基于MOOC的計(jì)算機(jī)硬件課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

常燕

摘? 要：MOOC具有波及范圍廣、資源豐富等優(yōu)勢，使得MOOC時(shí)代下教學(xué)事業(yè)發(fā)生了巨大的變化。MOOC技術(shù)迅速發(fā)展應(yīng)用對傳統(tǒng)教育模式及教育體制等方面產(chǎn)生了巨大改變，計(jì)算機(jī)是注重實(shí)踐的課程，計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)為計(jì)算機(jī)教學(xué)主要環(huán)節(jié)，MOOC的出現(xiàn)是計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，該文重點(diǎn)探索基于MOOC時(shí)代的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)意義及其發(fā)展情況等內(nèi)容，為計(jì)算機(jī)硬件課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：MOOC? 計(jì)算機(jī)硬件課程? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：TP303 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）11（c）-0134-02

《國家中長期教育改革發(fā)展規(guī)劃綱要》提出加強(qiáng)教學(xué)資源體系建設(shè)，開發(fā)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)課程的要求，人才培養(yǎng)必須堅(jiān)持以強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)為著力點(diǎn)，重點(diǎn)突破實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，國家人才培養(yǎng)要求強(qiáng)調(diào)學(xué)生的動(dòng)手能力。MOOC將世界最優(yōu)質(zhì)的教育資源傳播到地球上每個(gè)角落，2013年以來，清華、北大、復(fù)旦等國內(nèi)著名高校先后加入MOOC，MOOC具有易于使用、覆蓋人群廣等優(yōu)點(diǎn)，對高等教育產(chǎn)生巨大的影響，MOOC的快速發(fā)展在教育觀念、教學(xué)方式等方面產(chǎn)生了變化。計(jì)算機(jī)學(xué)科是實(shí)踐性強(qiáng)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是決定MOOC教學(xué)成敗的關(guān)鍵。

1? MOOC時(shí)代下計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要特征

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)過程，實(shí)驗(yàn)室大小受到制約，實(shí)驗(yàn)操作選擇受到很多限制，MOOC在線服務(wù)能夠讓任何人自由加入網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，可自行選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)中，教師可按照自身意愿設(shè)置課程目標(biāo)，課堂主要為完成教學(xué)任務(wù)[1]。MOOC時(shí)代計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生可提出自身所需及計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)中存在的問題，方便服務(wù)人員對MOOC實(shí)驗(yàn)教學(xué)不斷改進(jìn)，以滿足學(xué)生的真實(shí)需求。

大多數(shù)高校各專業(yè)針對數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)課程單獨(dú)設(shè)置環(huán)境，各實(shí)驗(yàn)室通常在一個(gè)學(xué)期內(nèi)僅使用二三十個(gè)小時(shí)，重復(fù)建設(shè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境造成教學(xué)資源浪費(fèi)。計(jì)算機(jī)學(xué)科的課程內(nèi)容具有很強(qiáng)的交叉性，教學(xué)中教師很難使學(xué)生對其前導(dǎo)課程完成的基礎(chǔ)能力做出要求，由于課程銜接不夠充分，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)后難以掌握扎實(shí)的知識(shí)。

2? MOOC時(shí)代下計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展途徑

軟件實(shí)驗(yàn)開展無需特殊設(shè)備，實(shí)驗(yàn)人員通過線下將實(shí)驗(yàn)完成，程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是軟件實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要部分，在線開展軟件實(shí)驗(yàn)的難度在于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法。過去人工驗(yàn)證方式無法適用大規(guī)模實(shí)驗(yàn)。應(yīng)通過在線測評系統(tǒng)輔助完成驗(yàn)證工作。針對在線測評方面包含用戶注冊，對題庫的管理等，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)過程將代碼上交測評系統(tǒng)對實(shí)驗(yàn)檢查，評測系統(tǒng)可完成設(shè)計(jì)查重工作。當(dāng)前MOOC系統(tǒng)中開始結(jié)合在線測評系統(tǒng)作為課程主要環(huán)節(jié)，保證MOOC計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)是在線課程中的重點(diǎn)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)中一些情況復(fù)雜多變，實(shí)驗(yàn)測評人工參與環(huán)節(jié)較多，硬件實(shí)驗(yàn)對在線課程發(fā)展構(gòu)成一定的阻礙。當(dāng)前很多學(xué)校指出大規(guī)模在線課程中硬件實(shí)驗(yàn)一些可行性構(gòu)想，解決方案主要可歸類為本地實(shí)驗(yàn)與遠(yuǎn)程硬件實(shí)驗(yàn)等。

本地實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较嗨?，?shí)驗(yàn)地點(diǎn)是本地實(shí)驗(yàn)，模擬實(shí)驗(yàn)是普遍使用的在線實(shí)驗(yàn)方法，通過虛擬設(shè)備完成實(shí)驗(yàn)。遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)輔以本地硬件實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑柚W(wǎng)絡(luò)軟件對硬件設(shè)備控制。以硬件為基礎(chǔ)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)為結(jié)果最貼近傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案。

3? MOOC實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要方法

MOOC的核心是開放共享，學(xué)界一直探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開放是教學(xué)實(shí)踐追求的目標(biāo)，開放有利于提高實(shí)驗(yàn)室資源利用率。硬件課程實(shí)驗(yàn)大多采用固定結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行。部分硬件課程實(shí)驗(yàn)課使用仿真軟件完成。為解決計(jì)算機(jī)硬件課程的在線虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)問題，應(yīng)通過開發(fā)基于固定結(jié)構(gòu)的仿真軟件的方法實(shí)現(xiàn)。

基于軟件的仿真實(shí)驗(yàn)是純仿真實(shí)驗(yàn)方式，其典型開發(fā)系統(tǒng)有Alterla公司的Quartus II，具有強(qiáng)大的仿真功能，可借助開發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，不需使用實(shí)驗(yàn)箱驗(yàn)證。數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)可以使用Quartus II開發(fā)系統(tǒng)，使用Quartus II仿真功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確性。使用Packet Tracer路由/交換仿真實(shí)驗(yàn)軟件，在交換實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，讓學(xué)生在仿真平臺(tái)操作練習(xí)[2]。

E-Lab硬件仿真軟件是利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件，固定結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生直接在PC機(jī)上完成連線，操作方式與習(xí)慣同實(shí)際儀器一致。其不同是允許改善平臺(tái)開發(fā)者提供的不完善功能。目前開發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有數(shù)字邏輯虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等，基本可滿足計(jì)算機(jī)硬件課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

計(jì)算機(jī)硬件使用EDA技術(shù)，先設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路，利用實(shí)驗(yàn)箱的輸出資源直觀觀地察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。目前很多高校使用FPGA計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)，在線實(shí)驗(yàn)涉及軟硬件系統(tǒng)，解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備在線接入控制器的問題。軟件系統(tǒng)提供構(gòu)建線實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，在線完成對硬件設(shè)備的操作，達(dá)到與本地硬件實(shí)驗(yàn)一樣的效果。

4? 實(shí)驗(yàn)方式對比

純軟件實(shí)驗(yàn)方式，有的是集成開發(fā)環(huán)境中仿真功能模塊，不基于任何硬件設(shè)備，只需購買軟件。使用Quatus II軟件作為實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)，電路經(jīng)過工程編譯后產(chǎn)生相應(yīng)的輸出文件，通過開發(fā)系統(tǒng)提供的仿真功能，驗(yàn)證電路邏輯功能。實(shí)驗(yàn)方式的缺點(diǎn)是不夠直觀，軟件基本是單機(jī)版，開放性不夠[3]。

基于E-Lab硬件仿真軟件根據(jù)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱固定結(jié)構(gòu)，開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)軟件。在線實(shí)驗(yàn)不需要其他硬件設(shè)備隨時(shí)登錄網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)實(shí)際測試箱開發(fā)了硬件仿真軟件，故障率極低，實(shí)驗(yàn)效果較好。在理論課程教學(xué)中，可以將電子實(shí)驗(yàn)室引入理論課堂，并結(jié)合知識(shí)進(jìn)行講解，有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力

基于FPGA的計(jì)算機(jī)硬件虛擬實(shí)結(jié)合在線實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ讲捎眠h(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)與本地硬件模式相結(jié)合的方式，通過一定的網(wǎng)絡(luò)軟件對設(shè)備進(jìn)行控制。在實(shí)驗(yàn)中，硬件設(shè)備的故障干擾幾乎不存在，避免了不合理操作造成大量設(shè)備損壞。

3種實(shí)驗(yàn)方式都可解決MOOC實(shí)驗(yàn)教學(xué)問題，E-Lab硬件仿真軟件在線實(shí)驗(yàn)適合MOOC時(shí)代計(jì)算機(jī)硬件課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備投入與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更新等方面具有明顯優(yōu)勢。實(shí)驗(yàn)方式為學(xué)生提供充分自主操作時(shí)間，學(xué)生可進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。

5? 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)

目前職業(yè)院校計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論授課與實(shí)踐操作比重嚴(yán)重失調(diào)，部分學(xué)校受場地等因素限制，無法提供較好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，部分學(xué)校沒有安排足夠的課時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，導(dǎo)致學(xué)生的動(dòng)手能力較弱。未重視MOOC的優(yōu)勢，無法隨時(shí)為學(xué)生提供試驗(yàn)場所，導(dǎo)致學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)的自主性，需要對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改進(jìn)。

5.1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的改進(jìn)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)重在實(shí)踐，目前學(xué)生大部分時(shí)間接受知識(shí)為理論范疇，大部分實(shí)驗(yàn)都由教師按步驟提前安排好，學(xué)生只能被動(dòng)接受知識(shí)，無需了解實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大多比較陳舊，降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[4]。

MOOC計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求教師從實(shí)驗(yàn)安排上考慮學(xué)生的實(shí)際掌握情況，通過繪制VALN功能拓?fù)鋱D等手段掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，將不同層次的學(xué)生進(jìn)行分組，讓學(xué)生通過互聯(lián)網(wǎng)查詢不同命令的使用，使學(xué)生體驗(yàn)到實(shí)驗(yàn)成功的樂趣。根據(jù)當(dāng)前最新的網(wǎng)絡(luò)知識(shí)設(shè)計(jì)，借助專業(yè)的實(shí)驗(yàn)軟件，可以幫助學(xué)生了解數(shù)據(jù)包的發(fā)送等，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，讓不同層次學(xué)生的計(jì)算機(jī)實(shí)踐能力得到提升。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)涉及知識(shí)面較廣，學(xué)生做不同實(shí)驗(yàn)需要用的知識(shí)不同，學(xué)生會(huì)對部分計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)模糊，需要教師將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)劃分，將拍攝視頻發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上，幫助學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中通過互聯(lián)網(wǎng)隨時(shí)查看需要的知識(shí)點(diǎn)，鞏固所學(xué)理論知識(shí)。

5.2 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)學(xué)院重要的專業(yè)必修課，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程學(xué)習(xí)，學(xué)生能全面掌握計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理技術(shù)，培養(yǎng)解決網(wǎng)絡(luò)常見問題的能力，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)是基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論基礎(chǔ)，與C程序設(shè)計(jì)等課程相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，對提高學(xué)生的認(rèn)知能力具有重要的直觀作用。要認(rèn)識(shí)到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在實(shí)驗(yàn)中起到的作用，正確安排計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程，增強(qiáng)學(xué)生對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的興趣。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)是教學(xué)的重要內(nèi)容，可以提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。過去計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本較高，學(xué)生很少能接觸到網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備。為加強(qiáng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的操作性，需從實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)延續(xù)性等方面進(jìn)行強(qiáng)化，結(jié)合學(xué)生的掌握程序，本著基本操作機(jī)可編程原則設(shè)計(jì)不同層次的實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)原理及關(guān)鍵技術(shù)通過MOOC方式展現(xiàn)，讓學(xué)生已經(jīng)自身學(xué)習(xí)情況選擇不同的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。監(jiān)督學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程，幫助其解決實(shí)驗(yàn)中遇到的問題。在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)時(shí)，要考慮到實(shí)驗(yàn)的延續(xù)性，可讓學(xué)生通過企業(yè)等已存在的網(wǎng)絡(luò)案例學(xué)習(xí)，最終呈現(xiàn)完整的解決方案。

為提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，鼓勵(lì)學(xué)生生成學(xué)習(xí)興趣小組等，學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)專業(yè)軟件，通過在線實(shí)驗(yàn)區(qū)自主設(shè)計(jì)，為學(xué)生開放計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生有足夠空間對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行真實(shí)驗(yàn)證?？己耸窃u價(jià)學(xué)生綜合學(xué)習(xí)能力的方式，合理的考核方式可以促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)能力發(fā)展。可依據(jù)實(shí)驗(yàn)難度，及學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等方式進(jìn)行考核，依據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，獨(dú)立解決問題等方面進(jìn)行加分，盡量通過量化方式規(guī)范學(xué)生的行為。

6? 結(jié)語

E-Lab硬件仿真軟件在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式利用現(xiàn)代信息技術(shù)，克服了傳統(tǒng)模式的不足。在實(shí)驗(yàn)室管廊與實(shí)驗(yàn)技術(shù)上開辟了新的模式。促進(jìn)MOOC在高校的推廣。當(dāng)前全球處于MOOC技術(shù)飛速發(fā)展階段，計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革創(chuàng)新是必然趨勢。我國對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)課程進(jìn)行了大量的探索，網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展具有很大的空間。如添置設(shè)備后如何完善云概念實(shí)驗(yàn)，排除實(shí)際硬件平臺(tái)需要由虛擬平臺(tái)輔助，關(guān)注未來在線實(shí)驗(yàn)需要著重處理的問題。

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