基于MOOC的计算机组成原理新型教学模式探索

赵 博，王 炜，侯一凡，姚金阳

（战略支援部队信息工程大学 网络空间安全学院，河南 郑州 450001）

为应对新一轮科技革命和产业变革，支撑我国科技创新驱动发展，2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，深度探索并形成全球领先的工程教育新模式。计算机科学与技术作为传统典型的工科分支，其教学模式面临新挑战。计算机组成原理课程是计算机科学与技术专业的核心课程，在基础课与专业课之间起着重要的承上启下作用，同时也是研究生入学的必考课程。一方面，计算机组成原理课程本身概念多，前置课程知识覆盖面广，对于教师教学和学生学习难度都比较大，甚至不少学生在学习本门课程时主观上会存在较强的畏难情绪；
另一方面，学生处于大三时期，专业课程任务重，对于所学知识的练习时间较少，课后学生消化知识时面临问题较多，这都需要教师进行详细的课程答疑来提升学习效率。当前MOOC（Massive Open Online Courses，大规模开放在线课程）在广大高校中的广泛使用，为学生的课程学习提供了海量的在线教学资源，极大地丰富了学生的学习途径。然而，如何在海量教学资源中选取适合学生学情的优质资源并加以整合优化，是当前计算机组成原理教学中面临的一个现实问题，需要不断在课程教学实践中进行摸索。

计算机组成原理课程要求掌握计算机硬件子系统各大部件的组成原理、逻辑实现与设计方法及互连构成整机的技术，同时要培养学生独立思考、严谨认真的工作作风，勇于创新、团结合作、克服困难的专业精神，以及分析、解决问题的能力。具体目标包括以下3个方面：

（1）掌握计算机各功能部件的结构组成和工作原理。能够对简单的CPU组织进行设计（包括组合逻辑和微程序设计）和调试，能够对存储器容量进行扩充和调试，建立起计算机整机概念，加深对计算机工作过程的理解。

（2）将计算机的组织和结构与计算机软件编程、计算机应用程序执行、计算机人机交互以及计算机操作系统调度等相关知识有机联系起来，理解并掌握面向特定应用要求和性能目标进行计算机系统设计的基本思路及基本方法，逐步形成计算机系统概念，培养学生的计算机系统能力）。

（3）养成良好的学习习惯，能够独立思考，并具备勇于克服困难的精神。

2.1 课程特点

计算机组成原理课程是大家公认的既难教又难学的课程，所涉及的内容多而散，而且因为要深入计算机硬件结构内部，相对学生此前所学的计算机编程而言，看不见、摸不着，显得有些“虚”。

2.2 学生特点

教学对象已经修学过计算机基础、C语言等软件课程，在计算机软件、硬件和编程方面有一定的知识储备。该课程研究计算机基本结构、工作原理等方面知识，学生对该课程充满了好奇、探索的心理，具有学习热情很高、渴望被认同的特点。但由于该课程系统性强、知识体系偏硬件，也使得部分学生产生了一定的畏难情绪。特别是对于非计算机专业的学生而言，其并没有系统学习过数字逻辑与电路等硬件技术课程，大多数人对计算机硬件的认识是模糊、抽象的。因此，计算机组成原理这个基础性的引领课程能够很好地将其带入计算机硬件的专业学习中。

2.3 教师特点

基于MOOC的混合式教学模式与传统课堂相比，教师的主要任务不再是课上的知识灌输，而是要引导学生的学习方向，培养学生的学习兴趣。教师要强化自身的责任意识，在教学过程中发挥好组织者、促进者与引导者的作用。

对于年轻教师而言，其刚踏入工作岗位，有着扎实的专业知识功底，但由于专业研究重点不同，在具体授课过程中，对计算机组成原理课程讲授的深度和高度都有所欠缺，且对学生在课程学习过程中通常会出现的卡点把握不足，驾驭课堂的能力亟待提高。与此同时，年轻教师自我学习能力强，善于利用网络资源，乐于接受新型教学方式，因此对于借助互联网平台的教学模式应用有着天然优势。

受全球新冠疫情的影响，同时得益于信息化手段的发展，近些年来出现了许多在线课程资源。特别是以MOOC为代表的线上教学资源是“互联网+教育”的产物，使互联网终端用户足不出户也能享受到优质的教育资源。针对MOOC的特点，结合计算机组成原理课程建设，崔永利等［1］进行基于MOOC的计算机组成原理课程教学设计，加强了师生间的交流与互动。将智慧教学手段和优秀的教育理念相结合，能够更有效地发挥智慧教学的优势［2］。针对计算机组成原理内容抽象晦涩、知识更新进度缓慢等问题，张策等［3］提出以学生为中心的教学综合改革方案，旨在提高学生的软硬件协同开发与调试能力；
宋峰等［4］提出在SPOC教学模式下，开设多途径、多渠道的师生互动方式，及时了解学生的学习状态，从而提高教学质量；
刘三荣等［5］采用“MOOC+混合教学”模式教授计算机组成原理课程，以培养学生的自主学习和自我管理能力；
赵松等［6］提出将三支决策与OBE相结合的计算机组成原理课程教学模式，将MOOC资源分布到认知、提升、综合3个阶段中，使学生具备设计与实现复杂模型的能力。虽然目前已经有了许多关于计算机组成原理教学方面的探索，但对于很多新手教师来说更需要有一种简单、有效，能够发挥自身优势的混合式教学模式。

通过对海量MOOC资源进行收集、整合、优化，本文研究并构建了一种适用于新手教师的混合教学模式，以提高计算机组成原理课程教学效果。首先对学生学情进行详细调查，针对性地制定相应教学方案，然后在教学过程中根据学生反馈不断完善课程设计，成为教学模式改革的重要手段。“师生共同学习、学生提问、讲师答疑”的新型教学方式，可有效提升学生的学习效率。该过程对学生的自主学习能力和讲师的答疑能力有着较高要求，可促进“师生共同学习、教学相长”，对年轻教师培养和学生学习都起到了积极作用。

3.1 教学框架

混合式教学设计遵循以学生为中心和深度学习的原则，有机地将在线学习与课堂面授教学活动相结合，多元化地深度协同培养新工科专业人才。教学过程突出教师的主导作用和学生的主体地位，通过前置学习培养学生自主学习的能力，通过课前课中测试和课堂引导提升学生发现与解决问题的能力，通过课中讨论、课后作业等完成学生对知识内化的过程。

本文针对新手教师的特点设计了以下教学方案：首先，课题组对照本校教学大纲进行专业知识点梳理，建立计算机组成原理课程知识脉络，并对照每个知识节点构建“本土化教学资源库”，该资源库有助于新手教师进行授课前期的准备工作；
其次，教师在课前进行学情调查，通过课前测试结果，及时调整讲课方式和节奏；
之后，利用新手教师自我学习能力强、善于利用网络资源的特点，与学生进行线上线下交流互动，从而达到教学相长的目的。新手教师学习的内容不但包括课程知识点的内涵、外延，还包括课程的教授方式。除有老教员“传帮带”外，更多的授课经验是从与学生的交流碰撞中学习得到的。因此，通过线上微信、MOOC平台、雨课堂等方式可以与学生进行全方位的沟通交流。最后，针对教学方式的改变，采用混合式、过程化的考核方式。本文根据以上4部分设计出基于混合式教学模式的自主学习能力培养框架，如图1所示。

3.1.1 资源库建立

通过资源库的建立为课前“预热”、课中“烹饪”、课后“回温”提供了有力保障。对于新手教师来说，首先要对教学内容进行全面把握，能够带领学生既见到树木又展望森林。根据本校教学大纲梳理知识点、构建计算机组成原理课程的知识树就是一个快速把握教学内容架构的有效途径。根据该途径完成本校网络安全专业的计算机组成原理课程知识树构建，并根据知识树，对照每个知识节点构建“本土化教学资源库”。建设的资源包括MOOC、课件、文档、视频、参考书目等，以及覆盖几乎全部知识点的在线测试题目。近年来MOOC发展迅猛，资源异常丰富，但对于新手教师来说，在课程教学之初，采用的MOOC资源不宜过于繁杂，而是以最切合本校教学大纲的一两门为主。以本校网络安全专业为例，采用中国大学MOOC时，以哈尔滨工业大学的计算机组成原理课程资源为主，在拓展和延伸方面以国防科技大学的计算机原理课程资源为辅。同时，针对网络安全专业学生没有系统学习过数字逻辑与电路等硬件技术课程的特点，增加了国防科技大学的数字电子技术基础课程MOOC资源作为补充。

3.1.2 前置学习设计

课前的学习沟通，对于教师快速了解学生、掌握学情可起到至关重要的作用。新手教师对于自己在授课过程中需要具备各种知识的深度与广度正处于不断的探索阶段，通过课前发布学习任务、反馈交流，对新手教师来说也是一种有效的“自省”，能够做到“知彼”，更能做到“知己”。

在网络安全专业的授课过程中，根据教学大纲和学生缺乏硬件知识的背景，推送合适的课前学习资源并配备学习任务清单，推送的资源包括课前导学MOOC资源、课前知识测试等内容。学生按照课前任务清单的指引，像打通关游戏一样逐项进行学习并测试。教师可通过测试题目及时了解学生对知识的掌握程度以及对问题理解的深度，为后续的二次备课提供依据。

3.1.3 课堂教学形式设计

计算机组成原理课程内容包括计算机硬件子系统各大部件的组成原理、逻辑实现与设计方法及互连构成整机的技术。课程内容繁杂，涉及到计算机中各大硬件部件的教学思路和方法有时完全不同，对于有些较容易理解的内容可以放在网上让学生自主学习，而对于一些较为复杂、难以理解的部分则适合采用线上与线下相结合的方式。具体采用哪种方式需根据课程体系及教学大纲中具体的教学内容和教学目标进行划分重组，在重新组织教学内容过程中要兼顾新手教师的自身特点。

新手教师教学基本功的练就不是一蹴而就的，需要长时间的经验积累和不断探索，最终形成自己的风格。传统课堂形式练就的是教学的“内功”，此时教学不易过于追求形式上的多样性，应以传统课堂讲授为主，辅以简单的线上活动。翻转课堂对教师的控场能力要求较高，若准备不好很可能导致课堂内容过于发散，反而不利于对重点内容的学习。在整个教学周期中，新手教师可以穿插一两个特别适合采用翻转课堂形式的内容进行尝试，并在课前通过线上线下等途径与学生多交流。

3.2 课堂测试

授课时，年轻教师往往存在对教学难点把握不准确、对学生特点掌握不全面的问题，通过线上的课堂测试可以及时掌握学情状态，及时了解学生的学习卡点并调整教学策略。课堂上遵照BOPPPS教学模式的规律，从建立的资源库中抽取本课中不同知识点对应的自测题进行线上测试（可采用雨课堂进行线上测试互动），通过线上的“即时反馈”及时得到学生最新的学习状态，从而弥补年轻教师经验不足等缺点。除以上教学形式外，教学活动根据内容的不同还可以采用多种形式。比如，可以通过课前的思考题，在课堂上进一步引导学生进行思考与讨论，并针对重点问题进行课堂深度解析，也可以采用提问驱动等方式。在讲授过程中，当讲到某个小知识点时，还可以采用“课堂我来讲”的方式，由学生进行讲解。

3.3 互动交流

师生的传统交流主要是在课堂上你问我答，如今通过信息技术手段构建的多元化立体交流互动环节，更能激发学生的学习热情。同时，有效的交流能使新手教师对教与学有着更鲜活的感知，从而达到“教学相长”。

在具体组织过程中，学生在课前的线上自主学习过程中会存在一些疑惑和问题，可以通过“同伴学习法”进行讨论与相互学习，教师根据现场讨论结果与在线测试数据制定备课内容；
课中，教师通过雨课堂发布资源库中与本课程相关的前测、中测及后测练习题，统计分析结果可实时反馈给教师，这种方法简单易行，能够让新手教师在整个课堂中的讲授与交流做到“有的放矢”，从而弥补其教学经验不足、无法很好把握学生学习卡点的问题；
课后，答疑交流重在“欲擒故纵”，课后作业的批改主要借助中国大学MOOC平台进行互评，学生给他人评价作业的过程也纳入最终成绩。为了能够正确批改他人作业，学生会主动进行学习，由此引发的探讨和辩论会异常激烈。教师在讨论过程中要学会“欲擒故纵”，并不急于回答，而是引导学生通过查资料等方式主动思考以验证自己的想法。教师的作用主要是抛转引玉，在引导学生思考的过程中，也能给新手教师更多时间分析学生的学习情况，并为下次课程中对共性问题的集中解答进行充分的思考。通过线上和线下交流活动，学生的学习自主性与学习兴趣得到最大程度的激发，从而逐渐养成自主学习的习惯。

3.4 考核方式

采用全过程化考核机制，从多层面、多角度进行课程考核，打破传统的单一考核方式和一次反馈方式，并及时把过程考核的阶段性结果反馈给学生，从而激发学生的竞争心理，激励其主动学习。学生通过过程考核成绩可清醒意识到自己当前的状态，及时发现差距及薄弱之处，从而适时调整学习方法，合理分配时间。而现有的线上移动工具等平台也使课程学习生命周期各环节数据的真实采集成为了可能。课程评价考核主要包括以下几部分：

（1）终结性教学评价。课程教学评价是在学期末以笔试闭卷考试形式完成的（分数占50%），应逐步加大期末考试题目中非标准答案或开放问答题目、自主设计题目的比例，注重考查对知识的理解应用而不是死记硬背。

（2）实验教学评价。线下动手实验需完成一批基础实验和至少一个设计型综合实验（分数占30%），实践过程评价主要表现在实验素养、实验成功率、实验原理掌握情况以及实验中发现与解决问题的能力等方面。

（3）平时过程性评价。平时过程性评价主要通过线上MOOC平台记录的学生学习相关数据和线下学习表现进行综合评价（分数占20%）。

线上线下教学中对MOOC平台及其他方式所能捕捉到的学生学习数据（视频学习进度、交流次数和质量、学生上课出勤率等）进行分析，并根据学生平时作业与随堂测验等环节完成情况、主讲专题的深入程度和拓展程度、其它专题的参与程度等方面的情况进行综合评定。该方式能够反映学生的真实学习水平，既避免了学生机械记忆、死记硬背，又能够引导学生将功夫花在平时，将重心落在分析和解决问题上。

从2021年开始，在网络安全等两个专业开展了基于MOOC的计算机组成原理新型教学模式改革实践。以2022年为例，在教学结束后对采用了该模式的实验班与常规教学班（参照班）进行对比，主要对比了期中和期末考试成绩中基础题型（70分）与综合题型（30分）的平均成绩。从图2中可以看出，对于简答、计算这类基础题，实验班略胜一筹，而对于综合设计题，实验班优势更明显。通过对比可以看出，在新型教学模式下，学生对知识的运用能力得以提升。

Fig.2 Comparison of teaching effect between experimental class and general class in the first half of 2022图2 2022上半年改革实验班与普通参照班教学效果对比

在考察基于MOOC的新型教学模式的教学效果时还采用了问卷调查法。在受访的56名学生中，有52名学生喜欢混合式教学方式，36名学生认为混合式教学方式提高了自身的学习热情，30名学生认为混合式教学方式能够满足自己个性化的学习需求，40名学生认为课前测试、课堂自测方式的学习效果好，但也有4名学生认为混合式教学方式使得学习压力增大，如图3所示。问卷调查结果显示，学生对基于MOOC的计算机组成原理课程教学有较高认同度。

Fig.3 Teaching effect questionnaire of hybrid teaching mode based on MOOC图3 基于MOOC的混合式教学效果调查问卷

在“互联网+”时代，利用MOOC在线资源进行混合教学，为学生提供了创新的学习方式，也为教师提供了新的教学方法和手段，特别是为初入讲堂的年轻教师提供了有力支持，使教与学都更加高效。MOOC平台在计算机组成原理课程中的应用，有效提高了本科生计算机课程教学质量，提升了学生的总结和表达能力，激发了其学习热情和兴趣，使学生能够通过互动学习，成为真正的课堂主人。该模式在学校其他计算机类课程中进行了推广，取得了较好效果。实践结果证明，小班教学效果更加明显，而对于大班教学，整理分析线上数据会降低教师的工作效率。

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