《计算机组成原理》硬件实验线上线下混合教学模式探讨

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　　摘要：作为计算机以及相关专业的主修专业课程，《计算机组成原理》的实验环节，目前广泛采用线下方式。即：利用开发箱，学生通过动手布线，完成实验设计。但是，受限于实验场地和实验箱等硬件条件，实验的过程控制不具有连贯性，实验效果不够理想。基于软件工程专业认证以产出为导向，以学生为中心的理念，建立线下实体平台与线上虚拟平台的混合教学模式显得尤为迫切和必要。本文探讨了线上与线下混合硬件实验教学模式的总体架构和设计方案。通过这种混合教学模式的开展，可以完善过程控制，提升学生对于整个实验环节的操控能力。方式灵活，能够更为充分地支撑理论授课。
　　关键词：计算机组成原理;硬件虚拟仿真平台;线上线下混合实验教学
　　中图分类号：TP311      文献标识码：A
　　文章编号：1009-3044（2020）23-0103-02
　　1 引言
　　《计算机组成原理》是计算机及其相关专业的专业必修课程，同时也是研究生入学考试的必考科目。对于该门课程的教学改革，目前存在很多的改革思路和成果。如针对网络教学的：翻转课堂[1]，慕课MOOC[2]，SPOC微课[3]以及各种混合式教学改革方案[4][5]。除了针对理论教学的改革，教学工作者也陆续提出了一些针对实验教学的改革方案。大致可以划分为针对体系改革[6][7]以及针对硬件虚拟平台设计[8-11]几个方面的工作。与较为集中和充分的理论教学改革比较，针对实验教学改革的研究与探讨工作尚不够充分和完善。
　　分析已有的建设思路和方案，我们发现，从功能角度而言，没有提供实验前和实验后的过程控制，不能支持学生实验前的预习、实验后的复习功能。从完整性而言，没有实现线上建设和线下平台的结合;从用户角色划分上，主要以学生为主要角色，没有提供教师角色，因而无法支持教师的测评环节。此外，从实现层面看，平台的完整性和扩展性较差。可见，对于线上和线下混合硬件实验教学的研究尚存在较大的空间。
　　厦门大学软件工程专业于2018年通过了工程教育认证，按照“以学生为中心”“产出导向”“持续改进”的基本理念，我们提出线上线下的混合硬件教学模式。线上教学主要基于虚拟硬件实验平台，学生和教师以不同角色登录平台，有针对性地完成相應的任务。线下教学则基于原有的实验开发箱，进行实际操作。通过线上与线下的结合，使得实验前，实验中和实验后，都能够体现以学生为本的主旨。同时，虚拟平台的结合，提升了实验教学的自动化程度，降低了对于硬件环境的依赖，具有更大的灵活性和可扩展性。
　　2 线上与线下混合硬件实验教学总体架构
　　与其他课程相比，《计算机组成原理》课程的实验环节具有下述特点：
　　1） 不仅需要个人电脑，还需要线下实际的开发平台;
　　2） 学生通过现场布线完成实验项目，对于实际操作能力要求较高。
　　随之带来下述问题：
　　1） 实验环境以现场为主，无法支持学生进行实验前预习，以及演示和验证等工作;
　　2） 实验报告等需要离线提交，学生只能根据实验回忆进行整理;
　　3） 受到实际开发箱的限制，通常需要分小组分轮次进行，既耗时，又无法实现对于学生个体能力的考核。
　　针对上述问题，围绕实验流程，我们给出线上线下混合硬件实验教学的总体架构，如图1所示。
　　如图1所示，左侧流程为原有的线下硬件实验教学模式，右侧则为改革后，线上线下的混合教学模式。具体如下：
　　1） 将原有的实验前预习工作转移到线上。在线上预习模块，学生可以针对上传的实验手册和实验演示进行充分的课前预习。为了保证预习效果，平台设置有预习打卡机制。
　　2） 维持原有的实验中的现场布线环节。此外，为了强化现场操作环节，在进行实际操作时，我们给出如下的限制条件：
　　① 由于已经设置了预习环节，因而，现场操作时，学生不能够再查看实验演示和说明手册，只能看到具体的实验任务和要求。
　　② 单人单机，根据实验的复杂程度，控制时间在60分钟之内完成。
　　③ 完成实验后，教师或者助教现场检验，并将布线情况拍照上传到虚拟平台，作为记录;
　　④ 为了考查学生对于实验的理解程度，学生完成实验后，还需要利用线上平台提供的问题列表，随机选择问题，回答并提交到虚拟平台。
　　3） 对于实验后需要完成的报告撰写和综合测试环节，转移到线上虚拟平台。学生可以进行报告的自动生成，包括现场问题回答的情况。教师则根据预习环节，线下布线检验的结果以及实验报告撰写的质量等进行线上的综合测评，给出最终的实验成绩。
　　3 线上线下虚拟仿真平台设计
　　针对前述的分析，我们给出线上虚拟平台的总体功能设计，如图2所示。
　　如图2所示，《计算机组成原理》硬件实验虚拟平台总共分为6个模块。
　　1） 用户登录界面：根据需求分析，设置学生和教师两种用户角色。
　　2） 实验预习模块：主要用于实验前的预习，提供电子版本的实验手册供学生预习和准备;此外，还可以提供实验演示。
　　3） 实验布线模块：此部分针对实际操作的布线环节。提供实验布线，以及布线过程中出错后的及时清除，布线结束后的线路校验环节。
　　4） 实验项目模块：根据课程需要，设置5个实验项目。分别是：运算器、存储器、总线、微程序控制器以及模型机。实验项目可以根据实际需要扩充。
　　5） 实验结果模块：支持现场实验结果的提交，实验问答，报告的自动生成以及教师测评等功能。
　　6） 管理员模块：主要进行平台维护以及用户权限管理等。
　　为了评价我们的改革思路的有效性，我们从几个角度进行了改革前后两种模式的比较，如表1所示：学生通过线上平台可以进行充分的预习工作，因而，线下实验布线的时间会大大缩减;同时，所有的数据（预习+布线+实验报告）等均可以通过线上平台进行保存，显著提高了自动化过程。此外，由于线上与线下的结合，使得单人单机操作成为可能。以前固定时间下的分小组分轮次的模式，将被更为灵活的模式替代，如：可以采用实验预约模式等。
　　4 结论
　　《计算机组成原理》硬件实验线上线下混合教学模式的探讨是适应学科特色，学科发展以及“以本为本”“以学生为中心”“以产出为导向”等方针政策的综合体现。通过实验前，实验中，实验后全流程的过程管理，采用现场与虚拟平台结合的方式，克服了原有单一线下教学的不足，有效提升学生对于实验环节的重视程度，加深对于实验项目的理解，方便教师对于实验流程的管理和成绩评定。后续，我们将进一步探索和完善该模式，为同类课程提供可借鉴的思路和方案。
　　参考文献：
　　[1] 吴旭.计算机组成原理课程的翻转课堂教学研究[J].福建电脑，2020，36（1）：100-101.
　　[2] 崔永利，林克正，朱素霞，等.基于MOOC理念的计算机组成原理课程教学研究[J].中国现代教育装备，2018（19）：87-89，93.
　　[3] 宋峰，松云.SPOC教学模式下《计算机组成原理》的教学效果分析[J].内蒙古师范大学学报（教育科学版），2018，31（3）：111-115.
　　[4] 刘三荣，候艳艳，单承刚，等.MOOC+混合式教学模式下计算机组成原理课程的教学改革与研究[J].科教导刊（中旬刊），2019（5）：124-125.
　　[5] 纪禄平，刘辉，罗克露.《计算机组成原理》线上线下混合式小班教学探索及实践[J].中国教育信息化，2019（4）：60-62.
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