計(jì)算機(jī)組成原理混合式教學(xué)改革

謝鵬壽，馮 濤，杜謹(jǐn)澤，包仲賢，任學(xué)惠，姚 斌

（蘭州理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

大學(xué)生未來的個(gè)人和社會(huì)發(fā)展都要求其具備很強(qiáng)的自主學(xué)習(xí)能力，這就迫切需要學(xué)校和教師必須創(chuàng)新教學(xué)模式。新型教學(xué)模式著力于構(gòu)建有效的課程資源使用手段和傳播途徑，以獨(dú)特的教學(xué)形態(tài)使學(xué)生獲得必要的專業(yè)知識(shí)，并培養(yǎng)其良好的專業(yè)能力[1]。如何選擇主流的新型教學(xué)模式便成為大學(xué)及任課教師首先面臨的關(guān)鍵問題。

MOOC[2]是一種興趣導(dǎo)向的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)模式，該模式有助于使學(xué)生更加開放靈活地在線獲取課程資源，有益于構(gòu)建多樣化的開放教學(xué)體系[3]。SPOC 是一種小規(guī)模限制性在線教學(xué)模式，該模式賦予學(xué)生完整深入的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，提高了課程的完成率，重新定義了教師的作用，創(chuàng)新了教學(xué)模式，推動(dòng)了大學(xué)的對(duì)外品牌效應(yīng)，也提升了校內(nèi)的教學(xué)質(zhì)量，成本較低且能用來創(chuàng)收，提供了MOOC 的一種可持續(xù)發(fā)展模式[4]。微課是一種利用半結(jié)構(gòu)化和專題資源進(jìn)行“碎片化”教學(xué)的模式，這種模式使教學(xué)活動(dòng)更具有針對(duì)性和實(shí)效性[5]。翻轉(zhuǎn)課堂是一種將學(xué)習(xí)的決定權(quán)從教師轉(zhuǎn)移給學(xué)生的教學(xué)模式，有助于促進(jìn)學(xué)生更加主動(dòng)地進(jìn)行學(xué)習(xí)[6]。

混合教學(xué)是基于視聽技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等信息技術(shù)平臺(tái)，充分發(fā)揮傳統(tǒng)課堂教學(xué)和在線學(xué)習(xí)的優(yōu)勢，調(diào)動(dòng)多種教學(xué)形式服務(wù)于教和學(xué)[7]。主要特點(diǎn)就是在教學(xué)過程中以教師為主導(dǎo)、以學(xué)生為主體，始終關(guān)注兩者的自主性、創(chuàng)造性，以在線學(xué)習(xí)與面對(duì)面學(xué)習(xí)為基本教學(xué)形式，根據(jù)教與學(xué)的實(shí)際，進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，開展教學(xué)活動(dòng)[8]。

混合教學(xué)不只是在線教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)的簡單結(jié)合，其本質(zhì)體現(xiàn)為不同教學(xué)理論、教學(xué)模式、教學(xué)媒體、教學(xué)活動(dòng)以及學(xué)習(xí)環(huán)境的有機(jī)融合，其最終目的在于通過多種教、學(xué)方式的“混合”，既能發(fā)揮教師引導(dǎo)、啟發(fā)、監(jiān)控教學(xué)過程的主導(dǎo)作用，又能充分體現(xiàn)學(xué)生作為學(xué)習(xí)過程主體的主動(dòng)性、積極性與創(chuàng)造性，繼而促進(jìn)學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)與發(fā)展[9]。

計(jì)算機(jī)組成原理（Principles of Computer Organization，簡稱PCO）是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、物聯(lián)網(wǎng)工程本科專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課程，創(chuàng)新其教學(xué)模式已勢在必行。開展混合式教學(xué)改革，旨在更好地實(shí)現(xiàn)師生講授和學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)單機(jī)系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)及其工作原理、各部件內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制和相關(guān)的基本理論。

1 PCO混合式教學(xué)改革總體設(shè)計(jì)

1.1 PCO混合式教學(xué)改革思路

綜合考慮社會(huì)需求、人才培養(yǎng)目標(biāo)、課程對(duì)畢業(yè)要求的支撐能力等因素，明確混合式教學(xué)改革思路（如圖1 所示）。

圖1 PCO混合式教學(xué)改革思路

圖1 表明，PCO 混合式教學(xué)改革遵循“以學(xué)生為主體，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力”的原則，引入大資源觀[10]、大工程觀[11]、OER[12]和精細(xì)化管理[13]的理念，充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)綜合平臺(tái)，建設(shè)和共享具有專業(yè)和課程特色的教學(xué)資源，同時(shí)引入校外開放的優(yōu)質(zhì)資源，推進(jìn)線上與線下學(xué)習(xí)、教師講授與學(xué)生自學(xué)、課內(nèi)與課外學(xué)習(xí)、個(gè)人自主與分組協(xié)作學(xué)習(xí)的深度融合，實(shí)現(xiàn)師生角色互換、互為主次，加強(qiáng)師生互動(dòng)和學(xué)生學(xué)習(xí)行為精細(xì)管理，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，提高該課程的教學(xué)效果。

通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠掌握計(jì)算機(jī)單機(jī)系統(tǒng)的組成和工作原理，主要功能部件的實(shí)現(xiàn)方法，并且通過理論和實(shí)踐教學(xué)結(jié)合，使學(xué)生建立完整清晰的整機(jī)概念，能夠綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，依據(jù)工作原理要求設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)硬件邏輯結(jié)構(gòu)，依據(jù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)功能和性能等方面的需求設(shè)計(jì)基本模型機(jī)，解決計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中遇到的復(fù)雜工程問題，并能夠在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)。

1.2 PCO課堂教學(xué)及在線學(xué)習(xí)學(xué)時(shí)

PCO 理論教學(xué)40 學(xué)時(shí)，其中課堂講授32 學(xué)時(shí)，在線學(xué)習(xí)8 學(xué)時(shí)，課程主要內(nèi)容[14]的學(xué)時(shí)分配見表1。

1.3 PCO課程考核方式

計(jì)算機(jī)組成原理混合式教學(xué)的課程考核見表2。

1.4 PCO在線學(xué)習(xí)資源建設(shè)框架

教學(xué)資源建設(shè)框架見表3，完善并上傳到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)綜合平臺(tái)上，供學(xué)生線上學(xué)習(xí)使用。

表1 PCO混合式教學(xué)考核類型及其占比

表2 PCO混合式教學(xué)考核類型及其占比

表3 PCO混合式教學(xué)網(wǎng)上資源建設(shè)框架

以表3 為框架，以網(wǎng)絡(luò)教學(xué)綜合平臺(tái)提供的欄目為模板，進(jìn)一步完善課程網(wǎng)站，主要包含課程簡介、教學(xué)隊(duì)伍、課程教學(xué)大綱、實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱、教學(xué)日志、授課教案、授課講稿、微課視頻、多媒體課件、動(dòng)畫演示、習(xí)題試題集（課內(nèi)習(xí)題、課程模擬試題、考研模擬試題、作業(yè)素材）、實(shí)驗(yàn)/課設(shè)資料、參考資料、課外補(bǔ)充材料等內(nèi)容。

1.5 PCO微課視頻制作方案

在以下3 條原則的指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)組成原理微課視頻制作方案：科學(xué)內(nèi)容的新穎性、專業(yè)知識(shí)的系統(tǒng)性、語言文字的趣味性；體現(xiàn)現(xiàn)代教育思想，符合科學(xué)性、先進(jìn)性和教育教學(xué)的普遍規(guī)律；主題突出、特色鮮明、格調(diào)別致，顯示一流大學(xué)本科高水平的教學(xué)示范和輻射作用。

計(jì)算機(jī)組成原理視頻錄制兼顧當(dāng)前混合式教學(xué)的要求和未來在線課程建設(shè)的需求，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容和學(xué)習(xí)模式進(jìn)行總體設(shè)計(jì)（見表4），按照章節(jié)和知識(shí)點(diǎn)兩個(gè)層次開展錄制工作（見表5）。

對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，將40 學(xué)時(shí)的課程教學(xué)壓縮到32 學(xué)時(shí)，其中在線學(xué)習(xí)24 學(xué)時(shí)、見面課直播互動(dòng)學(xué)習(xí)8 學(xué)時(shí)，有利于將其完整地建成面向互聯(lián)網(wǎng)的開放的優(yōu)質(zhì)資源課，惠及更多學(xué)習(xí)者。

2 PCO混合式教學(xué)改革實(shí)施措施

在建設(shè)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源的基礎(chǔ)上，按照章、節(jié)、知識(shí)點(diǎn)3 個(gè)層次組織線上學(xué)習(xí)、線下課堂教學(xué)、控制網(wǎng)上課堂時(shí)間、控制學(xué)習(xí)范圍，管理課堂討論區(qū)、管理課外學(xué)習(xí)交流、管理任課教師、管理選課學(xué)生、管理課程相關(guān)資料，展示課程內(nèi)容、提供微視頻學(xué)習(xí)和在線測試以及網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的平時(shí)成績換算，跟蹤學(xué)習(xí)進(jìn)度、檢查網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)筆記，開展課內(nèi)課外討論交流、主導(dǎo)問題搶答、教師主評(píng)的作業(yè)和學(xué)生互評(píng)的作業(yè)布置、提交以及成績?cè)u(píng)定，繼而從教學(xué)方式、方法和手段等方面充分改善傳統(tǒng)的教學(xué)措施，可概括為以下幾個(gè)主要的方面。

課堂講授（32學(xué)時(shí)）+課外線上學(xué)習(xí)（8學(xué)時(shí)）

課內(nèi)課外分組討論（8 次）+線上討論（不限）

課后作業(yè)（7 次）+網(wǎng)上作業(yè)（6 次）

網(wǎng)上綜測（2 次）+期末閉卷考試（1 次）

實(shí)驗(yàn)操作（5 次）+實(shí)驗(yàn)報(bào)告（5 個(gè)）

5 次實(shí)驗(yàn)包括運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)、存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)、微控制器實(shí)驗(yàn)、基本模型機(jī)實(shí)驗(yàn)、復(fù)雜模型機(jī)實(shí)驗(yàn)，目前全部在計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)室中分批線下進(jìn)行。

表4 PCO課程教學(xué)內(nèi)容總體安排

表5 PCO混合式教學(xué)網(wǎng)上資源

通過以上措施，旨在保證課程網(wǎng)站提供全部的電子化教學(xué)學(xué)習(xí)資源，供學(xué)生課內(nèi)課外在線學(xué)習(xí)或下載后離線學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)師生之間全互動(dòng)的網(wǎng)上交流，使教學(xué)的部分關(guān)鍵環(huán)節(jié)可在網(wǎng)上進(jìn)行。通過課程網(wǎng)站提供重點(diǎn)難點(diǎn)討論、課外作業(yè)輔導(dǎo)答疑，幫助學(xué)生消化鞏固課堂內(nèi)教學(xué)知識(shí)、擴(kuò)展知識(shí)面，促使及時(shí)了解相關(guān)技術(shù)的最新進(jìn)展，調(diào)動(dòng)學(xué)生參與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、嵌入式系統(tǒng)等方向的研究和開發(fā)工作的積極性。

3 PCO混合式教學(xué)改革成效

3.1 PCO混合式教學(xué)改革自評(píng)價(jià)體系

混合式教學(xué)改革是促進(jìn)高等教育改革真正走上內(nèi)涵發(fā)展的舉措之一，要求大學(xué)及其教師實(shí)現(xiàn)“以教為中心”向“以學(xué)為中心”的高校教學(xué)評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)型，就是要從學(xué)生學(xué)習(xí)的角度出發(fā)，對(duì)高校教學(xué)活動(dòng)及其結(jié)果進(jìn)行價(jià)值判斷，促進(jìn)學(xué)生不斷發(fā)展[15]。

混合式教學(xué)評(píng)價(jià)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注是否創(chuàng)造有利于促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的良好環(huán)境、是否創(chuàng)造值得學(xué)生關(guān)注的教學(xué)內(nèi)容、是否支持與促進(jìn)學(xué)生自我學(xué)習(xí)能力的提升、是否積極影響學(xué)生未來的發(fā)展[16-17]。因此，在計(jì)算機(jī)組成原理課程改革過程中進(jìn)行教學(xué)自評(píng)價(jià)體系（見表6），包括8 個(gè)一級(jí)指標(biāo)、13個(gè)二級(jí)指標(biāo)。

表6 PCO混合式教學(xué)自評(píng)價(jià)體系

3.2 PCO混合式教學(xué)改革取得的成效

分析近幾年的學(xué)生成績，混合教學(xué)班70 分以上的學(xué)生比例高出傳統(tǒng)教學(xué)班近20 個(gè)百分點(diǎn)（如圖2 所示），主要原因是混合式教學(xué)充分利用了學(xué)生學(xué)習(xí)興致最濃的時(shí)間段，進(jìn)一步增強(qiáng)了絕大部分學(xué)生的自學(xué)意識(shí)，對(duì)于學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的態(tài)度產(chǎn)生了積極的影響。

圖2 PCO教學(xué)學(xué)生總評(píng)成績對(duì)比

在選課學(xué)生、教學(xué)團(tuán)隊(duì)和教學(xué)督導(dǎo)團(tuán)中，使用前文所述的自評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了測評(píng)，匯總后計(jì)算其平均值，得到各個(gè)方面滿意的評(píng)價(jià)結(jié)果（見表7）。

表7 PCO階段性目標(biāo)達(dá)成度

通過調(diào)查分析得知，采用混合教學(xué)模式，學(xué)生借助網(wǎng)絡(luò)教學(xué)綜合平臺(tái)，可以多次在線學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容，尤其是PPT 動(dòng)畫、微課視頻等生動(dòng)形象的展示方式，使學(xué)生能夠充分思考計(jì)算機(jī)的主要組成及其工作原理，理解和掌握枯燥乃至抽象的概念，有助于師生共同主攻課程的重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容。

4 結(jié)語

混合式教學(xué)有利于借助網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源和網(wǎng)絡(luò)交互工具，實(shí)現(xiàn)線上學(xué)習(xí)、討論交流和在線測試，避免教師的全程監(jiān)督和深度干預(yù)，有效突出了學(xué)生的主體地位，充分發(fā)揮了教師的主導(dǎo)作用?；旌鲜浇虒W(xué)使教師著眼于教學(xué)方法的改革研究和前沿進(jìn)展的跟蹤，積極探索課程新型教學(xué)組織形式，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容與課程體系，將以“學(xué)生學(xué)習(xí)為中心”的教育教學(xué)新理念落到實(shí)處，不斷提高課程教學(xué)質(zhì)量，并通過示范引領(lǐng)作用，全面帶動(dòng)學(xué)校、學(xué)院課程教學(xué)的創(chuàng)新改革，有效推進(jìn)學(xué)校、學(xué)院課程改革步伐和整體教學(xué)水平的不斷提高。

PCO 混合式教學(xué)改革盡管取得了上述成效，但仍然存在以下主要問題或不足：線上學(xué)習(xí)尚需更加行之有效的監(jiān)控和跟蹤手段；網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的課程論壇、個(gè)人答疑和教學(xué)筆記功能還未發(fā)揮很好的作用。這將是下一步亟待完善的主要工作。將其打造成具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的“金課”[18]，是PCO 教學(xué)團(tuán)隊(duì)共同持續(xù)奮斗的方向。