基于群體協(xié)作的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)踐考評(píng)促教

黃永剛， 王 娟， 劉 璐， 王殿欣

(北京理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京 100081)

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的廣泛普及，以及以云計(jì)算、人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等為代表的新技術(shù)的應(yīng)用，計(jì)算機(jī)科學(xué)正經(jīng)歷著深刻的變革。同時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)在經(jīng)濟(jì)、教育、文化、國(guó)防等各方面都起著越來(lái)越重要的作用。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的變革和廣泛使用，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)教育理論和方法已經(jīng)不能滿足新形勢(shì)下對(duì)計(jì)算機(jī)人才培養(yǎng)的要求。國(guó)際計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)( Association for Computing Machinery, ACM )的教學(xué)指導(dǎo)方案CE2016[1]將計(jì)算機(jī)專業(yè)的培養(yǎng)重點(diǎn)確立在“系統(tǒng)知識(shí)和系統(tǒng)能力”的培養(yǎng)。國(guó)內(nèi)外知名高校，如麻省理工、斯坦福、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等，近年來(lái)都積極地進(jìn)行了以“系統(tǒng)知識(shí)和系統(tǒng)能力”為培養(yǎng)導(dǎo)向的計(jì)算機(jī)教育改革[2-4]。

我校計(jì)算機(jī)硬件課程體系包含數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)，以及選修課嵌入式系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，配套的實(shí)踐課程包括匯編與接口課程設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)組成原理硬件實(shí)驗(yàn)。 其中匯編與接口課程設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)組成原理硬件實(shí)驗(yàn)統(tǒng)一安排在第六學(xué)期與第七學(xué)期之間的短學(xué)期集中2周完成。每年參與的學(xué)生約 300 人左右，為計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)兩個(gè)專業(yè)的實(shí)踐必修課。

在以“系統(tǒng)知識(shí)和系統(tǒng)能力”的培養(yǎng)為導(dǎo)向的計(jì)算機(jī)教育改革中，如何對(duì)現(xiàn)有的硬件實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行改革[5-9]，以高效地幫助學(xué)生提升計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)能力以及對(duì)其計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)能力進(jìn)行高效客觀地評(píng)估，從而全面提升實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，是計(jì)算機(jī)硬件實(shí)踐課程急需解決的問(wèn)題。

1 現(xiàn)有計(jì)算機(jī)硬件實(shí)踐課程存在的問(wèn)題

在我?，F(xiàn)有的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)踐課程中，對(duì)學(xué)生實(shí)踐結(jié)果的評(píng)價(jià)，一般采用現(xiàn)場(chǎng)演示的方式對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行檢查。同時(shí)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)答的方式來(lái)考察其對(duì)實(shí)踐過(guò)程涉及到的知識(shí)點(diǎn)的掌握程度。這種現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)答的方式存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

(1) 未結(jié)合“系統(tǒng)知識(shí)和系統(tǒng)能力”的培養(yǎng)導(dǎo)向。教師在驗(yàn)收時(shí)的提問(wèn)不具有系統(tǒng)性，沒(méi)有結(jié)合“系統(tǒng)知識(shí)和系統(tǒng)能力”的培養(yǎng)導(dǎo)向，因而難以支持以“系統(tǒng)知識(shí)和系統(tǒng)能力”的培養(yǎng)為導(dǎo)向的教學(xué)改革。

(2) 未能對(duì)學(xué)生的能力點(diǎn)進(jìn)行全面的考察，且不夠客觀。教師在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收時(shí)的提問(wèn)，比較有隨機(jī)性，很難結(jié)合學(xué)生的能力欠缺點(diǎn)；由于驗(yàn)收時(shí)間有限，考察的問(wèn)題一般是2～3個(gè)，考察不全面；驗(yàn)收時(shí)由多個(gè)老師同時(shí)進(jìn)行驗(yàn)收，老師之間的考察標(biāo)準(zhǔn)難以達(dá)到嚴(yán)格一致。

(3) 未對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行分析，難以為先導(dǎo)課程優(yōu)化教學(xué)策略提供支持?，F(xiàn)場(chǎng)問(wèn)答的方式未能對(duì)提問(wèn)和回答進(jìn)行有效記錄，因而難以對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而得到先導(dǎo)課程數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)中的教學(xué)薄弱環(huán)節(jié)，難以為先導(dǎo)課程的教學(xué)優(yōu)化提供支持。

2 基于群體協(xié)作的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)踐考評(píng)促教

針對(duì)現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)踐基于現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)答的知識(shí)點(diǎn)考察方法的不足，提出了基于群體協(xié)作的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)踐考評(píng)促教方法(見(jiàn)圖1),其主要內(nèi)容包括：基于群體協(xié)作的題庫(kù)建立機(jī)制；基于布盧姆模型[10-12]的試題評(píng)估和成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)機(jī)制；基于綜合評(píng)價(jià)分析的教學(xué)策略優(yōu)化機(jī)制；在以上內(nèi)容的研究與實(shí)踐過(guò)程中，形成面向計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)能力培養(yǎng)的題庫(kù)。

圖1 基于群體協(xié)作的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)踐考評(píng)促教

2.1 基于群體協(xié)作的題庫(kù)建立機(jī)制

基于群體協(xié)作的題庫(kù)建立機(jī)制通過(guò)調(diào)動(dòng)學(xué)生群體的積極性，讓其參與到題庫(kù)建立中來(lái)。一方面，通過(guò)這種方式建立的題庫(kù)可以反映學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到的問(wèn)題；另外一方面，這種方式可以更高效地建立大規(guī)模的題庫(kù)。

如圖2所示，基于群體協(xié)作的題庫(kù)建立機(jī)制通過(guò)“學(xué)生群體出題—學(xué)生交叉檢查—學(xué)生測(cè)試—教師審核—入庫(kù)”的流程來(lái)建設(shè)大規(guī)模高質(zhì)量的題庫(kù)。具體為：①學(xué)生群體出題。首先建立統(tǒng)一的題目模板和題目生成工具，包括選擇題，填空題，判斷題等多種客觀題型；然后，將模板和工具分發(fā)給學(xué)生，學(xué)生根據(jù)自己學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到的難點(diǎn)和對(duì)課程的理解來(lái)生成考核題目；考核題目將以標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行封裝，以利用分享和入庫(kù)。②學(xué)生交叉檢查。該步的目標(biāo)是保證試題質(zhì)量。通過(guò)統(tǒng)一的交叉檢查工具，在學(xué)生間進(jìn)行交叉檢查，從而初步淘汰不合格的題目。③學(xué)生測(cè)試。該步的目標(biāo)是保證試題的區(qū)分度。通過(guò)將試題在學(xué)生間進(jìn)行初步測(cè)試，去掉難度很高、難度很低、以及區(qū)分度很低的題目。④教師審核。通過(guò)教師的審核，進(jìn)一步保證試題的質(zhì)量和區(qū)分度；⑤入庫(kù)。將題目按照標(biāo)準(zhǔn)格式放入試題庫(kù)中。

圖2 基于群體協(xié)作的題庫(kù)建立

2.2 基于布盧姆模型的試題評(píng)估及成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)

針對(duì)傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)答方式“不具有系統(tǒng)性，沒(méi)有結(jié)合系統(tǒng)知識(shí)和系統(tǒng)能力的培養(yǎng)導(dǎo)向”的問(wèn)題，提出了基于布盧姆模型的試題評(píng)估及成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)方法。

(1) 試題評(píng)估。針對(duì)“系統(tǒng)知識(shí)和系統(tǒng)能力”的培養(yǎng)導(dǎo)向，結(jié)合計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)若干計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)問(wèn)題。針對(duì)不同的系統(tǒng)問(wèn)題，建立能力點(diǎn)映射關(guān)系表，同時(shí)，結(jié)合布盧姆的認(rèn)知過(guò)程模型，即“記憶、理解、應(yīng)用、分析、評(píng)價(jià)、創(chuàng)造”，將對(duì)應(yīng)的試題歸類到能力點(diǎn)認(rèn)知階段。上述對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

圖3 “系統(tǒng)問(wèn)題-能力點(diǎn)-試題”的對(duì)應(yīng)關(guān)系

以系統(tǒng)問(wèn)題“無(wú)內(nèi)部互鎖流水級(jí)的微處理器Microprocessor without Interlocked Piped Stages(MIPS) 指令系統(tǒng)”為例，其涉及到的能力點(diǎn)有：①M(fèi)IPS 體系結(jié)構(gòu)；②MIPS 指令格式；③MIPS 匯編語(yǔ)言與機(jī)器語(yǔ)言之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；④MIPS指令尋址方式；⑤MIPS 匯編模擬器使用；⑥MIPS匯編程序設(shè)計(jì)(排序)。針對(duì)②MIPS 指令格式的試題及布盧姆的認(rèn)知過(guò)程如表1所示。

表1 能力點(diǎn)-試題-布盧姆認(rèn)知過(guò)程的對(duì)應(yīng)關(guān)系示例

(2) 成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)。在以“系統(tǒng)知識(shí)和系統(tǒng)能力”的培養(yǎng)為導(dǎo)向的計(jì)算機(jī)硬件教育改革中，教學(xué)目標(biāo)是計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)能力。同時(shí)，試題評(píng)估也是圍繞計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的。因此，在考試時(shí)，可以圍繞計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力及其需要達(dá)成的認(rèn)知階段，隨機(jī)生成符合考察要求的試卷。這種方式既提高了出題效率，也保證了出題質(zhì)量。

在學(xué)生試卷完成后，除了和傳統(tǒng)考試一樣給出總分?jǐn)?shù)，還能給出相應(yīng)的基于布盧姆模型的能力點(diǎn)得分，讓學(xué)生了解自己的能力不足點(diǎn)，為其進(jìn)一步提高提供參考。這種成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)機(jī)制以“系統(tǒng)知識(shí)和系統(tǒng)能力”的培養(yǎng)為導(dǎo)向，更全面地反映了學(xué)生硬件系統(tǒng)能力。

2.3 研究基于綜合評(píng)價(jià)分析的教學(xué)策略優(yōu)化機(jī)制

通過(guò)對(duì)所有學(xué)生的成績(jī)進(jìn)行綜合分析，計(jì)算出每個(gè)能力點(diǎn)不同認(rèn)知過(guò)程的達(dá)成度。達(dá)成度計(jì)算式為：

(1)

式中：p(t,Z)為在能力點(diǎn)t，認(rèn)知過(guò)程為Z(Z=1～6，分別代表記憶、理解、應(yīng)用、分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造)上的達(dá)成度；N為在能力點(diǎn)t，認(rèn)知過(guò)程為Z上的題目完成數(shù)目，si(t,Z)為第i個(gè)完成題目的分?jǐn)?shù)(采用百分制)。

通過(guò)能力點(diǎn)達(dá)成度和教學(xué)大綱要求作比較， 對(duì)完成度較低的能力點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)分析， 為先導(dǎo)課程的教學(xué)策略優(yōu)化提供支持。

3 建設(shè)成效

在基于群體協(xié)作的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)踐考評(píng)促教中，建立了面向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的硬件實(shí)踐題庫(kù)，開發(fā)了相關(guān)的模板和工具。

在建立的題庫(kù)上，已經(jīng)組織1屆學(xué)生約300人進(jìn)行了硬件實(shí)踐測(cè)試，學(xué)生反映良好。基于測(cè)試結(jié)果，進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)分析，表2所示為能力點(diǎn)達(dá)成度的示例。

表2 能力點(diǎn)達(dá)成度示例

從表2可以看出，能力點(diǎn)“④ MIPS指令尋址方式的分析”在以后的教學(xué)中需要提高。圖4所示為題目的模板和硬件實(shí)踐題庫(kù)的截圖。

圖4 題目模板和題庫(kù)

4 結(jié) 語(yǔ)

提出了基于群體協(xié)作的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)踐考評(píng)促教方法:①通過(guò)基于群體協(xié)作的題庫(kù)建立機(jī)制來(lái)建立題庫(kù)；②基于布盧姆模型來(lái)進(jìn)行試題評(píng)估和成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)；③通過(guò)綜合評(píng)價(jià)分析，為先導(dǎo)課程的教學(xué)策略優(yōu)化提供支持。在該方法的研究與實(shí)踐過(guò)程中，建立了面向計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)能力培養(yǎng)的題庫(kù)。用該題庫(kù)測(cè)試表明,本文方法可以對(duì)學(xué)生的硬件系統(tǒng)能力進(jìn)行更全面的評(píng)估，同時(shí)能為先導(dǎo)課程的教學(xué)優(yōu)化提供支持，從而提高學(xué)生計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。下一步工作包括：①完善和修正題庫(kù)，提供大規(guī)模高質(zhì)量的面向計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)能力培養(yǎng)的題庫(kù)；②進(jìn)行更深入的綜合評(píng)價(jià)分析，以更好地對(duì)學(xué)生的系統(tǒng)能力進(jìn)行評(píng)估，和為先導(dǎo)課程提供更好的優(yōu)化策略。實(shí)踐表明,基于群體協(xié)作的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)踐考評(píng)促教方法面向以“系統(tǒng)知識(shí)和系統(tǒng)能力”為培養(yǎng)導(dǎo)向的計(jì)算機(jī)教育改革，有利于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量[13-14]，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才[15-16]。