一种计算机硬件类课程实验教学方法

章复嘉，孙丹凤，赵建勇，林 菲，李二涛

(杭州电子科技大学 国家级计算机实验教学示范中心，杭州 310018)

0 引 言

在线教育是近几年教育改革的热点，高校教学改革经历了从MOOC到SPOC的发展[1-2]。然而，在高等教育领域MOOC并非适用于所有课程，对于专业性较强的课程，采用SPOC是更好的选择，因为SPOC既吸收了MOOC的优点，又便于在高校开展。多年实践表明，MOOC/SPOC实施的难点之一在于怎样设计与实践紧密结合的课程教学方案、怎样制作适用的实践教学资源，如何能够切实有效地提高实践课程的教学效果，培养学生的动手能力[1]。

本文在“互联网+”大背景下，针对数字电路设计、计算机组成原理、嵌入式系统原理等计算机硬件类课程实验的特点，结合远程FPGA实验板卡、远程STM32F207VC开发板等实验设备的应用，提出了针对硬件类课程实验的RSIE-SPOC教学方法。

1 自主学习理论、SPOC教学模式和PBL方法

1972年联合国教科文组织国际教育发展委员会在《学会生存——教育世界的今天和明天》报告中指出：未来的学校必须把教育的对象变成自己教育自己的主体[3]。这一著名的论点颠覆了教育是单向知识传授的概念，明确了教育的目标是要使受教育的人成为教育他自己的人，要帮助学生掌握学习的方法，培养终身学习的意识和能力。

2013年，哈佛大学提出了支持自主学习理论的SPOC(Small Private Online Courses)教学模式，即小规模专有性在线课程，SPOC结合了MOOC和翻转课堂的优点，将符合准入条件的学生分成小班，小班规模一般在几十人至几百人，让学生利用MOOCs的优质资源进行课前学习，采用翻转课堂的形式，通过课堂上做练习、讨论等形式更深入地学习，从而比MOOC更有效地实施线上线下相结合的混合式教学[2]。

PBL(Problem-Based Learning)最早起源于20世纪50年代的医学教育，是一套以学生为中心，以问题为导向，设计学习情境的完整方法。该方法遵循教师课前提出问题→学生查找资料→分组讨论→教师总结的思路，偏重小组合作学习和自主学习，为学生们营造轻松、主动的学习氛围，在讨论中加深对正确理论的理解，锻炼学生们文献检索、查阅资料、归纳总结、综合理解，逻辑推理、口头表达等多方面的能力。在目前的SPOC教学实施中，PBL是一种常用的设计学习情境的方法。

2 硬件类课程实践教学现状和需求

在数字电路设计、计算机组成原理和嵌入式系统原理等硬件课程及实验教学中,发现学生普遍存在“重软轻硬”即重视软件课程轻视硬件课程现象。付振勇[4]针对学生对硬件实验缺乏兴趣的现象，提出从教学内容上进行改革，给学生拓展思考题，引导培养科研探索的兴趣。迟宗正[5]认为层次化任务驱动式实践环节能够提高学生兴趣，发挥其主观创新能动性。陈永强等[6]则提出设计一个硬件实验平台，促进软硬件协同的学习，从而提高学习兴趣的方法。周刚等[7]针对按部就班实验不能发挥学生思考能力和创新能力的现象，采用PBL教育法设计问题导向的创新实验方案来培养学生的创新能力。姜欣宁[8]从系统设计任务驱动的角度出发，培养学生自主创新能力。李宁等[9]针对硬件实验不能满足学生“充分实践”需要的现象，提出更多开放实验室和学生租赁学校设备的方法来增加学生实践的机会。朱铭琳[10]针对硬件实践不充分和创新能力培养不够的现象，主张利用课余时间，教师指导学生团队进行创新实验的方式培养创新能力，积累项目开发经验。迟宗正等[11]在教学中发现，传统实验考核方式存在漏洞，无法对每一位同学准确评估，他们采用笔试+机试相结合的方式解决不能准确评估的问题。另外他们也采用平台共享的方式解决传统教学资料传达方式的不足。

为了更好地解决学生“重软轻硬”的现象，本文探索采用一种新的硬件实验教学方法——RSIE-SPOC教学方法。R代表远程访问，S代表自主学习，I代表创新性，E代表实验。采用RSIE-SPOC解决上述问题的方法是：

(1)围绕教学目标，及时调整和更新实验内容，夯实基础，激发学生的学习兴趣和探究欲，为“充分实践”扫清思想障碍。

(2)开发远程可交互式访问硬件设备，提供7×24 h开放实验，为学生提供“充分实践”的机会。

(3)采用SPOC+翻转课堂的PBL方法布置任务、发布学习资料、组织课堂讨论和评定实验成绩，促进深度思考，获得准确的成绩评估。

3 RSIE-SPOC教学方法的实施

RSIE-SPOC教学方法，是针对硬件类课程实验教学的需要，基于远程可交互式访问的硬件实验设备，采用SPOC和翻转课堂组织学习的，是一种普适于硬件类课程实验的新的教学方法。

3.1 基于远程可交互式硬件实验设备的“充分实践”

RSIE-SPOC要求教师采用制作和使用翻转课堂教学视频的经典五步法(分析、整理、制作、发布和反馈)来制作课前视频和组织课程学习，切实落实知识表达和教学设计，视频与自主学习任务单配合使用。课前发布的学习资料包含3类信息：①自主学习任务单；②实验任务和要求；③相关知识点学习资料(视频、文字、PPT等)；④实验教学短视频或现场实操短视频。

RSIE-SPOC课前实践是以远程可交互访问硬件实验设备为基础的“充分实践”。在图1所示的架构下，硬件实验板卡7×24 h开放，学生通过校内IP地址登录服务器，申请使用设备，不仅可以下载程序到设备上，还可以实时输入参数和查看返回的参数。课前学生实践步骤是：①通过网站登录申请使用设备；②设备使用申请得到审批后，可在指定时间段内进行设备的调试使用；③连接服务程序，由服务程序连接具体设备进行调试；④调试时间结束后，服务程序自动断开连接，终止设备联调。

在这个过程中，学生可以通过平台提供的智能问答系统、教师在线辅导等方式获得帮助。这种与其他学习者在线交互的方式，能够促进学生对学习的投入程度[12]。

图1 教学流程和远程可交互式硬件实验平台架构

3.2 不断更新实验要求

RSIE-SPOC要求教师遵循PBL方法，以问题为导向设计实验任务，强调知识的融会贯通和灵活运用，且每年实验内容都有少量更新，比如：组成原理实验指导书上设计单周期MIPS CPU的R+I型指令数据通路实验，老师发布实验任务比指导书上多1条输入指令，并且要求使用I型指令格式实现该输入功能，而前1年的要求是用R型格式实现输入和输出2条指令。

在保持实验质量不降低的前提下，围绕实验内容作出一些调整，促使学生独立思考，不断探索，继而培养他们的创新精神，同时也能够有效避免抄袭往届同学实验代码应付检查的现象，为拓展课堂讨论的深度和广度，获得更好的实验教学效果，打下良好基础。

3.3 精心设计实验课堂教学活动

RSIE-SPOC将实验课的时间全部用于实验验收和课堂讨论，要求课堂讨论时在硬件板卡上再现实验设计，并据此展开协作讨论。如果没有本地实验板卡，则必须在能够远程访问硬件实验板卡的场所进行课堂讨论，这种情况下教师需要事先向网站管理员申请该时间段独占足够数量的设备。

教师抓住“内化知识”和“拓展能力”这两个关键词，基于“四步法”(检测、作业、协作、展示)来设计实验课堂的教学活动。

在“检测”阶段，通过不超出自主学习任务单的问题来对学生进行检测，增加他们的学习成就感。

在“作业”阶段，教师围绕实验提出进阶式具有挑战的问题，引导学生深度思考。

在“协作”阶段，学生分组展开讨论，甚至当场编程，在硬件板卡上测试，在此阶段教师需教导学生怎样观察，怎样做好记录，怎样分析结果，从而使学生能力得到发展。

美国缅因州Bethel国家训练实验室的学习金字塔实验[13]结果表明，如果成功组织好课堂“展示”，那么将会得到比协作学习和“做中学”这两种构建主义方法更有效的学习效果。常见的问题是，学生多以至无法做到每一组都展示，建议采用每次课换几组展示的循环训练方法来解决这个问题，因为RSIE-SPOC将实验课所有时间都用于课堂讨论，所以一个实验能够对应几次课堂讨论，从而为小组提供更多展示机会。

最后，在“四步法”基础上，教师还可以根据需要，选择添加“教师总结”环节。

以上课堂教学活动中，教师和学生分别依据PBL教师评估量表和PBL学生评估量表等开展学生自评、学生互评和导师评估。在参考前人已有的教学评估量表基础上，教师根据课程特点来设计本实验课的评估量表和各项目权重，可选用Likert量表、德尔菲法等方法进行设计。在设计评价维度的时候应尽量做到全面，比如将自主学习、团队合作、沟通情况等各方面纳入评估，使量表具有较好信度，在评估各方面都得到较好的Alpha一致性评测数值。

另外，有研究表明，PBL自评环节中，表现差的学生容易给自己高分，能力强的学生反而自评分偏低[14-15]。学生自评和学生互评得分普遍高于导师评分。这些现象降低了成绩与学习效果的一致性，老师可以采取调整导师评分比例、举行笔试并在成绩构成中占一定比例等方法进行修正。

3.4 成绩评定

RSIE-SPOC模式下，实验成绩由课前自主学习成绩、课堂讨论成绩、实验程序验收成绩和实验报告成绩构成，四者比例因课程不同而存在差异，参考比例为：课前学习资料成绩占10%，课堂讨论成绩占30%，实验程序验收成绩占30%，实验报告成绩占30%。

系统按照设置，根据学生看短视频等资料的情况自动统计课前自主学习成绩。课堂讨论成绩由学生自评、学生互评和展示评分3个部分构成。学生自评和互评的依据是PBL学生自评量表和PBL学生互评量表。展示评分的依据是PBL教师评估量表。

实验程序验收成绩由老师评价。

实验报告成绩由学生互评、教师评价和评委得分3部分构成，三者比例一般建议：40%、50%和10%。

实验报告中除了实验内容而外，还应该包含实验心得体会和进一步思考等内容，并且注明小组每个成员的分工，实验报告按人提交。如图2所示，实验报告按照PBL互评方法进行评审，每位同学需评审10份实验报告，每份实验报告分别由10名同学评审。为杜绝抄袭报告和乱评分现象，系统平台对报告查重并隐去待评报告的姓名和学号，随机发送给10位同班学生评委，学生评委按照老师发布的实验报告评分标准进行评审，从10个得分中去掉最高分和最低分后取平均分作为该实验报告的学生互评得分。

图2 PBL实验报告管理及成绩评定

当学生评审同学的报告后，计算该报告的平均分和每一位学生评委给分与平均分的差值，乘以失分系数后与评委应得满分相减，得到该评委对这一篇报告的评审得分，对10篇报告都按此方法求得评审得分，然后求平均便得到该同学的评委得分。

同一个小组的学生在共同完成实验时每个人贡献可能不同，对实验的反思、收获和深度思考也可能不同，每位同学实验报告的评委得分也可能不同，这些都是组内不同成员获得不同成绩的原因。

4 结 语

基于多年来硬件实验教学和实验室管理经验，结合远程可交互式硬件实验设备，提出了针对硬件类课程实验的RSIE-SPOC教学方法。近2年来，在数字电路设计、组成原理、嵌入式系统原理3门课程的实验教学中展开应用，取得了良好的教学效果，涌现出多名优秀的学生，学生普遍反映得到充分的动手实践机会。基于实践的课堂讨论气氛热烈，能够启发深度思考，采用平台支持下的PBL实验报告管理和成绩评定方法，基本能够实现对每一位同学精确评定成绩，同时又有效杜绝抄袭报告和乱评分现象。