基于MOOC理念的计算机组成原理课程教学研究

崔永利 林克正 朱素霞 李 妍

哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院 黑龙江哈尔滨 150080

伴随“互联网+教育”理念的兴起以及“双一流”建设方案的实施，MOOC教学的影响力和规模不断扩大。它改变了教学方式和学习认知模式，能以较低的学习成本向学习者提供优质的学习资源，也促进了高校间的交流与合作，同时在竞争中实现了优质教育资源的建设与共享。计算机组成原理是计算机专业的核心课程，将MOOC理念融入课程建设中，以促进教学效率的提升。

1 MOOC的发展

MOOC是大规模网络开放课程(Massive Open Online Course)的简称，是面向社会公众的免费开放式网络课程[1]。它是以阐述某一知识点或者解决某一问题为目标，以短小视频为表现形式，以学习或教学应用为目的的数字化资源，可以在多种终端上使用。

较早的MOOC平台有美国的edX，Udacity和Coursera以及英国的FutureLearn。Coursera目前已经与世界各地100余所大学开展了合作，如北京大学、上海交通大学和复旦大学已经加入该平台，而清华大学和北京大学又加入了edX平台。许多名校加入慕课平台增强了高教之间的交流与沟通，同时也扩展了学校在世界的知名度[2,3]。

与此同时，国内优质MOOC资源也不断涌现。2014年上海交通大学自主研发的“好大学在线”也正式对外发布，并支持西南地区高校的跨校学习，学分互认。深圳大学组建UOOC联盟，以联盟形式推动MOOC建设。如学堂在线、中国大学MOOC注册用户规模已超过500万[4,5]。

2016年，哈尔滨理工大学教务处鼓励教师研发OTO项目，针对计算机组成原理课程的核心地位及课程性质，学院组织教师成立项目组，进行计算机组成原理课程的MOOC设计与制作。

2 计算机组成原理课程分析

计算机组成原理是我校计算机科学与技术专业本科生必修的专业核心课程，是技术性、工程性和实践性都很强的一门课程。前导课程为数字电路及逻辑，后续课程为计算机系统结构、微机原理与接口技术。依据我校2015年计算机科学与技术本科专业教学大纲，计算机组成原理课程共72学时，其中理论课52学时，实验课10学时，实践课10学时。

计算机组成原理课程的教学目标如下。

(1)掌握计算机系统中各部件的内部工作原理、组成结构以及相互连接方式，形成完整计算机系统的整机概念。

(2)理解计算机系统层次结构概念，熟悉硬件与软件之间的界面，掌握指令集体系结构的基本知识和基本实现方法。

(3)能够运用计算机组成的基本原理和基本方法，对有关计算机硬件系统中的理论和实际问题进行计算、分析，并能够对一些基本部件进行简单设计。

(4)通过本课程的学习，学生能够完成下列毕业要求：工程知识、问题分析、设计/开发解决方案、研究，使用现代工具、终身学习等。

在教学中既要重视课堂理论教学又应重视实验实践教学。实践教学是理论教学的延伸，根据知识点权重合理设置实验项目，可以加强学生对计算机组成原理各部件的深入理解，掌握数据流向及微程序控制原理，进而了解整机概念。通过实践环节提升学生的实践动手能力、分析问题能力及团结协作能力。

3 计算机组成原理MOOC设计

3.1 MOOC课程建设

为了有效实施计算机组成原理MOOC建设，学院以课题组形式组织教师团队对计算组成原理教学目标进行分析，对授课内容进行整合及碎片化分析，进行该门课程的MOOC设计。

在理论教学这方面，共4名专任计算机硬件理论教师负责，分六大知识点：层次结构与组成、系统总线、运算方法、存储器、指令系统与中央处理器、输入输出系统。将每个模块的知识点碎片化，以微视频为主要方式呈现出来。

在实验教学方面，由4名实验教师负责，实验基于的硬件平台为LAB2000P计算机组成的原理实验系统。知识点划分如图1所示。

图1 计算机组成原理实验知识点划分

3.2 MOOC教学设计

计算机组成原理MOOC 教学设计是以哈尔滨理工大学网络教学平台超星泛雅为框架，以文字，视频，图片等模式向学生展示MOOC内容。学生在活动参与中完成学习对象与自我双向建构。教师根据预设教学目标、学科特点、学生认知规律及教学方式，围绕学科核心概念及教学内容进行教学活动设计。

3.2.1 整合教学内容和知识点

课题组进行责任分工，教师针对计算机科学与技术本科专业学生的培养目标和教学要求，在充分了解学生专业基础上，对计算机组成原理课程教学内容进行整体的规划和梳理。整合教学内容，根据内容的权重划分为相对独立的知识点，每个知识点又分为若干个子知识点。如“指令系统与中央处理器”知识点，它包含指令格式、寻址方式、指令周期、中断系统、CPU数据通路设计、指令流程分析、组合逻辑设计和微程序设计8个子知识点。根据知识点权重，安排适当的学时完成教学，每个子知识点对应1个微视频。

教师在知识点的把握上，既要考虑到学生网上自主学习的门槛需求，同时也要考虑到有潜力学生的扩展知识需求。

3.2.2 录制微视频

微视频的制作是整个教学设计的核心。教师要设置教学情境，围绕知识点制作清晰表达知识框架的短视频模块集发布到网络平台以供学生利用碎片时间集中学习。

为了充分调动学生学习热情并考虑学生学习的特点，每个知识点对应的子知识点教学短视频时长要控制在15分钟左右。避免视频太长降低学生的集中注意力。为了防止学生观看视频时开小差，可以设置视频防快进、防窗口切换或设置问题进行回答。

视频录制模式可以多样化。对于理论教学中基本概念和基本原理可以采用PPT录屏方式。如在讲解存储器结构时，教师结合PPT中的系统框图进行讲解；对于理论教学难度较大的内容，可采用 PPT 录屏与手写录屏相结合的方式，这样学生理解起来更加直观深入，让学生能充分思考理解教学难点。实践教学应用PPT录屏、手写录屏和动画视频模式，不仅可以吸引学生的注意力，提高学习兴趣，还可以使学生更加容易掌握知识点内容[6]。

3.2.3 习题作业和教学互动

为了考核学生学习效果，MOOC教学中的教学互动、习题测试及作业是不可缺少的。通过互动和测试可以评估学生对知识点的掌握程度，同时也可以发现MOOC教学设计中存在的问题，以便更好地完善。

习题和作业方面，教师可以根据知识点内容设置主观题和客观题。主观题是对综合能力的考核，融合若干知识点，要求学生学习后完成大作业。客观题贯穿于子知识点视频中。每个子知识点设置 5 道左右的客观题，可以是和知识点紧密相关的选择题和判断题。

教学互动，主要是师生参与平台的答疑和讨论。教师应根据教学进度和教学内容突出教学重点和难点，设计互动社区的讨论主题，激发尽量多的学生参与讨论。

3.3 MOOC教学特点

计算机组成原理MOOC建设经过1年的努力，理论课程与实验课程框架及内容基本完成。所制作的MOOC视频教学特点如下。

(1)教学视频短小。MOOC教学根据学科内容及学生的认知特点和学习规律制作短小视频，知识点碎片化、情景化、可视化。基本上一事一议，一事一课。时长控制在15分钟左右，以小、短、精为特点。

(2)教学内容突出。MOOC教学以知识点单元化为基准，可以根据教学重点、难点将知识单元碎片化，突出授课的主体内容。便于学生理解课程的重点及精髓，同时可以针对某一知识点集中训练。

(3)学习手段多样化。MOOC教学中，发布的微视频容量不大，视频格式也是多样化的，如RM，MP4，FLV等流媒体播放格式。学生可以通过计算机或者手机随时随地利用闲暇时间浏览或下载微课视频[3]。

(4)交流互动增加。MOOC教学可以实现线上线下互动有效结合，提高学生学习热情。线上学生可以答题，提交作业、答疑，线下可以和教师共同讨论学习的难点及热点。交流沟通环节的增加能够使学生加强对所学知识点的掌握及提高学生实践操作能力。

3.4 MOOC教学评价

计算机组成原理MOOC教学应用于我院计算机专业2015级学生，共10个班的教学。通过2017年下半学期的试运行，教学效果初现。系统管理统计数据显示，学生在MOOC教学学习过程中能够自主预习每个知识单元的知识点及子知识点，大多数学生能够按要求完成视频学习及习题测试。计组实践MOOC教学的参与度也大幅上升。图2为学生访问次数页面，图3为观看视频时长与反刍比页面。

图2 学生访问次数

图3 学生观看时长与反刍比

MOOC教学与传统教学对比如下。

(1)MOOC教学提升了学生学习热情及自主学习能力

传统教学中，教师是主体，教师根据教学进度及教学日历要求讲授理论知识，学生主动参与讨论的机会较少。再加上计算机组成原理课程本身就是一门比较难学又枯燥的课程，课堂气氛较沉闷。MOOC视频可以让学生利用闲暇时间自主预习学习，学生在课上主动参与的时间增多，可以与教师一同参与讨论，或者由学生讲解某个知识点，提升了学生学习热情及对知识的掌握程度，课堂气氛比较活跃。

(2)实践实验效果凸显

传统教学中，教师讲授基本实验原理与步骤，学生根据教师的讲解按部就班进行实验，虽然在学时要求时间内完成实验，但是由于学生理解能力及掌握知识程度不同，对实验的理解不够深入。通过MOOC实验教学，学生提前预习实验原理、步骤及流程，通过自主分析形成一套实验方法，在课上，自主实验能力大幅提升，教师与学生互动环节增加，学生的理论与实践的融合能力、操作能力明显增强。另外，学有余力的学生可以在完成基础实验的基础上根据教师的提点及指导，自主设计扩展实验，提升自己的操作与设计能力。

另外，MOOC实验教学发挥了学生主体地位。学生在实验中自主形成实验小组，共同讨论方案及设计，在合作中提升了团队协作能力，为日后研究课题及走上工作单位奠定基础。

4 结语

计算机组成原理是计算机专业的核心课程，实践证明，计算机组成原理MOOC教学理念和教学模式为提高本专业计算机硬件教学整体水平奠定了基础。但MOOC教学应用在起步阶段，通过后期运行及实践，适时调整教学中不完善的模块，不能让MOOC教学流于形式，要在教学情境、教学内容及考核评价上继续深入研究，使学生更有兴趣参与进来，提高整个计算机组成原理课程的教学效果和教学质量。