計算機組成原理混合式金課的探索與實踐

宋會英,祁 鑫,崔 浩

(中國石油大學勝利學院 基礎(chǔ)科學學院,山東 東營 257000)

一、“金課”建設(shè)的背景

2018年6月21日,教育部部長陳寶生在成都表示,對大學生要合理“增負”,提升大學生的學業(yè)挑戰(zhàn)度,合理增加大學本科課程難度、拓展課程深度、擴大課程的可選擇性,激發(fā)學生的學習動力和專業(yè)志趣,真正把“水課”變成有深度、有難度、有挑戰(zhàn)度的“金課”[1]。2018年11月24日至25日,在廣州召開的第十一屆“中國大學教學論壇”上,教育部高教司司長吳巖描述了評價金課的“兩性一度”標準,即“高階性”“創(chuàng)新性”和“挑戰(zhàn)度”?！案唠A性”指的是通過知識、能力、素質(zhì)的有機融合,培養(yǎng)學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維。“創(chuàng)新性”是指課程內(nèi)容能反映前沿性和時代性,教學形式呈現(xiàn)先進性和互動性,學習結(jié)果具有探究性和個性化?！疤魬?zhàn)度”是指課程有一定難度,需要跳一跳才能夠得著,對老師備課和學生課下有較高要求[2]。2000年,Maureen Lage等人[3]發(fā)表了題為“Inverting the Classroom: A Gateway to Creating an Inclusive Learning Environment”的論文,該文介紹了美國邁阿密大學在“經(jīng)濟學入門”課程中采用的線上線下混合式教學模式以及取得的效果。同年,J. Wesley Baker[4]在第11屆大學教學國際會議上發(fā)表了題為 “The classroom flip: using web course management tools to become the guide by the side”的論文。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與普及,線上線下混合式教學逐漸被學生和教師接受并在全世界傳播開來。尤其是計算機相關(guān)專業(yè),新知識、新技術(shù)、新應用層出不窮,培養(yǎng)學生自主學習的能力和團隊協(xié)作精神尤為重要。鑒于此,在計算機組成原理課程的建設(shè)過程中,線上采用SPOC(Small Private Online Course)小規(guī)模限制性在線課程,線下采用翻轉(zhuǎn)課堂教學模式進行線上線下混合式金課的探索與實踐。

二、計算機組成原理混合式“金課”建設(shè)的設(shè)計思路

以提高教學質(zhì)量,培養(yǎng)應用型創(chuàng)新人才為目標,根據(jù)評價金課的“兩性一度”標準,以“二三四”研究性教學模式為支撐點,以問題解決過程為主線,以基于學生課前自主、討論式的體驗學習、課堂開放性交流教學為手段,多維度評價系統(tǒng)為檢驗標準,全面探索與實踐計算機組成原理金課的建設(shè)。

其中,“二三四”研究性教學模式是指:倡導二種學習體驗,即學生課前自主及討論式的體驗學習、課堂師生的開放性交流;堅持三信激勵原則,即相信學生、培養(yǎng)學生的自信、讓學生有信心一直努力,認為努力有用;注重四個教學轉(zhuǎn)變,即以教材知識點為主線轉(zhuǎn)變?yōu)橐詥栴}解決過程為主線,以知識為導向轉(zhuǎn)變?yōu)橐阅芰閷?以強調(diào)教師教什么轉(zhuǎn)變?yōu)閺娬{(diào)學生學到什么、做出什么、還能做出什么,以單一試卷考試轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑S度評價。課程建設(shè)基本框架如圖1所示。

圖1 課程建設(shè)基本框架

三、計算機組成原理“金課”建設(shè)的實踐

混合式教學將課堂面授教學與網(wǎng)絡(luò)多媒體教學有機地融合在一起。課堂面授采用翻轉(zhuǎn)課堂模式,教師提供微視頻為主要形式的教學資源,學生課前完成對線上教學資源的學習及相關(guān)練習,對練習中遇到的問題進行小組討論,帶著問題走進課堂,在課堂上通過教師的引導進行再討論,同學之間、師生之間的相互交流有助于促進知識的吸收內(nèi)化和加深理解,有助于學習能力的提高。

計算機組成原理混合式教學模式表面上顛覆了傳統(tǒng)課堂教學“先教后學,以教導學”框架,實質(zhì)上卻是在根本的教學思維方式層面實現(xiàn)轉(zhuǎn)變,注重三個中心的轉(zhuǎn)變:由以灌輸式教學為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐浴爸鲃芋w驗學習”為中心;由以知識點為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐浴皢栴}導向”為中心;由以教師講授為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐浴皫熒印睘橹行摹?/p>

(一)以問題為導向的SPOC線上“金課”的建設(shè)

計算機組成原理課程由傳統(tǒng)的“知識點講解型”向“問題導向型”轉(zhuǎn)變,由傳統(tǒng)的“灌輸型”教學向課前“主動體驗學習”轉(zhuǎn)變,在學習過程中,以實際問題的解決過程為主線,帶動知識點的融匯貫通,學以致用,做到理論與實踐的有機結(jié)合。

線上微視頻以實際問題及其解決過程為主線,把學生感覺枯燥、乏味的知識點與生活中每個熱議的話題結(jié)合起來,有效地激發(fā)學生的興趣。例如,在講到計算機中“數(shù)據(jù)的表示”相關(guān)知識點時,提出的實際問題是:在計算機中如何表示“港珠澳大橋全長55 km,它是世界上總體跨度最長的跨海大橋嗎?是”。通過分析要解決的實際問題,進一步把問題細化為:(1) 漢字在計算機中如何表示?(2) 字母在計算機中如何表示?(3)是、否這樣的邏輯值在計算機中如何表示? (4)十進制的數(shù)值55在計算機中如何表示?-55在計算機中如何表示?計算機中表示的最大整數(shù)是多少?最小整數(shù)是多少?進一步引申出的問題:(5)+55.0、-55.0、+5.5、-5.5在計算機中分別如何表示? (6)+0.55×102、-0.55×102在計算機中如何表示?這種形式表示數(shù)據(jù)的小數(shù)點位置可以任意移動嗎?(7)浮點數(shù)的表示有國際標準嗎?(8)計算機中表示的最大小數(shù)、最小小數(shù)若超出這個范圍怎么辦?每個微視頻回答1～2個問題,知識點融入到實際問題中,在實際問題的解決過程中掌握枯燥的理論知識。

在微視頻的最后給出針對相關(guān)知識點的練習,需要學生課下自己動手、上網(wǎng)查閱資料、小組討論,然后帶著問題走進課堂。

(二)采用翻轉(zhuǎn)課堂的線下“金課”的建設(shè)

翻轉(zhuǎn)課堂教學模式采用“教師制作課件,學生自學答題,根據(jù)反饋二次備課,開展課堂教學”的四段式教學模型,教師通過云平臺及時獲取反饋并進行二次備課,能夠更精準地進行課堂輔導,使因材施教的個性化智慧教學逐漸成為現(xiàn)實。

線下“金課”以課堂教學為主陣地,計算機組成原理采用翻轉(zhuǎn)課堂教學模式。將教學的中心視點從知識轉(zhuǎn)向能力,關(guān)注利用信息技術(shù)構(gòu)建,促使學生自主學習能力、問題解決能力、創(chuàng)新能力等得到全面提升的學習環(huán)境。

學生課前通過對微視頻的學習和反思、對課前練習中遇到的問題進行小組討論,帶著問題走進課堂。在課堂上,通過教師的引導進行再討論,同學之間、師生之間的相互交流有助于促進知識的吸收內(nèi)化和加深理解,有助于學習能力的提高。

為了實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂,課前練習要精雕細琢,既要讓學生通過觀看視頻能夠完成練習,還要留出思考、提問的空間,還要讓他們通過練習發(fā)現(xiàn)問題,提出問題。教師根據(jù)學生完成練習的提交情況、出錯率、出錯點等進行二次備課,課堂上針對學生提出的問題,先引導學生討論,而不是急于解答。當在教師的引導下,學生得出初步解決方案后,教師再啟發(fā)學生提出相近、相反的問題進行課堂討論,引導學生進行發(fā)散思維,升華對知識的理解和內(nèi)化。

由此可見,翻轉(zhuǎn)課堂是以學生的“學”為中心的教學,翻轉(zhuǎn)課堂的教學內(nèi)容由預設(shè)轉(zhuǎn)向生成。在翻轉(zhuǎn)課堂教學中,師生圍繞問題展開探究與多重對話,教學內(nèi)容不再是教師提前預設(shè)好的,而是根據(jù)學生學習的情況和問題解決過程而逐步建構(gòu)的。

(三)智慧教學工具助力“金課”建設(shè)

實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂的前提條件是學生課前進行自主學習,帶著問題進入課堂,因此,教師在上課前必須清楚學生對所學內(nèi)容的掌握情況、存在的問題,才能進行更精準的輔導,做到有的放矢,因材施教,進行基于證據(jù)的個性化教學。

傳統(tǒng)教學模式下,教師要收集學生學習情況的數(shù)據(jù)比較困難,教師依靠個人的教學經(jīng)驗組織課堂教學并對學生的學習情況進行判斷。目前,隨著移動設(shè)備的普及、云存儲及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的突破,出現(xiàn)了藍墨云班課、雨課堂、微助教等智慧教學工具,這些工具在課前預習與課堂教學間建立起溝通的橋梁,科學地覆蓋了課前-課上-課后的每一個教學環(huán)節(jié),為師生提供完整立體的數(shù)據(jù)支持、個性化報表等。

計算機組成原理采用藍墨云班課輔助教學,每個授課班建立一個云課堂。教師將微視頻、習題、課件等需要學生課前完成的學習內(nèi)容提前發(fā)布到云班課,學生可以根據(jù)自己的時間進行視頻學習和完成練習,每個學生有自己個性化的時間表。

課前,根據(jù)圖2所示的課前練習正確率統(tǒng)計,教師進一步查看大部分同學錯在哪里,分析出錯的原因,然后進行二次備課,準備好相關(guān)知識點的討論、啟發(fā)、引導的內(nèi)容及討論后的課堂練習;課堂上,教師組織討論學生提出的問題,把二次備課準備的內(nèi)容與學生提出的問題有機地融合在一起,有效地組織課堂教學。

圖2 課前練習正確率統(tǒng)計

(四)實踐教學體系

針對計算機類學生存在實踐能力弱、所學知識與實際脫節(jié)的問題[7],課程組構(gòu)建圖3所示的計算機組成原理新的實踐教學體系,旨在強化實踐教學,培養(yǎng)學生的實踐技能、社會實踐能力及初步的創(chuàng)新能力。

圖3 立體化實踐教學體系

該實踐教學體系在遵循學生學習客觀規(guī)律的前提下,首先以理論指導+專業(yè)實驗室+仿真平臺為基礎(chǔ),然后通過社會實踐了解各組成部分的現(xiàn)狀,實操考核訓練、提高操作技能,開放實驗滿足個性化需求,再通過整機組裝、仿真設(shè)計增強學生綜合運用所學知識、技能以及初步的創(chuàng)新能力。這種由表及里、由部分到整體、由驗證到設(shè)計的實踐教學體系,以期達到基礎(chǔ)扎實、技能熟練、綜合、創(chuàng)新能力強的實踐教學效果。

四、多維度評價系統(tǒng)

計算機組成原理“金課”的多維度評價系統(tǒng)以學生為中心、以成果為導向、持續(xù)不斷地改進。在教學過程中不是注重“教師教了什么”,而是注重“學生學到什么,做出什么,還能做出什么”。

(一)學習過程評價

學習過程評價既是對學生學到什么、學生交流溝通能力的評價,更是促使學生持續(xù)不斷努力的措施。學生每次課前練習的提交情況、正確率情況、課堂討論的發(fā)言情況、課堂練習的情況、課后作業(yè)情況都是學習過程的評價依據(jù)。

(二)實踐結(jié)果評價

實踐結(jié)果評價是對學生做出什么、理論聯(lián)系實際能力的評價。計算機組成原理主要通過以下兩方面進行實踐結(jié)果的評價。

1.實驗考核

計算機組成原理共需要完成八個基礎(chǔ)實驗,為了訓練學生的實踐技能,杜絕偷懶現(xiàn)象,進行期中、期末兩次抽簽測驗,每次考核四個實驗。每個學生進入實驗室后抽簽決定自己的實驗內(nèi)容,平時2課時的實驗要在1學時內(nèi)完成。這就要求學生對每個實驗的連線、開關(guān)設(shè)置、需要記錄的數(shù)據(jù)及其意義非常熟悉,操作熟練。

為了能順利通過測驗,在開放實驗室里,在主動探索、主動思考、主動實踐、相互交流的環(huán)境中,每個學生像“科學家”一樣在探究過程中獲取知識、訓練技能、培養(yǎng)能力。采用該考核方式后,學生的操作技能、熟練程度、理論聯(lián)系實際的能力顯著提高。

2.社會實踐

計算機自1946年問世至今已有70多年,新技術(shù)、新器件日新月異,但是,其仍一直遵循馮·諾依曼1945年提出的存儲程序和程序控制計算機基本工作原理。為了達到理論聯(lián)系實際的目的,每個小組通過到計算機實體店、網(wǎng)上銷售店及上網(wǎng)查閱資料,推薦出三款計算機:年輕人用于玩游戲的計算機,程序員用于編程的計算機,用于上網(wǎng)瀏覽網(wǎng)頁、觀看視頻的家庭用計算機。對于每款計算機給出推薦的理由,介紹整機的型號、性能以及各組成部分的型號和性能。每個人需要提交調(diào)研文檔,每個小組要制作幻燈片,以演講方式介紹所推薦的計算機。通過該項實踐活動,使學生在學習課程之初就對計算機的組成及其性能指標有總體的掌握,有利于后續(xù)抽象理論知識的學習與理解。

(三)再學習能力評價

再學習能力評價是對學生還能做出什么、綜合運用所學知識的評價。在社會實踐中研究的是已經(jīng)組裝好的計算機,重點考慮各部件的型號及其性能,不需要考慮兼容性問題,而組裝一臺計算機的實踐,除了需要考慮各組成部分本身的性能外,還要考慮各部分之間的兼容性,是對所學知識的綜合運用。

在計算機組成原理的學習過程中,每學一個組成部分,學生就要查找該部件目前的發(fā)展現(xiàn)狀,了解部件的常用型號及性能,選擇自己欲購買的某一型號,在選擇的過程中要考慮整機組裝的兼容性,以期末大作業(yè)的形式提交“計算機組裝方案”。

五、結(jié)語

在計算機組成原理“金課”的建設(shè)過程中,通過對課程建設(shè)流程的不斷優(yōu)化和經(jīng)驗的持續(xù)積累,提出“二三四”研究性教學模式。目前,“二三四”研究性教學模式已應用于c語言程序設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、軟件工程課程的教學過程中,并取得了顯著效果。隨著各課程建設(shè)的不斷深入,將不斷豐富和完善“二三四”研究性教學模式,為計算機類課程的建設(shè)提供更多樣化的教學思路,亦將會為其他金課的建設(shè)提供更多可借鑒的經(jīng)驗。