《计算机组成原理》线上线下混合式小班教学探索及实践*

纪禄平，刘 辉，罗克露

（电子科技大学 计算机科学与工程学院，四川 成都611731）

一、引言

《计算机组成原理》通常安排在本科培养环节的第4或5学期，同时它也是本科计算机专业开设的一门必修的核心基础课程。这门课程开设的目标主要是通过对计算机基本硬件体系架构和组成部件的学习，使学习者理解并掌握计算机硬件系统的工作原理、主要功能部件的设计方法以及计算机硬件技术的前沿发展动态，从而培养学习者计算机硬件系统分析和设计开发能力。

该门课程的教学模式，国内院校目前还是采用以传统的课堂授课为主，并辅之以一定学时的课外实验。这种教学模式有可能取得很好的教学效果，但目前也存在诸多缺陷。比如，它是一种以教师的课堂面对面讲授为基础的学习者被动学习，由教师主导统一学习进度、统一学习内容，无法兼顾不同学习者的个性化学习需求，不利于调动学习者的学习兴趣。对于部分基础较好、学有余力的学习者，甚至会抑制其主动学习、对知识进行更深层次探索的积极性，因此在一定程度上也不利于研究型、创新型本科人才的培养。

为了响应《教育部关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》（教高〔2018〕2号）文件精神，电子科技大学积极开展了教学方法改革与教学模式创新。在学校统一规划部署下，课程组对《计算机组成原理》的教学模式进行了大胆改革，设计了一种基于线上SPOC（Small Private Online Course，即小规模限制性在线课程）和线下课堂面授相结合的混合式教学方法[1]，并从2017-2018-1学期开始实施小班教学实践，结果显示这种教学模式能比传统模式取得更好的教学效果，显著提升课程的教学质量。

二、混合式教学模型设计

课程组提出的混合式教学模型主要由线上的SPOC学习和线下课堂面授两部分构成[2][3]。该教学模式的基本实施原理在图1中进行了简要展示。

图1 线上线下相结合的混合教学模型

混合式教学模型以线上自主学习为主，线下课堂面授为辅，通过学习者基于SPOC自主在线学习、掌握基本知识以后，然后再由教师在课堂面授环节针对普遍的重难点内容，以及学习过程中出现的各种个性化疑难问题进行释疑解答，从而增强学习者对基本知识、基本原理和基本方法更深入的理解，进而引导学习者进一步思考问题、探索前沿知识，启发学习者创造性思维，以及培养学习者的创造能力。

这种混合式的教学模型对师生都提出了要求：

1.教师层面

按图1所示的混合式教学模型，需要由课程教师进行SPOC在线同步开课，并在SPOC中发布全套数字教学资源，其中至少应包括视频课件、PPT课件、单元作业、单元测试题等。

教师也需要在课堂授课前进行课程知识点的梳理，针对每一章节乃至每一次课进行充分翔实的教学设计，预估学习者在SPOC学习中可能会面临、在课堂上会提出的问题并进行充分的释疑准备。除此之外，在课堂教学设计过程中，教师也要从课程前沿的更高层，结合课程知识点设计若干用于在面授课堂上引导学习者进行深入研讨、探索的问题。

此外还要对全体学生进行分组，主要是方便在面授环节进行分组研讨、答疑，也便于课堂管理。各组选出1名组长，每组一般包含5名学习者，人数不能过多。

2.学习者层面

提前登录SPOC平台进行课程选课注册，开课后再根据教师的进度安排，结合课程资源如课程视频和PPT课件，进行特定章节内容的在线自主学习。在学习过程中，也要做好学习笔记，发现自己不理解或者理解不透的知识点，记录并整理疑难问题，以备在课堂面授环节寻求教师释疑解答。

除了利用课外时间进行主动在线学习以外，学习者也需要像传统模式那样按课程安排表参加教师面授环节。在此环节中，学习者主要应把握三个层面的学习：①认真倾听教师针对普遍性重难点问题进行的专项讲授；②向教师提出自己记录的个性化问题；③积极参加教师设计的课堂研讨，落实组内的互动和组间互动，认真倾听、思考、发言。通过研讨，让不同的理解互相交流，让不同的思考发生碰撞，强化学习效果。

三、《计算机组成原理》教学实践

我校的《计算机组成原理》课程安排在第5学期（即大三上学期）。从2017-2018-1学期开始，该门课程已按照设计的小班混合式教学模型进行了教学实施。

课程内容包括6个教学单元[4]：①计算机系统化概述（计算机的基本概念、发展历史、软硬件体系架构和计算机系统的综合性能评价）。②数据的表示、运算与校验（定浮点数、字符，定浮点运算，奇偶、海明和CRC等校验原理）。③CPU子系统（CPU指令系统、数据通路和控制器设计方法）。④存储子系统（半导体、磁、光存储原理和器件，三级存储体系）。⑤总线与I/O子系统（总线，PIO、中断、DMA和IOP等I/O模式）。⑥I/O设备及其接口（键盘、显示器件、打印机等外设原理）。

1.SPOC资源建设

为该课程的6个教学单元开发的在线资源主要包括：161个视频课件（MP4格式）、43个教学课件（PPT格式）、5套在线单元测试题（自动评分）和2套期末考试试题（自动阅卷），还包括面向课程内容预设的问题讨论30余个。

《计算机组成原理》课程实施小班线上线下混合式教学，其所必需的SPOC开设在高教社“爱课程（中国大学MOOC）”平台，开课具体情况如图2、3所示。

在教学过程中，以每次课（固定两学时）为自主在线学习的基本粒度，参考面授环节的课堂进度，以每次课为基本粒度，提前2-3天逐批次发布在线课程资源，督察学习者自主学习。提前发布的时间不能太长或者太短，太长学习者容易拖延学习，太短则会使学习者仓促学习。因此，课程资源发布的时间提前量非常关键，无论太长还是太短都非常不利于学习者的自主学习。

2.课堂面授环节

本课程传统的课堂面授阶段安排的总学时数为56学时（不含实验环节），每个教学周安排2次面授、每次2学时，即每周4学时。此外，面授课堂采用小班教学模式，限制选课人数不超过30人，配置多媒体教学设施（投影、触摸屏），如图3所示。

教学班的学生通常是经过开放式选课参与的课程学习，因此学生有可能来自不同学院、不同班级。为了有效组织课堂研讨，按学号的关联性把30名学生分成6个学习小组，每组民主选举并设置1名组长，负责主持组内研讨、汇总研讨结果、撰写研讨报告等。

在执行每一次课堂面授时，本次课程所将涉及到的课程内容已经提前发布给了学生，学生可以进行在线自主学习，但学习效果可能会千差万别、因人而异。总体上可以把SPOC学习效果粗略归纳成三种情况，如表1所示。

在面授环节，授课教师不再按传统授课模式那样照PPT按序逐一讲授课程内容，相反采用一种全新的个性化、集约化课堂面授方式，按以下环节执行：

表1 三种典型的自主SPOC学习效果

（1）对个性化问题的释疑。在此环节，以组为单位解答学习者提出的问题，强化学生的学习。对A类学习者提出的探索性问题，这些问题通常有深度且前沿，因此面向全体学生进行解析（DA措施）；对B类学习者提出的问题，如果仅限于课程内容本身，因其不具有典型性，故组内解答（DB措施），如果属探索性问题则采用DA处理方式；对C类学习者提出的对课程内容理解方面的问题，则通过师生问题交互，引导、启发学习者掌握相关知识点，并针对性地给出学习建议（即执行DC措施，如表1所示）。

（2）重难点集中解析。面授环节，先对学习者进行个性化、针对性答疑、因材施教，解决学习者通过SPOC自主学习后的遗留问题，从而强化学习者对课程内容的理解和更深层次问题的探索性思考。然后，授课教师再将备课阶段提炼的重难点内容、实例等共性问题，面向全体学生进行内容的集中强化讲解，通过此方式使学生能查漏补缺，进一步强化学生对基本知识特别是重难点内容的理解，引导学生思考、探索更高层次、更加前沿的科学问题。

3.学生成绩评定

课程考核覆盖课堂面授和SPOC学习这两项，各占50%，满分为100分。

其中SPOC部分的考核（总分50分）由在线单元测试（5次，50%）、在线期末考试（40%）和在线论坛交互（10%）三部分组成。而课堂面授部分的考核 （总分50分）则由期末卷面统考（80%）和课堂表现（20%）组成。

《计算机组成原理》采用的就是这种“SPOC+面授”的混合教学模式，学生先通过SPOC自主进行知识的初步学习，然后在面授课堂结合教师的指导进行强化学习，并对每个学习环节进行量化评分，形成对学生的学习评价。两个环节双管齐下、逐次推进，使学生牢固掌握、理解基本知识，并进行个性化问题探索。

四、教学效果评估

到目前为止，本文设计的这种线上线下混合教学模型已经在《计算组成原理》课程教学中实施了两轮。与单纯以教师为中心的课堂授课模式相比，这种混合教学模式取得了很好的教学效果，显著提升了课程的教学质量，深受学习者好评。

为了评估混合式教学方案的实施效果[5]，课程教学组从师生互评的角度，包括学习者对教师的评价（5个指标）和教师对学习者学习效果的评价（4个指标）这两个层面进行了随机抽样，并对各项指标进行了打分。表2从两个层面（共9个教学指标）分别展示了传统课堂授课模式和混合式教学的各项指标得分情况。从表2中的指标对比结果可以看到，学习环境设置、学习活动指导、学生参与教学活动的态度以及深度方面，混合模式教学的平均得分比传统模式均有显著提升，几乎都提高了10%以上。教师对教学目标设定、学习者参与教学活动的效果等方面，混合模式的各项指标得分最少也提高了3.24%以上。

表2 混合式教学模型的教学效果对比

为了改革以教师为中心的传统教学模式，本文提出了一种基于SPOC和课堂面授相结合的线上线下混合教学方案。这种方案首先为课程制作完善的数字资源并进行SPOC同步开课，学习者在线预学习，课堂面授环节教师针对性解答学生的疑难问题并进行重难点解析。自主SPOC学习和课堂面授这两个环节相辅相成，学习者通过SPOC初步学习教学内容，然后在面授环节对学习效果进行再强化，这是一种以学习者为中心、突出自主学习和个性化学习特色的新型教学模型。《计算机组成原理》的教学实施效果表明，这种线上线下混合式教学方式通常可以改善教学效果、提升教学质量。