《計(jì)算機(jī)組成原理》線上線下混合式小班教學(xué)探索及實(shí)踐

紀(jì)祿平 劉輝 羅克露

摘 要：文章以課程改革與創(chuàng)新教學(xué)為出發(fā)點(diǎn)，針對(duì)本科生課程《計(jì)算機(jī)組成原理》，設(shè)計(jì)了一個(gè)既充分支持學(xué)習(xí)者自主學(xué)習(xí)，同時(shí)又充分支持對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行個(gè)性化、訂單式教學(xué)的新型教學(xué)模式。該模式以線上的數(shù)字課程資源為基礎(chǔ)，并以線下傳統(tǒng)的課堂授課為補(bǔ)充，開(kāi)展混合式課程教學(xué)模式改革。教學(xué)實(shí)踐證明，該模式有利于發(fā)揮學(xué)習(xí)者的自主性和積極性，并且把教師從低效的課堂知識(shí)重復(fù)灌輸中解放出來(lái)，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行深層次思考探索，進(jìn)而提升教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)組成原理；混合教學(xué)模型；課堂翻轉(zhuǎn)；教學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-8454（2019）04-0060-03

一、引言

《計(jì)算機(jī)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(shí)它也是本科計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的一門(mén)必修的核心基礎(chǔ)課程。這門(mén)課程開(kāi)設(shè)的目標(biāo)主要是通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的工作原理、主要功能部件的設(shè)計(jì)方法以及計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的前沿發(fā)展動(dòng)態(tài)，從而培養(yǎng)學(xué)習(xí)者計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能力。

該門(mén)課程的教學(xué)模式，國(guó)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(shí)的課外實(shí)驗(yàn)。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(duì)面講授為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)者被動(dòng)學(xué)習(xí)，由教師主導(dǎo)統(tǒng)一學(xué)習(xí)進(jìn)度、統(tǒng)一學(xué)習(xí)內(nèi)容，無(wú)法兼顧不同學(xué)習(xí)者的個(gè)性化學(xué)習(xí)需求，不利于調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣。對(duì)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?dòng)學(xué)習(xí)、對(duì)知識(shí)進(jìn)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(jiàn)》（教高〔2018〕2號(hào)）文件精神，電子科技大學(xué)積極開(kāi)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(duì)《計(jì)算機(jī)組成原理》的教學(xué)模式進(jìn)行了大膽改革，設(shè)計(jì)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(kāi)始實(shí)施小班教學(xué)實(shí)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(jì)

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(shí)施原理在圖1中進(jìn)行了簡(jiǎn)要展示。

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(guò)學(xué)習(xí)者基于SPOC自主在線學(xué)習(xí)、掌握基本知識(shí)以后，然后再由教師在課堂面授環(huán)節(jié)針對(duì)普遍的重難點(diǎn)內(nèi)容，以及學(xué)習(xí)過(guò)程中出現(xiàn)的各種個(gè)性化疑難問(wèn)題進(jìn)行釋疑解答，從而增強(qiáng)學(xué)習(xí)者對(duì)基本知識(shí)、基本原理和基本方法更深入的理解，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)習(xí)者進(jìn)一步思考問(wèn)題、探索前沿知識(shí)，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(duì)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(jìn)行SPOC在線同步開(kāi)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(cè)試題等。

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

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

2.學(xué)習(xí)者層面

提前登錄SPOC平臺(tái)進(jìn)行課程選課注冊(cè)，開(kāi)課后再根據(jù)教師的進(jìn)度安排，結(jié)合課程資源如課程視頻和PPT課件，進(jìn)行特定章節(jié)內(nèi)容的在線自主學(xué)習(xí)。在學(xué)習(xí)過(guò)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(shí)點(diǎn)，記錄并整理疑難問(wèn)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(shí)間進(jìn)行主動(dòng)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(gè)層面的學(xué)習(xí)：①認(rèn)真傾聽(tīng)教師針對(duì)普遍性重難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行的專(zhuān)項(xiàng)講授；②向教師提出自己記錄的個(gè)性化問(wèn)題；③積極參加教師設(shè)計(jì)的課堂研討，落實(shí)組內(nèi)的互動(dòng)和組間互動(dòng)，認(rèn)真傾聽(tīng)、思考、發(fā)言。通過(guò)研討，讓不同的理解互相交流，讓不同的思考發(fā)生碰撞，強(qiáng)化學(xué)習(xí)效果。

三、《計(jì)算機(jī)組成原理》教學(xué)實(shí)踐

我校的《計(jì)算機(jī)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(kāi)始，該門(mén)課程已按照設(shè)計(jì)的小班混合式教學(xué)模型進(jìn)行了教學(xué)實(shí)施。

課程內(nèi)容包括6個(gè)教學(xué)單元[4]：①計(jì)算機(jī)系統(tǒng)化概述（計(jì)算機(jī)的基本概念、發(fā)展歷史、軟硬件體系架構(gòu)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的綜合性能評(píng)價(jià)）。②數(shù)據(jù)的表示、運(yùn)算與校驗(yàn)（定浮點(diǎn)數(shù)、字符，定浮點(diǎn)運(yùn)算，奇偶、海明和CRC等校驗(yàn)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(jì)方法）。④存儲(chǔ)子系統(tǒng)（半導(dǎo)體、磁、光存儲(chǔ)原理和器件，三級(jí)存儲(chǔ)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(pán)、顯示器件、打印機(jī)等外設(shè)原理）。

1.SPOC資源建設(shè)

為該課程的6個(gè)教學(xué)單元開(kāi)發(fā)的在線資源主要包括：161個(gè)視頻課件（MP4格式）、43個(gè)教學(xué)課件（PPT格式）、5套在線單元測(cè)試題（自動(dòng)評(píng)分）和2套期末考試試題（自動(dòng)閱卷），還包括面向課程內(nèi)容預(yù)設(shè)的問(wèn)題討論30余個(gè)。

《計(jì)算機(jī)組成原理》課程實(shí)施小班線上線下混合式教學(xué)，其所必需的SPOC開(kāi)設(shè)在高教社“愛(ài)課程（中國(guó)大學(xué)MOOC）”平臺(tái)，開(kāi)課具體情況如圖2、3所示。

在教學(xué)過(guò)程中，以每次課（固定兩學(xué)時(shí)）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(jìn)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(shí)間不能太長(zhǎng)或者太短，太長(zhǎng)學(xué)習(xí)者容易拖延學(xué)習(xí)，太短則會(huì)使學(xué)習(xí)者倉(cāng)促學(xué)習(xí)。因此，課程資源發(fā)布的時(shí)間提前量非常關(guān)鍵，無(wú)論太長(zhǎng)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(shí)數(shù)為56學(xué)時(shí)（不含實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)），每個(gè)教學(xué)周安排2次面授、每次2學(xué)時(shí)，即每周4學(xué)時(shí)。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(guò)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(guò)開(kāi)放式選課參與的課程學(xué)習(xí)，因此學(xué)生有可能來(lái)自不同學(xué)院、不同班級(jí)。為了有效組織課堂研討，按學(xué)號(hào)的關(guān)聯(lián)性把30名學(xué)生分成6個(gè)學(xué)習(xí)小組，每組民主選舉并設(shè)置1名組長(zhǎng)，負(fù)責(zé)主持組內(nèi)研討、匯總研討結(jié)果、撰寫(xiě)研討報(bào)告等。

在執(zhí)行每一次課堂面授時(shí)，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(jìn)行在線自主學(xué)習(xí)，但學(xué)習(xí)效果可能會(huì)千差萬(wàn)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(gè)性化、集約化課堂面授方式，按以下環(huán)節(jié)執(zhí)行：

（1）對(duì)個(gè)性化問(wèn)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(wèn)題，強(qiáng)化學(xué)生的學(xué)習(xí)。對(duì)A類(lèi)學(xué)習(xí)者提出的探索性問(wèn)題，這些問(wèn)題通常有深度且前沿，因此面向全體學(xué)生進(jìn)行解析（DA措施）；對(duì)B類(lèi)學(xué)習(xí)者提出的問(wèn)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(wèn)題則采用DA處理方式；對(duì)C類(lèi)學(xué)習(xí)者提出的對(duì)課程內(nèi)容理解方面的問(wèn)題，則通過(guò)師生問(wèn)題交互，引導(dǎo)、啟發(fā)學(xué)習(xí)者掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，并針對(duì)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(diǎn)集中解析。面授環(huán)節(jié)，先對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行個(gè)性化、針對(duì)性答疑、因材施教，解決學(xué)習(xí)者通過(guò)SPOC自主學(xué)習(xí)后的遺留問(wèn)題，從而強(qiáng)化學(xué)習(xí)者對(duì)課程內(nèi)容的理解和更深層次問(wèn)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(diǎn)內(nèi)容、實(shí)例等共性問(wèn)題，面向全體學(xué)生進(jìn)行內(nèi)容的集中強(qiáng)化講解，通過(guò)此方式使學(xué)生能查漏補(bǔ)缺，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生對(duì)基本知識(shí)特別是重難點(diǎn)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(wèn)題。

3.學(xué)生成績(jī)?cè)u(píng)定

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

其中SPOC部分的考核（總分50分）由在線單元測(cè)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(jì)算機(jī)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(guò)SPOC自主進(jìn)行知識(shí)的初步學(xué)習(xí)，然后在面授課堂結(jié)合教師的指導(dǎo)進(jìn)行強(qiáng)化學(xué)習(xí)，并對(duì)每個(gè)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)進(jìn)行量化評(píng)分，形成對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)。兩個(gè)環(huán)節(jié)雙管齊下、逐次推進(jìn)，使學(xué)生牢固掌握、理解基本知識(shí)，并進(jìn)行個(gè)性化問(wèn)題探索。

四、教學(xué)效果評(píng)估

到目前為止，本文設(shè)計(jì)的這種線上線下混合教學(xué)模型已經(jīng)在《計(jì)算組成原理》課程教學(xué)中實(shí)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(píng)。

為了評(píng)估混合式教學(xué)方案的實(shí)施效果[5]，課程教學(xué)組從師生互評(píng)的角度，包括學(xué)習(xí)者對(duì)教師的評(píng)價(jià)（5個(gè)指標(biāo)）和教師對(duì)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)（4個(gè)指標(biāo)）這兩個(gè)層面進(jìn)行了隨機(jī)抽樣，并對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了打分。表2從兩個(gè)層面（共9個(gè)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(xiàng)指標(biāo)得分情況。從表2中的指標(biāo)對(duì)比結(jié)果可以看到，學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)置、學(xué)習(xí)活動(dòng)指導(dǎo)、學(xué)生參與教學(xué)活動(dòng)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(duì)教學(xué)目標(biāo)設(shè)定、學(xué)習(xí)者參與教學(xué)活動(dòng)的效果等方面，混合模式的各項(xiàng)指標(biāo)得分最少也提高了3.24%以上。

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(jìn)行SPOC同步開(kāi)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(duì)性解答學(xué)生的疑難問(wèn)題并進(jìn)行重難點(diǎn)解析。自主SPOC學(xué)習(xí)和課堂面授這兩個(gè)環(huán)節(jié)相輔相成，學(xué)習(xí)者通過(guò)SPOC初步學(xué)習(xí)教學(xué)內(nèi)容，然后在面授環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)習(xí)效果進(jìn)行再?gòu)?qiáng)化，這是一種以學(xué)習(xí)者為中心、突出自主學(xué)習(xí)和個(gè)性化學(xué)習(xí)特色的新型教學(xué)模型。《計(jì)算機(jī)組成原理》的教學(xué)實(shí)施效果表明，這種線上線下混合式教學(xué)方式通?？梢愿纳平虒W(xué)效果、提升教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]郝興偉，張強(qiáng).翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)：經(jīng)驗(yàn)與趨勢(shì)[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2015（10）：65-67+48.

[2]陳婭冰，趙志豪.線上線下混合教學(xué)的便捷模式探討[J].教育現(xiàn)代化，2018，5（20）：121-123+130.

[3]孫曉琳，姜海鳴，李曉紅.SPOC混合教學(xué)模式校本應(yīng)用的探索與實(shí)踐——以《會(huì)計(jì)學(xué)》課程為例[J].中國(guó)教育信息化，2018（18）：38-41.

[4]紀(jì)祿平，羅克露，劉輝，張建.計(jì)算機(jī)組成原理（第4版）——面向?qū)嵺`能力培養(yǎng)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017.

[5]徐銘銘，房小紅，趙亞琴.高校翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建[J].中國(guó)林業(yè)教育，2018，36（5）：8-13.

（編輯：魯利瑞）