lián)系。培育良好的學(xué)習(xí)文化氛圍，使學(xué)生理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件的完整組成和基本工作原理。帶著問題自主學(xué)成默認(rèn)學(xué)習(xí)文化，學(xué)生想學(xué)自覺學(xué)，老師愿意主動教，老師由主宰變主導(dǎo)，學(xué)生由客體變主體。（2）體現(xiàn)課程實(shí)踐教學(xué)。通過對實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)流程的不斷優(yōu)化和經(jīng)驗(yàn)的持續(xù)積累，為計(jì)算機(jī)類硬件課程建設(shè)提供更多樣化的教學(xué)思路，亦將會為其他計(jì)算機(jī)專業(yè)的教學(xué)模式提供更多可參考的經(jīng)驗(yàn)。（3）引入新實(shí)驗(yàn)平臺CPTH。有力地支撐實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展，降低實(shí)驗(yàn)板的故障率和日常維護(hù)成本，提高實(shí)驗(yàn)效率和教學(xué)質(zhì)量[12]。（4）支持普通高等學(xué)校本科教學(xué)評估工作。培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課程成績，使學(xué)生期末考試成績基本呈正態(tài)分布，顯著提高學(xué)生成績及格率，滿足教學(xué)評估課程學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)考核要求，促進(jìn)硬件類課程健康、持續(xù)地發(fā)展。

7E模式融入以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，從“學(xué)中做”到“做中學(xué)”“玩中學(xué)”轉(zhuǎn)變[13]，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)。教師要合理把控教學(xué)內(nèi)容深度與地方本科高校生源質(zhì)量相適應(yīng)，規(guī)劃更加豐富的教學(xué)內(nèi)容。為了最大限度地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，必須使學(xué)生養(yǎng)成積極學(xué)習(xí)的習(xí)慣，消除CPTH平臺下實(shí)驗(yàn)課程7E教學(xué)模式的所有障礙，把學(xué)習(xí)的責(zé)任更多地放在學(xué)生的身上，同時(shí)給予他們更大的動手做實(shí)驗(yàn)動力[14-15]。7E教學(xué)模式為地方高等院校培育學(xué)習(xí)文化和創(chuàng)新教學(xué)方法提供了一定借鑒和參考，有利于學(xué)生在校園環(huán)境下獲得積極的學(xué)習(xí)習(xí)慣，以期為實(shí)踐教學(xué)研究提供一個(gè)好的范本。當(dāng)然對于CPTH平臺下計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課7E教學(xué)模式研究還不夠全面和存在較大的主觀性，未來有時(shí)間還要繼續(xù)做相應(yīng)的研究，多視角總結(jié)好的經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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