《計(jì)算機(jī)組成原理》硬件實(shí)驗(yàn)線上線下混合教學(xué)模式探討

張海英

摘要：作為計(jì)算機(jī)以及相關(guān)專業(yè)的主修專業(yè)課程，《計(jì)算機(jī)組成原理》的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，目前廣泛采用線下方式。即：利用開發(fā)箱，學(xué)生通過動(dòng)手布線，完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。但是，受限于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和實(shí)驗(yàn)箱等硬件條件，實(shí)驗(yàn)的過程控制不具有連貫性，實(shí)驗(yàn)效果不夠理想?；谲浖こ虒I(yè)認(rèn)證以產(chǎn)出為導(dǎo)向，以學(xué)生為中心的理念，建立線下實(shí)體平臺(tái)與線上虛擬平臺(tái)的混合教學(xué)模式顯得尤為迫切和必要。本文探討了線上與線下混合硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的總體架構(gòu)和設(shè)計(jì)方案。通過這種混合教學(xué)模式的開展，可以完善過程控制，提升學(xué)生對(duì)于整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的操控能力。方式靈活，能夠更為充分地支撐理論授課。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)組成原理;硬件虛擬仿真平臺(tái);線上線下混合實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）23-0103-02

1 引言

《計(jì)算機(jī)組成原理》是計(jì)算機(jī)及其相關(guān)專業(yè)的專業(yè)必修課程，同時(shí)也是研究生入學(xué)考試的必考科目。對(duì)于該門課程的教學(xué)改革，目前存在很多的改革思路和成果。如針對(duì)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的：翻轉(zhuǎn)課堂[1]，慕課MOOC[2]，SPOC微課[3]以及各種混合式教學(xué)改革方案[4][5]。除了針對(duì)理論教學(xué)的改革，教學(xué)工作者也陸續(xù)提出了一些針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革方案。大致可以劃分為針對(duì)體系改革[6][7]以及針對(duì)硬件虛擬平臺(tái)設(shè)計(jì)[8-11]幾個(gè)方面的工作。與較為集中和充分的理論教學(xué)改革比較，針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的研究與探討工作尚不夠充分和完善。

分析已有的建設(shè)思路和方案，我們發(fā)現(xiàn)，從功能角度而言，沒有提供實(shí)驗(yàn)前和實(shí)驗(yàn)后的過程控制，不能支持學(xué)生實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)后的復(fù)習(xí)功能。從完整性而言，沒有實(shí)現(xiàn)線上建設(shè)和線下平臺(tái)的結(jié)合;從用戶角色劃分上，主要以學(xué)生為主要角色，沒有提供教師角色，因而無法支持教師的測(cè)評(píng)環(huán)節(jié)。此外，從實(shí)現(xiàn)層面看，平臺(tái)的完整性和擴(kuò)展性較差。可見，對(duì)于線上和線下混合硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究尚存在較大的空間。

廈門大學(xué)軟件工程專業(yè)于2018年通過了工程教育認(rèn)證，按照“以學(xué)生為中心”“產(chǎn)出導(dǎo)向”“持續(xù)改進(jìn)”的基本理念，我們提出線上線下的混合硬件教學(xué)模式。線上教學(xué)主要基于虛擬硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生和教師以不同角色登錄平臺(tái)，有針對(duì)性地完成相應(yīng)的任務(wù)。線下教學(xué)則基于原有的實(shí)驗(yàn)開發(fā)箱，進(jìn)行實(shí)際操作。通過線上與線下的結(jié)合，使得實(shí)驗(yàn)前，實(shí)驗(yàn)中和實(shí)驗(yàn)后，都能夠體現(xiàn)以學(xué)生為本的主旨。同時(shí)，虛擬平臺(tái)的結(jié)合，提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的自動(dòng)化程度，降低了對(duì)于硬件環(huán)境的依賴，具有更大的靈活性和可擴(kuò)展性。

2 線上與線下混合硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)總體架構(gòu)

與其他課程相比，《計(jì)算機(jī)組成原理》課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)具有下述特點(diǎn)：

1） 不僅需要個(gè)人電腦，還需要線下實(shí)際的開發(fā)平臺(tái);

2） 學(xué)生通過現(xiàn)場(chǎng)布線完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，對(duì)于實(shí)際操作能力要求較高。

隨之帶來下述問題：

1） 實(shí)驗(yàn)環(huán)境以現(xiàn)場(chǎng)為主，無法支持學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)，以及演示和驗(yàn)證等工作;

2） 實(shí)驗(yàn)報(bào)告等需要離線提交，學(xué)生只能根據(jù)實(shí)驗(yàn)回憶進(jìn)行整理;

3） 受到實(shí)際開發(fā)箱的限制，通常需要分小組分輪次進(jìn)行，既耗時(shí)，又無法實(shí)現(xiàn)對(duì)于學(xué)生個(gè)體能力的考核。

針對(duì)上述問題，圍繞實(shí)驗(yàn)流程，我們給出線上線下混合硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)的總體架構(gòu)，如圖1所示。

如圖1所示，左側(cè)流程為原有的線下硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，右側(cè)則為改革后，線上線下的混合教學(xué)模式。具體如下：

1） 將原有的實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)工作轉(zhuǎn)移到線上。在線上預(yù)習(xí)模塊，學(xué)生可以針對(duì)上傳的實(shí)驗(yàn)手冊(cè)和實(shí)驗(yàn)演示進(jìn)行充分的課前預(yù)習(xí)。為了保證預(yù)習(xí)效果，平臺(tái)設(shè)置有預(yù)習(xí)打卡機(jī)制。

2） 維持原有的實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)場(chǎng)布線環(huán)節(jié)。此外，為了強(qiáng)化現(xiàn)場(chǎng)操作環(huán)節(jié)，在進(jìn)行實(shí)際操作時(shí)，我們給出如下的限制條件：

① 由于已經(jīng)設(shè)置了預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，因而，現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)，學(xué)生不能夠再查看實(shí)驗(yàn)演示和說明手冊(cè)，只能看到具體的實(shí)驗(yàn)任務(wù)和要求。

② 單人單機(jī)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜程度，控制時(shí)間在60分鐘之內(nèi)完成。

③ 完成實(shí)驗(yàn)后，教師或者助教現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)，并將布線情況拍照上傳到虛擬平臺(tái)，作為記錄;

④ 為了考查學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)的理解程度，學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后，還需要利用線上平臺(tái)提供的問題列表，隨機(jī)選擇問題，回答并提交到虛擬平臺(tái)。

3） 對(duì)于實(shí)驗(yàn)后需要完成的報(bào)告撰寫和綜合測(cè)試環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)移到線上虛擬平臺(tái)。學(xué)生可以進(jìn)行報(bào)告的自動(dòng)生成，包括現(xiàn)場(chǎng)問題回答的情況。教師則根據(jù)預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，線下布線檢驗(yàn)的結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫的質(zhì)量等進(jìn)行線上的綜合測(cè)評(píng)，給出最終的實(shí)驗(yàn)成績(jī)。

3 線上線下虛擬仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

針對(duì)前述的分析，我們給出線上虛擬平臺(tái)的總體功能設(shè)計(jì)，如圖2所示。

如圖2所示，《計(jì)算機(jī)組成原理》硬件實(shí)驗(yàn)虛擬平臺(tái)總共分為6個(gè)模塊。

1） 用戶登錄界面：根據(jù)需求分析，設(shè)置學(xué)生和教師兩種用戶角色。

2） 實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)模塊：主要用于實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)，提供電子版本的實(shí)驗(yàn)手冊(cè)供學(xué)生預(yù)習(xí)和準(zhǔn)備;此外，還可以提供實(shí)驗(yàn)演示。

3） 實(shí)驗(yàn)布線模塊：此部分針對(duì)實(shí)際操作的布線環(huán)節(jié)。提供實(shí)驗(yàn)布線，以及布線過程中出錯(cuò)后的及時(shí)清除，布線結(jié)束后的線路校驗(yàn)環(huán)節(jié)。

4） 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目模塊：根據(jù)課程需要，設(shè)置5個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。分別是：運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、總線、微程序控制器以及模型機(jī)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以根據(jù)實(shí)際需要擴(kuò)充。

5） 實(shí)驗(yàn)結(jié)果模塊：支持現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的提交，實(shí)驗(yàn)問答，報(bào)告的自動(dòng)生成以及教師測(cè)評(píng)等功能。

6） 管理員模塊：主要進(jìn)行平臺(tái)維護(hù)以及用戶權(quán)限管理等。

為了評(píng)價(jià)我們的改革思路的有效性，我們從幾個(gè)角度進(jìn)行了改革前后兩種模式的比較，如表1所示：學(xué)生通過線上平臺(tái)可以進(jìn)行充分的預(yù)習(xí)工作，因而，線下實(shí)驗(yàn)布線的時(shí)間會(huì)大大縮減;同時(shí)，所有的數(shù)據(jù)（預(yù)習(xí)+布線+實(shí)驗(yàn)報(bào)告）等均可以通過線上平臺(tái)進(jìn)行保存，顯著提高了自動(dòng)化過程。此外，由于線上與線下的結(jié)合，使得單人單機(jī)操作成為可能。以前固定時(shí)間下的分小組分輪次的模式，將被更為靈活的模式替代，如：可以采用實(shí)驗(yàn)預(yù)約模式等。

4 結(jié)論

《計(jì)算機(jī)組成原理》硬件實(shí)驗(yàn)線上線下混合教學(xué)模式的探討是適應(yīng)學(xué)科特色，學(xué)科發(fā)展以及“以本為本”“以學(xué)生為中心”“以產(chǎn)出為導(dǎo)向”等方針政策的綜合體現(xiàn)。通過實(shí)驗(yàn)前，實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)后全流程的過程管理，采用現(xiàn)場(chǎng)與虛擬平臺(tái)結(jié)合的方式，克服了原有單一線下教學(xué)的不足，有效提升學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的重視程度，加深對(duì)于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的理解，方便教師對(duì)于實(shí)驗(yàn)流程的管理和成績(jī)?cè)u(píng)定。后續(xù)，我們將進(jìn)一步探索和完善該模式，為同類課程提供可借鑒的思路和方案。

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