《計算機組成原理》線上線下混合式小班教學(xué)探索及實踐*

紀(jì)祿平，劉 輝，羅克露

（電子科技大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都611731）

一、引言

《計算機組成原理》通常安排在本科培養(yǎng)環(huán)節(jié)的第4或5學(xué)期，同時它也是本科計算機專業(yè)開設(shè)的一門必修的核心基礎(chǔ)課程。這門課程開設(shè)的目標(biāo)主要是通過對計算機基本硬件體系架構(gòu)和組成部件的學(xué)習(xí)，使學(xué)習(xí)者理解并掌握計算機硬件系統(tǒng)的工作原理、主要功能部件的設(shè)計方法以及計算機硬件技術(shù)的前沿發(fā)展動態(tài)，從而培養(yǎng)學(xué)習(xí)者計算機硬件系統(tǒng)分析和設(shè)計開發(fā)能力。

該門課程的教學(xué)模式，國內(nèi)院校目前還是采用以傳統(tǒng)的課堂授課為主，并輔之以一定學(xué)時的課外實驗。這種教學(xué)模式有可能取得很好的教學(xué)效果，但目前也存在諸多缺陷。比如，它是一種以教師的課堂面對面講授為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)者被動學(xué)習(xí)，由教師主導(dǎo)統(tǒng)一學(xué)習(xí)進度、統(tǒng)一學(xué)習(xí)內(nèi)容，無法兼顧不同學(xué)習(xí)者的個性化學(xué)習(xí)需求，不利于調(diào)動學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣。對于部分基礎(chǔ)較好、學(xué)有余力的學(xué)習(xí)者，甚至?xí)种破渲鲃訉W(xué)習(xí)、對知識進行更深層次探索的積極性，因此在一定程度上也不利于研究型、創(chuàng)新型本科人才的培養(yǎng)。

為了響應(yīng)《教育部關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》（教高〔2018〕2號）文件精神，電子科技大學(xué)積極開展了教學(xué)方法改革與教學(xué)模式創(chuàng)新。在學(xué)校統(tǒng)一規(guī)劃部署下，課程組對《計算機組成原理》的教學(xué)模式進行了大膽改革，設(shè)計了一種基于線上SPOC（Small Private Online Course，即小規(guī)模限制性在線課程）和線下課堂面授相結(jié)合的混合式教學(xué)方法[1]，并從2017-2018-1學(xué)期開始實施小班教學(xué)實踐，結(jié)果顯示這種教學(xué)模式能比傳統(tǒng)模式取得更好的教學(xué)效果，顯著提升課程的教學(xué)質(zhì)量。

二、混合式教學(xué)模型設(shè)計

課程組提出的混合式教學(xué)模型主要由線上的SPOC學(xué)習(xí)和線下課堂面授兩部分構(gòu)成[2][3]。該教學(xué)模式的基本實施原理在圖1中進行了簡要展示。

圖1 線上線下相結(jié)合的混合教學(xué)模型

混合式教學(xué)模型以線上自主學(xué)習(xí)為主，線下課堂面授為輔，通過學(xué)習(xí)者基于SPOC自主在線學(xué)習(xí)、掌握基本知識以后，然后再由教師在課堂面授環(huán)節(jié)針對普遍的重難點內(nèi)容，以及學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)的各種個性化疑難問題進行釋疑解答，從而增強學(xué)習(xí)者對基本知識、基本原理和基本方法更深入的理解，進而引導(dǎo)學(xué)習(xí)者進一步思考問題、探索前沿知識，啟發(fā)學(xué)習(xí)者創(chuàng)造性思維，以及培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)造能力。

這種混合式的教學(xué)模型對師生都提出了要求：

1.教師層面

按圖1所示的混合式教學(xué)模型，需要由課程教師進行SPOC在線同步開課，并在SPOC中發(fā)布全套數(shù)字教學(xué)資源，其中至少應(yīng)包括視頻課件、PPT課件、單元作業(yè)、單元測試題等。

教師也需要在課堂授課前進行課程知識點的梳理，針對每一章節(jié)乃至每一次課進行充分翔實的教學(xué)設(shè)計，預(yù)估學(xué)習(xí)者在SPOC學(xué)習(xí)中可能會面臨、在課堂上會提出的問題并進行充分的釋疑準(zhǔn)備。除此之外，在課堂教學(xué)設(shè)計過程中，教師也要從課程前沿的更高層，結(jié)合課程知識點設(shè)計若干用于在面授課堂上引導(dǎo)學(xué)習(xí)者進行深入研討、探索的問題。

此外還要對全體學(xué)生進行分組，主要是方便在面授環(huán)節(jié)進行分組研討、答疑，也便于課堂管理。各組選出1名組長，每組一般包含5名學(xué)習(xí)者，人數(shù)不能過多。

2.學(xué)習(xí)者層面

提前登錄SPOC平臺進行課程選課注冊，開課后再根據(jù)教師的進度安排，結(jié)合課程資源如課程視頻和PPT課件，進行特定章節(jié)內(nèi)容的在線自主學(xué)習(xí)。在學(xué)習(xí)過程中，也要做好學(xué)習(xí)筆記，發(fā)現(xiàn)自己不理解或者理解不透的知識點，記錄并整理疑難問題，以備在課堂面授環(huán)節(jié)尋求教師釋疑解答。

除了利用課外時間進行主動在線學(xué)習(xí)以外，學(xué)習(xí)者也需要像傳統(tǒng)模式那樣按課程安排表參加教師面授環(huán)節(jié)。在此環(huán)節(jié)中，學(xué)習(xí)者主要應(yīng)把握三個層面的學(xué)習(xí)：①認(rèn)真傾聽教師針對普遍性重難點問題進行的專項講授；②向教師提出自己記錄的個性化問題；③積極參加教師設(shè)計的課堂研討，落實組內(nèi)的互動和組間互動，認(rèn)真傾聽、思考、發(fā)言。通過研討，讓不同的理解互相交流，讓不同的思考發(fā)生碰撞，強化學(xué)習(xí)效果。

三、《計算機組成原理》教學(xué)實踐

我校的《計算機組成原理》課程安排在第5學(xué)期（即大三上學(xué)期）。從2017-2018-1學(xué)期開始，該門課程已按照設(shè)計的小班混合式教學(xué)模型進行了教學(xué)實施。

課程內(nèi)容包括6個教學(xué)單元[4]：①計算機系統(tǒng)化概述（計算機的基本概念、發(fā)展歷史、軟硬件體系架構(gòu)和計算機系統(tǒng)的綜合性能評價）。②數(shù)據(jù)的表示、運算與校驗（定浮點數(shù)、字符，定浮點運算，奇偶、海明和CRC等校驗原理）。③CPU子系統(tǒng)（CPU指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通路和控制器設(shè)計方法）。④存儲子系統(tǒng)（半導(dǎo)體、磁、光存儲原理和器件，三級存儲體系）。⑤總線與I/O子系統(tǒng)（總線，PIO、中斷、DMA和IOP等I/O模式）。⑥I/O設(shè)備及其接口（鍵盤、顯示器件、打印機等外設(shè)原理）。

1.SPOC資源建設(shè)

為該課程的6個教學(xué)單元開發(fā)的在線資源主要包括：161個視頻課件（MP4格式）、43個教學(xué)課件（PPT格式）、5套在線單元測試題（自動評分）和2套期末考試試題（自動閱卷），還包括面向課程內(nèi)容預(yù)設(shè)的問題討論30余個。

《計算機組成原理》課程實施小班線上線下混合式教學(xué)，其所必需的SPOC開設(shè)在高教社“愛課程（中國大學(xué)MOOC）”平臺，開課具體情況如圖2、3所示。

在教學(xué)過程中，以每次課（固定兩學(xué)時）為自主在線學(xué)習(xí)的基本粒度，參考面授環(huán)節(jié)的課堂進度，以每次課為基本粒度，提前2-3天逐批次發(fā)布在線課程資源，督察學(xué)習(xí)者自主學(xué)習(xí)。提前發(fā)布的時間不能太長或者太短，太長學(xué)習(xí)者容易拖延學(xué)習(xí)，太短則會使學(xué)習(xí)者倉促學(xué)習(xí)。因此，課程資源發(fā)布的時間提前量非常關(guān)鍵，無論太長還是太短都非常不利于學(xué)習(xí)者的自主學(xué)習(xí)。

2.課堂面授環(huán)節(jié)

本課程傳統(tǒng)的課堂面授階段安排的總學(xué)時數(shù)為56學(xué)時（不含實驗環(huán)節(jié)），每個教學(xué)周安排2次面授、每次2學(xué)時，即每周4學(xué)時。此外，面授課堂采用小班教學(xué)模式，限制選課人數(shù)不超過30人，配置多媒體教學(xué)設(shè)施（投影、觸摸屏），如圖3所示。

教學(xué)班的學(xué)生通常是經(jīng)過開放式選課參與的課程學(xué)習(xí)，因此學(xué)生有可能來自不同學(xué)院、不同班級。為了有效組織課堂研討，按學(xué)號的關(guān)聯(lián)性把30名學(xué)生分成6個學(xué)習(xí)小組，每組民主選舉并設(shè)置1名組長，負(fù)責(zé)主持組內(nèi)研討、匯總研討結(jié)果、撰寫研討報告等。

在執(zhí)行每一次課堂面授時，本次課程所將涉及到的課程內(nèi)容已經(jīng)提前發(fā)布給了學(xué)生，學(xué)生可以進行在線自主學(xué)習(xí)，但學(xué)習(xí)效果可能會千差萬別、因人而異?？傮w上可以把SPOC學(xué)習(xí)效果粗略歸納成三種情況，如表1所示。

在面授環(huán)節(jié)，授課教師不再按傳統(tǒng)授課模式那樣照PPT按序逐一講授課程內(nèi)容，相反采用一種全新的個性化、集約化課堂面授方式，按以下環(huán)節(jié)執(zhí)行：

表1 三種典型的自主SPOC學(xué)習(xí)效果

（1）對個性化問題的釋疑。在此環(huán)節(jié)，以組為單位解答學(xué)習(xí)者提出的問題，強化學(xué)生的學(xué)習(xí)。對A類學(xué)習(xí)者提出的探索性問題，這些問題通常有深度且前沿，因此面向全體學(xué)生進行解析（DA措施）；對B類學(xué)習(xí)者提出的問題，如果僅限于課程內(nèi)容本身，因其不具有典型性，故組內(nèi)解答（DB措施），如果屬探索性問題則采用DA處理方式；對C類學(xué)習(xí)者提出的對課程內(nèi)容理解方面的問題，則通過師生問題交互，引導(dǎo)、啟發(fā)學(xué)習(xí)者掌握相關(guān)知識點，并針對性地給出學(xué)習(xí)建議（即執(zhí)行DC措施，如表1所示）。

（2）重難點集中解析。面授環(huán)節(jié)，先對學(xué)習(xí)者進行個性化、針對性答疑、因材施教，解決學(xué)習(xí)者通過SPOC自主學(xué)習(xí)后的遺留問題，從而強化學(xué)習(xí)者對課程內(nèi)容的理解和更深層次問題的探索性思考。然后，授課教師再將備課階段提煉的重難點內(nèi)容、實例等共性問題，面向全體學(xué)生進行內(nèi)容的集中強化講解，通過此方式使學(xué)生能查漏補缺，進一步強化學(xué)生對基本知識特別是重難點內(nèi)容的理解，引導(dǎo)學(xué)生思考、探索更高層次、更加前沿的科學(xué)問題。

3.學(xué)生成績評定

課程考核覆蓋課堂面授和SPOC學(xué)習(xí)這兩項，各占50%，滿分為100分。

其中SPOC部分的考核（總分50分）由在線單元測試（5次，50%）、在線期末考試（40%）和在線論壇交互（10%）三部分組成。而課堂面授部分的考核 （總分50分）則由期末卷面統(tǒng)考（80%）和課堂表現(xiàn)（20%）組成。

《計算機組成原理》采用的就是這種“SPOC+面授”的混合教學(xué)模式，學(xué)生先通過SPOC自主進行知識的初步學(xué)習(xí)，然后在面授課堂結(jié)合教師的指導(dǎo)進行強化學(xué)習(xí)，并對每個學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)進行量化評分，形成對學(xué)生的學(xué)習(xí)評價。兩個環(huán)節(jié)雙管齊下、逐次推進，使學(xué)生牢固掌握、理解基本知識，并進行個性化問題探索。

四、教學(xué)效果評估

到目前為止，本文設(shè)計的這種線上線下混合教學(xué)模型已經(jīng)在《計算組成原理》課程教學(xué)中實施了兩輪。與單純以教師為中心的課堂授課模式相比，這種混合教學(xué)模式取得了很好的教學(xué)效果，顯著提升了課程的教學(xué)質(zhì)量，深受學(xué)習(xí)者好評。

為了評估混合式教學(xué)方案的實施效果[5]，課程教學(xué)組從師生互評的角度，包括學(xué)習(xí)者對教師的評價（5個指標(biāo)）和教師對學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)效果的評價（4個指標(biāo)）這兩個層面進行了隨機抽樣，并對各項指標(biāo)進行了打分。表2從兩個層面（共9個教學(xué)指標(biāo)）分別展示了傳統(tǒng)課堂授課模式和混合式教學(xué)的各項指標(biāo)得分情況。從表2中的指標(biāo)對比結(jié)果可以看到，學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)置、學(xué)習(xí)活動指導(dǎo)、學(xué)生參與教學(xué)活動的態(tài)度以及深度方面，混合模式教學(xué)的平均得分比傳統(tǒng)模式均有顯著提升，幾乎都提高了10%以上。教師對教學(xué)目標(biāo)設(shè)定、學(xué)習(xí)者參與教學(xué)活動的效果等方面，混合模式的各項指標(biāo)得分最少也提高了3.24%以上。

表2 混合式教學(xué)模型的教學(xué)效果對比

為了改革以教師為中心的傳統(tǒng)教學(xué)模式，本文提出了一種基于SPOC和課堂面授相結(jié)合的線上線下混合教學(xué)方案。這種方案首先為課程制作完善的數(shù)字資源并進行SPOC同步開課，學(xué)習(xí)者在線預(yù)學(xué)習(xí)，課堂面授環(huán)節(jié)教師針對性解答學(xué)生的疑難問題并進行重難點解析。自主SPOC學(xué)習(xí)和課堂面授這兩個環(huán)節(jié)相輔相成，學(xué)習(xí)者通過SPOC初步學(xué)習(xí)教學(xué)內(nèi)容，然后在面授環(huán)節(jié)對學(xué)習(xí)效果進行再強化，這是一種以學(xué)習(xí)者為中心、突出自主學(xué)習(xí)和個性化學(xué)習(xí)特色的新型教學(xué)模型。《計算機組成原理》的教學(xué)實施效果表明，這種線上線下混合式教學(xué)方式通常可以改善教學(xué)效果、提升教學(xué)質(zhì)量。