基于MOOC的計算機組成原理新型教學模式探索

趙 博，王 煒，侯一凡，姚金陽

（戰略支援部隊信息工程大學 網絡空間安全學院，河南 鄭州 450001）

0 引言

為應對新一輪科技革命和產業變革，支撐我國科技創新驅動發展，2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設，深度探索并形成全球領先的工程教育新模式。計算機科學與技術作為傳統典型的工科分支，其教學模式面臨新挑戰。計算機組成原理課程是計算機科學與技術專業的核心課程，在基礎課與專業課之間起著重要的承上啟下作用，同時也是研究生入學的必考課程。一方面，計算機組成原理課程本身概念多，前置課程知識覆蓋面廣，對于教師教學和學生學習難度都比較大，甚至不少學生在學習本門課程時主觀上會存在較強的畏難情緒；另一方面，學生處于大三時期，專業課程任務重，對于所學知識的練習時間較少，課后學生消化知識時面臨問題較多，這都需要教師進行詳細的課程答疑來提升學習效率。當前MOOC（Massive Open Online Courses，大規模開放在線課程）在廣大高校中的廣泛使用，為學生的課程學習提供了海量的在線教學資源，極大地豐富了學生的學習途徑。然而，如何在海量教學資源中選取適合學生學情的優質資源并加以整合優化，是當前計算機組成原理教學中面臨的一個現實問題，需要不斷在課程教學實踐中進行摸索。

1 計算機組成原理課程人才培養目標

計算機組成原理課程要求掌握計算機硬件子系統各大部件的組成原理、邏輯實現與設計方法及互連構成整機的技術，同時要培養學生獨立思考、嚴謹認真的工作作風，勇于創新、團結合作、克服困難的專業精神，以及分析、解決問題的能力。具體目標包括以下3個方面：

（1）掌握計算機各功能部件的結構組成和工作原理。能夠對簡單的CPU組織進行設計（包括組合邏輯和微程序設計）和調試，能夠對存儲器容量進行擴充和調試，建立起計算機整機概念，加深對計算機工作過程的理解。

（2）將計算機的組織和結構與計算機軟件編程、計算機應用程序執行、計算機人機交互以及計算機操作系統調度等相關知識有機聯系起來，理解并掌握面向特定應用要求和性能目標進行計算機系統設計的基本思路及基本方法，逐步形成計算機系統概念，培養學生的計算機系統能力）。

（3）養成良好的學習習慣，能夠獨立思考，并具備勇于克服困難的精神。

2 教學現狀分析

2.1 課程特點

計算機組成原理課程是大家公認的既難教又難學的課程，所涉及的內容多而散，而且因為要深入計算機硬件結構內部，相對學生此前所學的計算機編程而言，看不見、摸不著，顯得有些“虛”。

2.2 學生特點

教學對象已經修學過計算機基礎、C語言等軟件課程，在計算機軟件、硬件和編程方面有一定的知識儲備。該課程研究計算機基本結構、工作原理等方面知識，學生對該課程充滿了好奇、探索的心理，具有學習熱情很高、渴望被認同的特點。但由于該課程系統性強、知識體系偏硬件，也使得部分學生產生了一定的畏難情緒。特別是對于非計算機專業的學生而言，其并沒有系統學習過數字邏輯與電路等硬件技術課程，大多數人對計算機硬件的認識是模糊、抽象的。因此，計算機組成原理這個基礎性的引領課程能夠很好地將其帶入計算機硬件的專業學習中。

2.3 教師特點

基于MOOC的混合式教學模式與傳統課堂相比，教師的主要任務不再是課上的知識灌輸，而是要引導學生的學習方向，培養學生的學習興趣。教師要強化自身的責任意識，在教學過程中發揮好組織者、促進者與引導者的作用。

對于年輕教師而言，其剛踏入工作崗位，有著扎實的專業知識功底，但由于專業研究重點不同，在具體授課過程中，對計算機組成原理課程講授的深度和高度都有所欠缺，且對學生在課程學習過程中通常會出現的卡點把握不足，駕馭課堂的能力亟待提高。與此同時，年輕教師自我學習能力強，善于利用網絡資源，樂于接受新型教學方式，因此對于借助互聯網平臺的教學模式應用有著天然優勢。

3 基于MOOC的計算機組成原理教學模式探索

受全球新冠疫情的影響，同時得益于信息化手段的發展，近些年來出現了許多在線課程資源。特別是以MOOC為代表的線上教學資源是“互聯網+教育”的產物，使互聯網終端用戶足不出戶也能享受到優質的教育資源。針對MOOC的特點，結合計算機組成原理課程建設，崔永利等［1］進行基于MOOC的計算機組成原理課程教學設計，加強了師生間的交流與互動。將智慧教學手段和優秀的教育理念相結合，能夠更有效地發揮智慧教學的優勢［2］。針對計算機組成原理內容抽象晦澀、知識更新進度緩慢等問題，張策等［3］提出以學生為中心的教學綜合改革方案，旨在提高學生的軟硬件協同開發與調試能力；宋峰等［4］提出在SPOC教學模式下，開設多途徑、多渠道的師生互動方式，及時了解學生的學習狀態，從而提高教學質量；劉三榮等［5］采用“MOOC+混合教學”模式教授計算機組成原理課程，以培養學生的自主學習和自我管理能力；趙松等［6］提出將三支決策與OBE相結合的計算機組成原理課程教學模式，將MOOC資源分布到認知、提升、綜合3個階段中，使學生具備設計與實現復雜模型的能力。雖然目前已經有了許多關于計算機組成原理教學方面的探索，但對于很多新手教師來說更需要有一種簡單、有效，能夠發揮自身優勢的混合式教學模式。

通過對海量MOOC資源進行收集、整合、優化，本文研究并構建了一種適用于新手教師的混合教學模式，以提高計算機組成原理課程教學效果。首先對學生學情進行詳細調查，針對性地制定相應教學方案，然后在教學過程中根據學生反饋不斷完善課程設計，成為教學模式改革的重要手段。“師生共同學習、學生提問、講師答疑”的新型教學方式，可有效提升學生的學習效率。該過程對學生的自主學習能力和講師的答疑能力有著較高要求，可促進“師生共同學習、教學相長”，對年輕教師培養和學生學習都起到了積極作用。

3.1 教學框架

混合式教學設計遵循以學生為中心和深度學習的原則，有機地將在線學習與課堂面授教學活動相結合，多元化地深度協同培養新工科專業人才。教學過程突出教師的主導作用和學生的主體地位，通過前置學習培養學生自主學習的能力，通過課前課中測試和課堂引導提升學生發現與解決問題的能力，通過課中討論、課后作業等完成學生對知識內化的過程。

本文針對新手教師的特點設計了以下教學方案：首先，課題組對照本校教學大綱進行專業知識點梳理，建立計算機組成原理課程知識脈絡，并對照每個知識節點構建“本土化教學資源庫”，該資源庫有助于新手教師進行授課前期的準備工作；其次，教師在課前進行學情調查，通過課前測試結果，及時調整講課方式和節奏；之后，利用新手教師自我學習能力強、善于利用網絡資源的特點，與學生進行線上線下交流互動，從而達到教學相長的目的。新手教師學習的內容不但包括課程知識點的內涵、外延，還包括課程的教授方式。除有老教員“傳幫帶”外，更多的授課經驗是從與學生的交流碰撞中學習得到的。因此，通過線上微信、MOOC平臺、雨課堂等方式可以與學生進行全方位的溝通交流。最后，針對教學方式的改變，采用混合式、過程化的考核方式。本文根據以上4部分設計出基于混合式教學模式的自主學習能力培養框架，如圖1所示。

3.1.1 資源庫建立

通過資源庫的建立為課前“預熱”、課中“烹飪”、課后“回溫”提供了有力保障。對于新手教師來說，首先要對教學內容進行全面把握，能夠帶領學生既見到樹木又展望森林。根據本校教學大綱梳理知識點、構建計算機組成原理課程的知識樹就是一個快速把握教學內容架構的有效途徑。根據該途徑完成本校網絡安全專業的計算機組成原理課程知識樹構建，并根據知識樹，對照每個知識節點構建“本土化教學資源庫”。建設的資源包括MOOC、課件、文檔、視頻、參考書目等，以及覆蓋幾乎全部知識點的在線測試題目。近年來MOOC發展迅猛，資源異常豐富，但對于新手教師來說，在課程教學之初，采用的MOOC資源不宜過于繁雜，而是以最切合本校教學大綱的一兩門為主。以本校網絡安全專業為例，采用中國大學MOOC時，以哈爾濱工業大學的計算機組成原理課程資源為主，在拓展和延伸方面以國防科技大學的計算機原理課程資源為輔。同時，針對網絡安全專業學生沒有系統學習過數字邏輯與電路等硬件技術課程的特點，增加了國防科技大學的數字電子技術基礎課程MOOC資源作為補充。

3.1.2 前置學習設計

課前的學習溝通，對于教師快速了解學生、掌握學情可起到至關重要的作用。新手教師對于自己在授課過程中需要具備各種知識的深度與廣度正處于不斷的探索階段，通過課前發布學習任務、反饋交流，對新手教師來說也是一種有效的“自省”，能夠做到“知彼”，更能做到“知己”。

在網絡安全專業的授課過程中，根據教學大綱和學生缺乏硬件知識的背景，推送合適的課前學習資源并配備學習任務清單，推送的資源包括課前導學MOOC資源、課前知識測試等內容。學生按照課前任務清單的指引，像打通關游戲一樣逐項進行學習并測試。教師可通過測試題目及時了解學生對知識的掌握程度以及對問題理解的深度，為后續的二次備課提供依據。

3.1.3 課堂教學形式設計

計算機組成原理課程內容包括計算機硬件子系統各大部件的組成原理、邏輯實現與設計方法及互連構成整機的技術。課程內容繁雜，涉及到計算機中各大硬件部件的教學思路和方法有時完全不同，對于有些較容易理解的內容可以放在網上讓學生自主學習，而對于一些較為復雜、難以理解的部分則適合采用線上與線下相結合的方式。具體采用哪種方式需根據課程體系及教學大綱中具體的教學內容和教學目標進行劃分重組，在重新組織教學內容過程中要兼顧新手教師的自身特點。

新手教師教學基本功的練就不是一蹴而就的，需要長時間的經驗積累和不斷探索，最終形成自己的風格。傳統課堂形式練就的是教學的“內功”，此時教學不易過于追求形式上的多樣性，應以傳統課堂講授為主，輔以簡單的線上活動。翻轉課堂對教師的控場能力要求較高，若準備不好很可能導致課堂內容過于發散，反而不利于對重點內容的學習。在整個教學周期中，新手教師可以穿插一兩個特別適合采用翻轉課堂形式的內容進行嘗試，并在課前通過線上線下等途徑與學生多交流。

3.2 課堂測試

授課時，年輕教師往往存在對教學難點把握不準確、對學生特點掌握不全面的問題，通過線上的課堂測試可以及時掌握學情狀態，及時了解學生的學習卡點并調整教學策略。課堂上遵照BOPPPS教學模式的規律，從建立的資源庫中抽取本課中不同知識點對應的自測題進行線上測試（可采用雨課堂進行線上測試互動），通過線上的“即時反饋”及時得到學生最新的學習狀態，從而彌補年輕教師經驗不足等缺點。除以上教學形式外，教學活動根據內容的不同還可以采用多種形式。比如，可以通過課前的思考題，在課堂上進一步引導學生進行思考與討論，并針對重點問題進行課堂深度解析，也可以采用提問驅動等方式。在講授過程中，當講到某個小知識點時，還可以采用“課堂我來講”的方式，由學生進行講解。

3.3 互動交流

師生的傳統交流主要是在課堂上你問我答，如今通過信息技術手段構建的多元化立體交流互動環節，更能激發學生的學習熱情。同時，有效的交流能使新手教師對教與學有著更鮮活的感知，從而達到“教學相長”。

在具體組織過程中，學生在課前的線上自主學習過程中會存在一些疑惑和問題，可以通過“同伴學習法”進行討論與相互學習，教師根據現場討論結果與在線測試數據制定備課內容；課中，教師通過雨課堂發布資源庫中與本課程相關的前測、中測及后測練習題，統計分析結果可實時反饋給教師，這種方法簡單易行，能夠讓新手教師在整個課堂中的講授與交流做到“有的放矢”，從而彌補其教學經驗不足、無法很好把握學生學習卡點的問題；課后，答疑交流重在“欲擒故縱”，課后作業的批改主要借助中國大學MOOC平臺進行互評，學生給他人評價作業的過程也納入最終成績。為了能夠正確批改他人作業，學生會主動進行學習，由此引發的探討和辯論會異常激烈。教師在討論過程中要學會“欲擒故縱”，并不急于回答，而是引導學生通過查資料等方式主動思考以驗證自己的想法。教師的作用主要是拋轉引玉，在引導學生思考的過程中，也能給新手教師更多時間分析學生的學習情況，并為下次課程中對共性問題的集中解答進行充分的思考。通過線上和線下交流活動，學生的學習自主性與學習興趣得到最大程度的激發，從而逐漸養成自主學習的習慣。

3.4 考核方式

采用全過程化考核機制，從多層面、多角度進行課程考核，打破傳統的單一考核方式和一次反饋方式，并及時把過程考核的階段性結果反饋給學生，從而激發學生的競爭心理，激勵其主動學習。學生通過過程考核成績可清醒意識到自己當前的狀態，及時發現差距及薄弱之處，從而適時調整學習方法，合理分配時間。而現有的線上移動工具等平臺也使課程學習生命周期各環節數據的真實采集成為了可能。課程評價考核主要包括以下幾部分：

（1）終結性教學評價。課程教學評價是在學期末以筆試閉卷考試形式完成的（分數占50%），應逐步加大期末考試題目中非標準答案或開放問答題目、自主設計題目的比例，注重考查對知識的理解應用而不是死記硬背。

（2）實驗教學評價。線下動手實驗需完成一批基礎實驗和至少一個設計型綜合實驗（分數占30%），實踐過程評價主要表現在實驗素養、實驗成功率、實驗原理掌握情況以及實驗中發現與解決問題的能力等方面。

（3）平時過程性評價。平時過程性評價主要通過線上MOOC平臺記錄的學生學習相關數據和線下學習表現進行綜合評價（分數占20%）。

線上線下教學中對MOOC平臺及其他方式所能捕捉到的學生學習數據（視頻學習進度、交流次數和質量、學生上課出勤率等）進行分析，并根據學生平時作業與隨堂測驗等環節完成情況、主講專題的深入程度和拓展程度、其它專題的參與程度等方面的情況進行綜合評定。該方式能夠反映學生的真實學習水平，既避免了學生機械記憶、死記硬背，又能夠引導學生將功夫花在平時，將重心落在分析和解決問題上。

4 教學效果

從2021年開始，在網絡安全等兩個專業開展了基于MOOC的計算機組成原理新型教學模式改革實踐。以2022年為例，在教學結束后對采用了該模式的實驗班與常規教學班（參照班）進行對比，主要對比了期中和期末考試成績中基礎題型（70分）與綜合題型（30分）的平均成績。從圖2中可以看出，對于簡答、計算這類基礎題，實驗班略勝一籌，而對于綜合設計題，實驗班優勢更明顯。通過對比可以看出，在新型教學模式下，學生對知識的運用能力得以提升。

Fig.2 Comparison of teaching effect between experimental class and general class in the first half of 2022圖2 2022上半年改革實驗班與普通參照班教學效果對比

在考察基于MOOC的新型教學模式的教學效果時還采用了問卷調查法。在受訪的56名學生中，有52名學生喜歡混合式教學方式，36名學生認為混合式教學方式提高了自身的學習熱情，30名學生認為混合式教學方式能夠滿足自己個性化的學習需求，40名學生認為課前測試、課堂自測方式的學習效果好，但也有4名學生認為混合式教學方式使得學習壓力增大，如圖3所示。問卷調查結果顯示，學生對基于MOOC的計算機組成原理課程教學有較高認同度。

Fig.3 Teaching effect questionnaire of hybrid teaching mode based on MOOC圖3 基于MOOC的混合式教學效果調查問卷

5 結語

在“互聯網+”時代，利用MOOC在線資源進行混合教學，為學生提供了創新的學習方式，也為教師提供了新的教學方法和手段，特別是為初入講堂的年輕教師提供了有力支持，使教與學都更加高效。MOOC平臺在計算機組成原理課程中的應用，有效提高了本科生計算機課程教學質量，提升了學生的總結和表達能力，激發了其學習熱情和興趣，使學生能夠通過互動學習，成為真正的課堂主人。該模式在學校其他計算機類課程中進行了推廣，取得了較好效果。實踐結果證明，小班教學效果更加明顯，而對于大班教學，整理分析線上數據會降低教師的工作效率。