《計算機組成與體系結(jié)構(gòu)》MOOC課程建設(shè)探索

張楊+王國華+左保河

摘 要：MOOC引發(fā)了在線教育的革命。計算機組成與體系結(jié)構(gòu)課程是軟件學(xué)院的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，存在著難以形成整機概念、學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高、對課程重要性認識不足、師生互動不夠頻繁這些教學(xué)問題。本文通過分析MOOC課程的特點，引入MOOC課程來解決上述問題。論文闡述了計算機組成與體系結(jié)構(gòu)MOOC課程的建設(shè)過程、實施方法和實施效果。最后，總結(jié)了該類課程的建設(shè)經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：計算機組成與體系結(jié)構(gòu)；MOOC課程；課程建設(shè)

中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A

Abstract：The MOOC triggered the revolution of online education.Computer Organization and Architecture is a professional basic course in the school of software engineering.Various problems are found in traditional teaching with the lack of the computer system concept，learning initiatives，cognition to the importance of the course and the communication between teachers and students.By analyzing the characteristics of MOOCs，the paper introduces the Computer Organization and Architecture MOOC to solve the above problems.The paper elaborates on the construction，the implementation methods and the implementation effects.At the end，the MOOC construction experience of similar courses is summarized.

Keywords：computer organization and architecture；MOOC；course construction

1 引言（Introduction）

MOOC的全稱是Massive Open Online Course，意為大規(guī)模開放在線課程，最早于2008年由加拿大學(xué)者Dave Cormier和Bryan Alexander提出。MOOC顛覆了以往的教學(xué)方式，短短幾年間快速地在美國興起，并在全球火熱，2012年被稱為世界MOOC元年[1]。斯坦福大學(xué)創(chuàng)立的Coursera和Udacity，麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)聯(lián)合創(chuàng)立的edX是國外最具代表性的MOOC平臺。國內(nèi)高校也緊跟國際在線教育發(fā)展趨勢，2013年，北大、清華、復(fù)旦等中國的一流大學(xué)陸續(xù)“投靠”了Coursera、edX課程提供商。因此，2013年被稱為中國MOOC元年[2]。后來，清華大學(xué)的又自建了學(xué)堂在線平臺，上海交通大學(xué)自建了的好大學(xué)在線平臺等，這些都是國內(nèi)具有代表性的MOOC平臺。

MOOC引發(fā)了在線教育的革命，它將信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與課程教學(xué)有機融合，為高等學(xué)校的人才培養(yǎng)提供了一種新型的開放式教學(xué)手段[3]。為了提高教師的教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)成效，促進教學(xué)改革的進一步深化和教學(xué)質(zhì)量的提高，課程團隊在學(xué)校和學(xué)院的支持下，將MOOC這一新型教學(xué)手段引入計算機組成與體系結(jié)構(gòu)課程教學(xué)當(dāng)中，取得了較好的效果。

2 現(xiàn)狀分析（Analysis of the current situation）

計算機組成與體系結(jié)構(gòu)課程是本校軟件工程專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課之一。這是軟件工程專業(yè)基礎(chǔ)課程中為數(shù)不多的一門硬件基礎(chǔ)課程，在本專業(yè)的課程體系設(shè)計中起著承上啟下的作用。其先導(dǎo)課程有數(shù)字邏輯、C++高級程序設(shè)計，后續(xù)課程有操作系統(tǒng)、嵌入式軟件開發(fā)等。課程的教學(xué)目標是為學(xué)生建立計算機系統(tǒng)的整機概念，理解計算機系統(tǒng)中硬件、軟件的功能劃分和相互配合關(guān)系，并為后續(xù)的軟件系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)奠定硬件基礎(chǔ)。

計算機組成與體系結(jié)構(gòu)課程是由計算機組成原理和計算機體系結(jié)構(gòu)兩門課程合并而成的。在軟件學(xué)院的課程體系中，總學(xué)時數(shù)64學(xué)時，其中授課學(xué)時48，實驗學(xué)時16。相比較計算機學(xué)院，學(xué)時數(shù)減少一半。在這種情況下，很難將兩門課程講得完整，因此在授課內(nèi)容方面必須要有所取舍。在這里，課程主體還是以計算機組成原理為主，輔以部分精選過的計算機體系結(jié)構(gòu)的內(nèi)容。

經(jīng)過筆者十多年的課程教學(xué)，對學(xué)生進行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的傳統(tǒng)課程教學(xué)方式存在以下問題：

（1）知識點多且零散，內(nèi)容抽象，學(xué)生難以形成整機概念。

計算機組成與體系結(jié)構(gòu)課程的內(nèi)容主要是講述計算機五大功能部件的工作原理以及計算機整機的工作過程，同時也講述計算機體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識和提高計算機的部件和整機硬件性能的主要途徑。課程理論知識點繁多，需要理解的基本概念多，所以很多學(xué)生反映學(xué)了以后印象還是一些文字的描述，而沒有深入地理解。而且隨著計算機技術(shù)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機內(nèi)部結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜、龐大和高度集成化，這就更顯得本課程知識面廣、內(nèi)容多、更新快的特點，學(xué)生普遍感到這門課程難學(xué)、概念抽象，感性認識差。

（2）學(xué)生硬件基礎(chǔ)較差，造成學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性不高。

在學(xué)習(xí)態(tài)度方面，很多學(xué)生上課不認真聽講，這和他們硬件基礎(chǔ)較差也有一定的關(guān)系。例如，本課程先導(dǎo)課程是數(shù)字邏輯，很多學(xué)生沒有學(xué)好這門課，以至于在本課程講到相關(guān)內(nèi)容時就會聽不明白。比如，講到加法器原理時，涉及到對真值表的化簡，許多學(xué)生就不懂如何得到邏輯表達式。所以由于學(xué)生的硬件基礎(chǔ)差，加上對先行課程的相關(guān)知識沒有掌握好，導(dǎo)致學(xué)習(xí)積極性下降。endprint

（3）對課程的重要性認識不足

軟件學(xué)院的學(xué)生普遍存在著“重軟偏硬”的思想，對課程的重要性認識不足，他們覺得課程與以后所進行的軟件開發(fā)工作沒有什么關(guān)系。因此，課程團隊對本學(xué)院開設(shè)的所有課程的教學(xué)內(nèi)容進行了梳理，找出本課程與其他相關(guān)課程的銜接之處，并在MOOC課程的知識點設(shè)計時，注重與軟件開發(fā)之間的關(guān)聯(lián)。

（4）教學(xué)過程中，師生互動不夠頻繁。

在傳統(tǒng)的教學(xué)方式中，由于課程任務(wù)重，學(xué)時數(shù)有限，教師在課堂教學(xué)上有滿堂灌的趨勢，缺乏師生之間的互動。并且由于實際情況的限制，學(xué)生住在大學(xué)城，教師只是在上課時才在大學(xué)城，這樣導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中即使遇到問題，也不會及時采用當(dāng)面方式與教師溝通，而如果采用郵件，有時會無法及時解決問題。

3 MOOC課程建設(shè)（MOOC construction）

MOOC是一種新的教學(xué)模式，MOOC和翻轉(zhuǎn)課堂相結(jié)合，課前學(xué)生觀看視頻；課上教師剖析重點；課后學(xué)生閱讀與訓(xùn)練；討論課上學(xué)生和教師、同學(xué)面對面討論交流，這樣可以增加互動，啟發(fā)深入思考。

3.1 MOOC的特點

MOOC課程具有以下顯著特征[4]：（1）要求有教師引導(dǎo)上課，不是單純依靠學(xué)生自學(xué)。MOOC的教學(xué)方式是以學(xué)習(xí)者為中心的，但是強調(diào)了教師的引導(dǎo)作用，這樣有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。（2）在線學(xué)習(xí)，在線觀看視頻時，經(jīng)常會有插入的隨堂測試題檢驗學(xué)習(xí)者的理解程度，而課后的在線測試可以及時對學(xué)習(xí)者的答題情況進行反饋，這是符合學(xué)習(xí)理論中反饋率的要求的。（3）互動的學(xué)習(xí)環(huán)境。在MOOC平臺中都會設(shè)置課程的答疑討論區(qū)，學(xué)生有疑問可以隨時在討論區(qū)中向教師提問或者與同學(xué)討論，解決了由于地理因素帶來的不能及時溝通的問題。

綜上所述，MOOC課程可以解決當(dāng)前計算機組成與體系結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中存在的以上問題，因此本課程團隊于2015年開始著手MOOC課程的建設(shè)，并取得了學(xué)校和學(xué)院的支持。

3.2 MOOC課程設(shè)計

本課程共分為八章，每章分講，每一講即為一個知識點視頻。根據(jù)文獻[5]所給出的大規(guī)模開放在線課程的設(shè)計，本文做了一定的改進。本MOOC課程的設(shè)計過程分為學(xué)習(xí)者分析、教學(xué)目標設(shè)定、知識點分解、腳本編寫和習(xí)題設(shè)計五個步驟。

（1）學(xué)習(xí)者分析

本課程已被立項成為廣東省精品資源共享課程，以后將面向廣東省高校的學(xué)生開放。在課程建設(shè)之初，首先面向的是軟件工程學(xué)院的學(xué)生。軟件學(xué)院的學(xué)生已經(jīng)具有數(shù)字邏輯課程和高級語言程序設(shè)計的基礎(chǔ)，但是不具有匯編語言的基礎(chǔ)，并且在軟件學(xué)院的課程體系中也不會開設(shè)匯編語言。但是在課程有些知識點的講述時，會伴隨匯編語言的代碼實例。在以前的教學(xué)過程中，課程團隊發(fā)現(xiàn)存在有部分學(xué)生由于匯編語言知識的缺乏，而難以理解與原理相關(guān)的匯編語言實例的。另外，考慮到課程經(jīng)過迭代后，面向全廣東省高校學(xué)生開放時，學(xué)生可能是來自各個不同專業(yè)，也會出現(xiàn)同樣的問題。因此針對這個問題，課程團隊在設(shè)計知識點時，需要考慮到學(xué)習(xí)者的因素。

（2）教學(xué)目標設(shè)定

本課程的教學(xué)目標旨在提高學(xué)生對計算機系統(tǒng)的全面認識水平和系統(tǒng)設(shè)計能力，建立計算機整機，全面理解計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)。具體包括以下幾個方面：了解計算機指令集體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則和設(shè)計原理；具備使用HDL進行計算機硬件設(shè)計的基本能力；深刻理解操作系統(tǒng)和硬件之間的分工和銜接關(guān)系；掌握從硬件角度出發(fā)進行編譯優(yōu)化的基本技術(shù)；深刻理解從硬件角度出發(fā)編制高效程序的基本原理；提高利用硬件知識進行程序調(diào)試的能力。

（3）知識點分解

在課程設(shè)計時，考慮將知識點進行重新分解，每個知識點設(shè)計錄制時長盡量不超過十五分鐘，因為根據(jù)心理學(xué)的研究，人的高效專注時間長度在15-20分鐘，方便學(xué)生利用碎片時間對課程視頻進行反復(fù)觀看。但是，有時也不會一味地追求知識點的短小，而將知識點劃分地過小。如在講cache的原理時，會將cache的控制位和cache的寫策略合成為一個知識點，以避免知識點過細導(dǎo)致視頻特別短的問題。因此，對知識點劃分粒度是在進行課程設(shè)計時需要重點考慮的一個問題。

在課程中，額外設(shè)計了兩個有關(guān)于匯編語言的視頻，為沒有匯編語言基礎(chǔ)的學(xué)生更好地理解課程提供幫助。

（4）腳本編寫

在對知識點完成分解的工作后，需要為每個知識點視頻的錄制編寫腳本。具體的做法是為每張PPT編寫解說內(nèi)容，并注明所需要的特效。在編寫腳本的時候可根據(jù)不同PPT的篇幅內(nèi)容，設(shè)計采用教師不出鏡、教師全身出鏡或者采用畫中畫的形式在視頻的右下角出鏡三種不同的形式，以避免學(xué)生視頻觀看時產(chǎn)生的視覺疲勞。

（5）習(xí)題設(shè)計

為了檢驗學(xué)生自主學(xué)習(xí)的效果，同時做到在翻轉(zhuǎn)課堂時對學(xué)生對知識點的掌握程度有所了解，課程團隊為每個知識點視頻配套兩類習(xí)題。第一類習(xí)題是客觀練習(xí)題，每個知識點有4—8個單項選擇題。另一類習(xí)題是主觀練習(xí)題，一般為簡答題或計算題。當(dāng)學(xué)生學(xué)習(xí)完知識點視頻后，需要完成這兩類習(xí)題，以檢驗學(xué)習(xí)效果。

3.3 MOOC課程錄制

軟件學(xué)院自建了兩間融理論課程、實訓(xùn)課程、項目開發(fā)和實時錄制的多功能教室，并自建了MOOCs課程錄播工作室，依托學(xué)院自建服務(wù)器群（6臺專用服務(wù)器）和好大學(xué)在線平臺（與百度和上海交通大學(xué)共建），實現(xiàn)課程錄制、實時在線學(xué)習(xí)和資源共享集成化平臺。

自建錄播室的好處是在課程錄制完成之后，任課教師可根據(jù)課程的發(fā)展，隨時補錄課程視頻，以便跟上計算機系統(tǒng)硬件的業(yè)界發(fā)展趨勢。當(dāng)然，也存在著課程視頻制作不夠精美的缺點。但是，課程團隊的思想是先建設(shè)課程內(nèi)容上線運行，等課程內(nèi)容迭代成熟以后，可以將美觀等問題慢慢交給專業(yè)公司去完善。本課程的企業(yè)合作團隊是深圳軟酷網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，幫助制作了課程的宣傳片和部分動畫。endprint

4 MOOC課程實施（MOOC implementation）

經(jīng)過一年的精心錄制和制作，本課程于2016年7月錄制完成，2016年9月在好大學(xué)在線平臺上線。由于是課程的第1版，因此目前開放范圍僅限于本校學(xué)生，后續(xù)隨著課程內(nèi)容的持續(xù)迭代會考慮擴大學(xué)習(xí)者范圍。課程的實施方式選用了翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方式，由原來傳統(tǒng)的課堂授課48學(xué)時+實驗16學(xué)時，改為翻轉(zhuǎn)課堂24學(xué)時+實驗16學(xué)時。

4.1 學(xué)生自學(xué)

每周由任課教師在課程公告欄發(fā)布知識點視頻以及與知識點相關(guān)的延伸閱讀資料，學(xué)生自行安排時間完成視頻觀看學(xué)習(xí)（在視頻播放過程中不允許快進）。知識點視頻學(xué)習(xí)完成后，有相應(yīng)的客觀練習(xí)題或主觀練習(xí)題供學(xué)生檢驗自己對知識點的理解情況。練習(xí)題會設(shè)定提交截止時間，一般設(shè)置為線下課堂教學(xué)的前一天?？陀^練習(xí)題會限定學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)完成，如10分鐘或20分鐘不等，視題目的數(shù)量和難易程度不同。

4.2 翻轉(zhuǎn)課堂

課程的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)采用幾種方式實現(xiàn)：

（1）知識點精講

由于針對每個知識點會有相關(guān)的練習(xí)題，教師在課前可以通過好大學(xué)在線平臺的統(tǒng)計數(shù)據(jù)獲知學(xué)生對知識點的自學(xué)掌握情況。如果某個知識點的錯誤率較高，教師會在課堂上對知識點的內(nèi)容做更詳盡的解釋，以確保學(xué)生能夠完全掌握。

（2）延伸閱讀材料分組討論

由于采用影印版英文教材，教材內(nèi)容更新速度有限，無法及時反映業(yè)界技術(shù)的最新發(fā)展。如在介紹存儲器的存儲原理時，教材中主要介紹了靜態(tài)和動態(tài)半導(dǎo)體存儲器的存儲原理，而現(xiàn)在常用的固態(tài)存儲器原理并未涉及。教師就需要將這些內(nèi)容作為延伸閱讀材料在線布置給學(xué)生，學(xué)生在線下除了自學(xué)知識點視頻之外，還需要根據(jù)教師所提要求來精讀這些延伸閱讀材料。教師在翻轉(zhuǎn)課堂時可以采取讓學(xué)生講解延伸閱讀材料的方式，并組織學(xué)生進行分組討論，一方面擴充了教材內(nèi)容，另一方面又通過學(xué)生的自主閱讀，鍛煉了學(xué)生的文獻閱讀能力，對提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣也起到了很好的促進作用。

5 MOOC課程實施效果（MOOC implementation

effects）

軟件學(xué)院2015級3、4班共88人，5、6班共97人，另有4名大連理工大學(xué)交換生，共計189人參與課程，如圖1所示。

績（圖中的成績?yōu)榫砻娉煽?，而非總評成績）在60分以下，只有少數(shù)幾個學(xué)生卷面成績能夠達到80、90分，全班總平均分甚至都在60分以下。

從圖3可以看出，在MOOC課程上線之后，2015級的學(xué)生成績有了長足的進步，只有百分之十六的學(xué)生卷面成績在60分以下，卷面成績在80、90分的學(xué)生達到了接近20人，全班總平均分提高到了72分。

這些數(shù)據(jù)表明，MOOC課程提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使得他們的學(xué)習(xí)成績有了很大的提高。

6 結(jié)論（Conclusion）

本次MOOC課程建設(shè)經(jīng)過了學(xué)習(xí)者分析、教學(xué)目標設(shè)定、知識點分解、腳本編寫和習(xí)題設(shè)計五個步驟。MOOC課程的實施方式采用了MOOC+翻轉(zhuǎn)課堂的形式。經(jīng)過在軟件學(xué)院2015級4個班的實施，學(xué)生的成績有了較大的提升。因此MOOC課程因為能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并且利用碎片化的時間完成課程知識點的學(xué)習(xí)，是互聯(lián)網(wǎng)+在教育領(lǐng)域的一次成功的應(yīng)用。

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[5] 張忠.大規(guī)模在線課程設(shè)計研究[D].武漢：華中師范大學(xué)，2014：34.

作者簡介：

張 楊（1977-），女，博士，講師.研究領(lǐng)域：服務(wù)計算.

王國華（1977-），女，博士，講師.研究領(lǐng)域：網(wǎng)絡(luò)存儲.

左保河（1967-），男，博士，副教授.研究領(lǐng)域：系統(tǒng)工程，軟件工程，網(wǎng)絡(luò)安全.endprint