談談慕課的實踐教學

周立柱

（清華大學 計算機科學與技術系，北京 100084）

談談慕課的實踐教學

周立柱

（清華大學 計算機科學與技術系，北京 100084）

實踐教學是工科專業(yè)核心課程和基礎課程的有機組成，慕課課程也不例外，然而慕課大規(guī)模、在線、開放的特質(zhì)使傳統(tǒng)實踐教學方法和模式難以應用到慕課教學中。文章以兩門慕課課程MOOC數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和MOOC電路原理為例，介紹慕課的兩種成功實踐教學模式，然后討論計算機硬件MOOC課程的實踐教學問題，提出一種可行的解決方案。

0 引 言

慕課（Massive Online Open Courses，簡稱MOOC）是一種嶄新的在線教育模式，它以大規(guī)模、開放、自由選課等特色為大學教育的變革帶來了一股春風。歷經(jīng)5年的起伏，隨著炒作泡沫的散去，今天的慕課已經(jīng)進入注重務實的發(fā)展階段。當下，國內(nèi)外主流慕課平臺提供的課程越來越多，大學采用慕課作為混合式教學內(nèi)容、進行翻轉(zhuǎn)課堂教學的方法正在邊實踐邊推進，學生通過慕課獲得的課程證書開始得到大學的認同并可拿到學分，以慕課為基礎的微專業(yè)和微碩士開始成為大學教育的一種新形式。所有這些都在表示：慕課正在腳踏實地地向前發(fā)展，已成為現(xiàn)代教育不可或缺的重要支撐。對于這樣一種新鮮事物，教育工作者應該花些力氣做點研究。抱著這種想法，筆者試著做一次粗淺的嘗試。

在慕課的課程建設中，凡是有實踐教學的課程，都會碰到一個繞不開的問題，就是如何在慕課中保證必需的實踐教學內(nèi)容。但是，慕課的大規(guī)模、在線、開放等特質(zhì)使通常的實踐教學方法無法照搬到互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境。慕課的實踐教學面臨著一系列的挑戰(zhàn)，與慕課的在線視頻授課一樣，需要創(chuàng)新的思維和解決辦法。

實踐出真知。自2012慕課元年以來，慕課以及相關的教育理念與實踐，如翻轉(zhuǎn)課堂、碎片化學習、混合式教學、SPOC等在國內(nèi)高校迅速發(fā)展，取得了許多寶貴經(jīng)驗，其中也包括慕課的實踐教學。借鑒這些經(jīng)驗，筆者首先介紹清華在線學堂上兩門有影響的MOOC課程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和電路原理，看看這兩門課的實踐教學如何進行。接著，探討實踐教學占重頭戲的計算機硬件MOOC課程的實踐教學問題，以清華大學計算機硬件實驗統(tǒng)一平臺為基礎，提出一個支持硬件MOOC課程教學實踐的平臺解決方案。

1 清華學堂在線的MOOC數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程

清華學堂在線的MOOC數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程由清華大學計算機系鄧俊輝老師打造和主講，2013年秋通過學堂在線的慕課平臺在網(wǎng)上公開授課，后通過EdX平臺在國外推廣，并在2016年獲得EdX杰出貢獻獎。該門課程近年來一直保持每年數(shù)萬人的選課規(guī)模。國內(nèi)已有10余個高校采用該課程資源進行慕課數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的教學。

MOOC數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程含有501段視頻（總時長36小時）、200余個演示、250個段間小測驗、4次大型編程作業(yè)。課程配有測驗題庫、編程平臺、演示庫、課程論壇、微信公眾號等，構(gòu)成了一個完整的在線授課和學習環(huán)境。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的實踐環(huán)節(jié)主要是編程，學生要在計算機上用某種語言，如C、C++等，實現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和相關算法，掌握算法設計、實現(xiàn)、分析的核心內(nèi)容，MOOC數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也不例外。但是，由于慕課的學生數(shù)量眾多，且分布在全國乃至世界各地，因此如何掌握學生實踐環(huán)節(jié)的編程完成情況、進行評判和輔導的問題變得非常突出。它不可能像傳統(tǒng)教學那樣在課堂和實驗室完成，必須有可行的互聯(lián)網(wǎng)解決方案。讓我們看看清華學堂在線的MOOC數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是如何解決的。

MOOC數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)解決教學實踐的關鍵在于獨立開發(fā)的在線編程實驗平臺。該平臺在互聯(lián)網(wǎng)上運行，配有在線文檔和視頻教程，支持教學實踐中的編程、作業(yè)提交、評判等環(huán)節(jié)，為學生與教師兩類用戶提供服務。平臺的具體功能如下：

（1）配有100余道分級習題，支持學生在互聯(lián)網(wǎng)上實現(xiàn)課程編程作業(yè)。例如，范圍查詢(Range)、祖瑪(Zuma)、燈塔(LightHouse)、列車調(diào)度(Train)、真二叉樹重構(gòu)(Proper Rebuild)、旅行商(TSP)等。

（2）自動完成學生提交編程作業(yè)的評測、統(tǒng)計和成績發(fā)布，為教師提供學生完成每次作業(yè)、每道題、每個測例的總體質(zhì)量分布。

（3）記錄學生在線學習的行為表現(xiàn)，使教師可以隨時掌握學生總體的投入情況，通過可視化工具進行統(tǒng)計分析。

（4）提供代碼檢測，對提交的程序進行比對和查重，發(fā)現(xiàn)編程作弊行為。

幾年的慕課教學實踐驗證了在線編程實驗平臺在支持MOOC數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學實踐方面發(fā)揮的巨大作用?？梢哉fMOOC數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能夠成為學堂在線上一門深受歡迎的課程，離不開這個平臺的有力支持。更為令人興奮的是，它讓我們看到了這種模式對以編程為主的MOOC課程實踐教學的普遍意義。

2 清華學堂在線的MOOC電路原理課程

電路原理是清華學堂在線上深受歡迎、很有影響的慕課課程之一，由清華大學電機系于歆杰老師主講。課程包括99個知識點、240段視頻（時長22小時）、198個簡單練習題和109個綜合性練習題。此外，還包括7個專門用于仿真軟件的教學視頻（長度52分鐘）。

自2013年在edX和學堂在線兩個平臺同時上線以來，已有來自全世界近160個國家和地區(qū)的13萬余名學生選修MOOC電路原理。不僅如此，它還有力地促進了教學改革。于歆杰老師領銜的電路原理教學小組，以慕課資源和教學方法為基礎，提出了以SPOC平臺作為在線教學環(huán)境、翻轉(zhuǎn)課堂作為教學方法的“以學生為中心的教與學”模式，取得了很好的教學效果，從而榮獲清華大學2016教學成果特等獎。

電路原理是本科的核心課程。常規(guī)的課程實踐教學借助電路原理實驗箱、示波器、信號發(fā)生器、計算機、仿真軟件等多種工具完成實驗。MOOC電路原理課程在網(wǎng)上的選課人數(shù)超過兩萬人，對于這樣的學生大眾，傳統(tǒng)的實踐教學顯然是不可行的。

慕課的大規(guī)模教學必須借助先進的教學手段，而仿真軟件就是一種非常好的選擇。一是慕課的大眾學員比較容易獲?。欢撬晒┗ヂ?lián)網(wǎng)環(huán)境下的上萬學員同時使用，能夠適應慕課教學的大規(guī)模學習環(huán)境。MOOC電路原理課程的實踐教學走的就是這樣一條技術路線，課程采用了電路仿真軟件——美國國家儀器（NI）有限公司的以Windows為基礎的Multisim，所有在edX和學堂在線平臺選修電路原理課程的學生用它來完成要求的教學實驗。

為了幫助學生掌握仿真軟件的使用，MOOC電路原理課程在240段電路教學視頻中，特別錄制了13個電路的仿真展示和11個具有使用功能的演示實驗展示。經(jīng)過這樣的訓練，學生可以利用仿真軟件自主實現(xiàn)很多電路實驗。

在實踐教學的練習環(huán)節(jié)，MOOC電路原理共布置了4個題目，分別是線性電阻、非線性電阻、動態(tài)時域、正弦穩(wěn)態(tài)4個部分，要求學生用掌握的基礎知識對電路進行分析。特別在這4個部分中各布置了1個用手算算不出來的題目，要求學生用仿真軟件給出正確結(jié)果。MOOC電路原理教學表明，仿真實驗是慕課實踐教學的一種有效手段，它既能適應互聯(lián)網(wǎng)上慕課的大規(guī)模選課要求，也能保證課程教學要達到的目標，MOOC電路原理在這方面樹立了一個很好的榜樣。

3 計算機硬件MOOC課程的實踐教學

這里所說的硬件課程包括數(shù)字邏輯、計算機組成原理、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等，它們構(gòu)成了計算機硬件課程的主干。

由于上述主干課程的重要性，使開設計算機專業(yè)的院系十分重視這些課程的實踐教學，為課程配置了大量的實驗內(nèi)容。對于這些實驗，學生通常要在教師的輔導下，在實驗室使用專用的裝置和設備才能完成。面對互聯(lián)網(wǎng)上慕課的大規(guī)模開放條件，這種傳統(tǒng)的實驗方式顯然是不可行的。

為了保證計算機硬件MOOC課程的實踐教學環(huán)節(jié)，必須在堅持計算機硬件實驗核心內(nèi)容的前提下，轉(zhuǎn)變實驗形式，讓實驗從實驗室轉(zhuǎn)向開放的網(wǎng)絡環(huán)境。換句話說，讓學生在互聯(lián)網(wǎng)上能夠做硬件實驗。這是一種巨大的轉(zhuǎn)變，對計算機教育來說更是一種變革。令人高興的是我們看到了這種轉(zhuǎn)變的可能，也看到了這種變革的起步。這要從清華大學計算機硬件統(tǒng)一實驗平臺說起。

計算機硬件實驗統(tǒng)一平臺是由清華大學計算機系國家級計算機實驗教學示范中心開發(fā)的一套計算機硬件實驗系統(tǒng)。它支持計算機硬件系列課程的相關實驗內(nèi)容，含數(shù)字邏輯、計算機組成原理、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等課程。以數(shù)字邏輯為例，支持的試驗內(nèi)容包括多路選擇器設計、四位加法器（逐級進位、超前進位）、乘法器設計、VGA顯示控制器設計等11個。平臺已用于清華大學的硬件課程數(shù)字邏輯設計、計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、微處理器設計與測試、專業(yè)實踐教學，取得了很好的效果。

計算機硬件實驗統(tǒng)一平臺采用兩種構(gòu)架，分別支持本地和網(wǎng)絡的遠程實驗模式。本地模式采用獨立機箱，機箱內(nèi)裝有一塊由實驗室自主開發(fā)的硬件實驗板，通過USB接口與PC進行通訊。學生可用試驗箱，也可通過PC上的用戶界面完成實驗。本地與遠程這兩種方式都基于相同的硬件設備，實驗效果相同。但是，對于慕課的實驗教學，只有遠程模式才有意義，所以下面著重介紹實驗平臺的遠程架構(gòu)，并討論支持MOOC課程的可能性。

計算機硬件實驗統(tǒng)一平臺由以下幾部分組成：①硬件實驗服務器，它是由多塊硬件實驗板組成的特殊服務器，實驗板與本地模式的實驗板相同，服務器運行數(shù)據(jù)庫軟件和實驗服務軟件，完成實驗及設備的管理以及同客戶端通信；②客戶端，即普通的PC，安裝有試驗專用的軟件，提供用戶進行實驗操作以及查看實驗結(jié)果的可視化界面；③連接服務器與客戶端的局域網(wǎng)，用戶在客戶端PC上完成的實驗操作經(jīng)過網(wǎng)絡傳送到服務器，服務器在完成實驗操作后，再將結(jié)果經(jīng)由網(wǎng)絡返回到客戶端。

計算機硬件實驗統(tǒng)一平臺的遠程模式讓實驗從實驗室走向網(wǎng)絡。它打破了傳統(tǒng)實驗方式所受的時空限制，支持學生自己安排時間在網(wǎng)絡上完成硬件實驗，還簡化了實驗管理，增強了實驗效果，向我們展示了互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下MOOC硬件課程實驗系統(tǒng)平臺的原型。

計算機硬件實驗統(tǒng)一平臺是一種典型的網(wǎng)絡環(huán)境下的客戶端服務器架構(gòu)，將它移植到互聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境下并非難事。不妨設想一下，如果一塊實驗板可以支持一個學生在互聯(lián)網(wǎng)上做硬件實驗，則裝有N塊實驗板的一個服務器群就能夠并發(fā)地支持N名學生做實驗。由于網(wǎng)絡上的實驗平臺不受時空所限，因此通過分時共享，同一塊實驗板一天支持10人做實驗是一件輕松的事情。這樣一來，N塊實驗板一天支持的實驗人數(shù)可達到10×N。假設N=100，則一天內(nèi)系統(tǒng)可支持千名學生做硬件實驗，這是一個傳統(tǒng)教學實驗不可想象的數(shù)字，是一次飛躍。

移植后的計算機硬件實驗統(tǒng)一平臺可以滿足MOOC計算機硬件課程的實踐教學需求。屆時，互聯(lián)網(wǎng)上成百上千的學生通過PC、平板電腦、手機等設備完成硬件實驗，通過論壇在線進行實驗討論，得到助教的幫助；教師也能在平臺上及時掌握學生的試驗情況，及時給出指導，平臺上記錄下學生實驗過程的數(shù)據(jù)，成為分析、改進實驗和課程教學的科學依據(jù)?？傊?，MOOC的計算機硬件課程的實踐教學得到了合理的解決。計算機技術又一次應用到計算機教育本身，推動了教育的進步。

當然，由于互聯(lián)網(wǎng)與局域網(wǎng)之間的巨大差異，將計算機硬件實驗統(tǒng)一平臺移植到互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下必須解決某些關鍵技術問題，例如，平臺的性能與安全、系統(tǒng)的可擴展性、可供學生和教師討論實驗的在線論壇、記錄學生實驗過程數(shù)據(jù)的日志系統(tǒng)、友好易用的客戶端（PC、平板電腦、手機）界面、實驗者身份認證、必要的硬件工作等，但所有這些都是可解決的。

4 結(jié) 語

慕課為大學教育開創(chuàng)了一種新的教育模式，如何解決課程的實踐教學問題對于慕課的推廣至關重要。本文介紹了在線編程平臺和仿真方法兩種解決方案，分別在清華學堂在線的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程和電路原理課程中得到了應用，成為成功的案例。清華大學開發(fā)的計算機硬件實驗統(tǒng)一平臺支持了計算機硬件MOOC課程的設想和可行方案。我們深信，隨著慕課的深入發(fā)展，慕課實踐教學這一主題必然會引起人們越來越多的關注和研究，從而產(chǎn)生更多的創(chuàng)新方法和模式。

致 謝

筆者在完成本文的過程中得到了鄧俊輝老師、于歆杰老師、劉秀成老師以及清華大學計算機系國家級計算機實驗教學示范中心許多老師的幫助，在此一并表示衷心的感謝。

1672-5913(2017)11-0002-03

G642

周立柱，男，教授，研究方向為數(shù)據(jù)庫、Web信息提取與數(shù)據(jù)挖掘、基于位置的查詢處理與信息服務等，dcszlz@tsinghua.edu.cn。

周立柱

（編輯：孫怡銘）