周立柱

（清華大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，北京 100084）

談?wù)勀秸n的實(shí)踐教學(xué)

周立柱

（清華大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，北京 100084）

實(shí)踐教學(xué)是工科專業(yè)核心課程和基礎(chǔ)課程的有機(jī)組成，慕課課程也不例外，然而慕課大規(guī)模、在線、開放的特質(zhì)使傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)方法和模式難以應(yīng)用到慕課教學(xué)中。文章以兩門慕課課程MOOC數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和MOOC電路原理為例，介紹慕課的兩種成功實(shí)踐教學(xué)模式，然后討論計(jì)算機(jī)硬件MOOC課程的實(shí)踐教學(xué)問題，提出一種可行的解決方案。

0 引 言

慕課（Massive Online Open Courses，簡(jiǎn)稱MOOC）是一種嶄新的在線教育模式，它以大規(guī)模、開放、自由選課等特色為大學(xué)教育的變革帶來了一股春風(fēng)。歷經(jīng)5年的起伏，隨著炒作泡沫的散去，今天的慕課已經(jīng)進(jìn)入注重務(wù)實(shí)的發(fā)展階段。當(dāng)下，國(guó)內(nèi)外主流慕課平臺(tái)提供的課程越來越多，大學(xué)采用慕課作為混合式教學(xué)內(nèi)容、進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的方法正在邊實(shí)踐邊推進(jìn)，學(xué)生通過慕課獲得的課程證書開始得到大學(xué)的認(rèn)同并可拿到學(xué)分，以慕課為基礎(chǔ)的微專業(yè)和微碩士開始成為大學(xué)教育的一種新形式。所有這些都在表示：慕課正在腳踏實(shí)地地向前發(fā)展，已成為現(xiàn)代教育不可或缺的重要支撐。對(duì)于這樣一種新鮮事物，教育工作者應(yīng)該花些力氣做點(diǎn)研究。抱著這種想法，筆者試著做一次粗淺的嘗試。

在慕課的課程建設(shè)中，凡是有實(shí)踐教學(xué)的課程，都會(huì)碰到一個(gè)繞不開的問題，就是如何在慕課中保證必需的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。但是，慕課的大規(guī)模、在線、開放等特質(zhì)使通常的實(shí)踐教學(xué)方法無(wú)法照搬到互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境。慕課的實(shí)踐教學(xué)面臨著一系列的挑戰(zhàn)，與慕課的在線視頻授課一樣，需要?jiǎng)?chuàng)新的思維和解決辦法。

實(shí)踐出真知。自2012慕課元年以來，慕課以及相關(guān)的教育理念與實(shí)踐，如翻轉(zhuǎn)課堂、碎片化學(xué)習(xí)、混合式教學(xué)、SPOC等在國(guó)內(nèi)高校迅速發(fā)展，取得了許多寶貴經(jīng)驗(yàn)，其中也包括慕課的實(shí)踐教學(xué)。借鑒這些經(jīng)驗(yàn)，筆者首先介紹清華在線學(xué)堂上兩門有影響的MOOC課程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和電路原理，看看這兩門課的實(shí)踐教學(xué)如何進(jìn)行。接著，探討實(shí)踐教學(xué)占重頭戲的計(jì)算機(jī)硬件MOOC課程的實(shí)踐教學(xué)問題，以清華大學(xué)計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)統(tǒng)一平臺(tái)為基礎(chǔ)，提出一個(gè)支持硬件MOOC課程教學(xué)實(shí)踐的平臺(tái)解決方案。

1 清華學(xué)堂在線的MOOC數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程

清華學(xué)堂在線的MOOC數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程由清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系鄧俊輝老師打造和主講，2013年秋通過學(xué)堂在線的慕課平臺(tái)在網(wǎng)上公開授課，后通過EdX平臺(tái)在國(guó)外推廣，并在2016年獲得EdX杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)。該門課程近年來一直保持每年數(shù)萬(wàn)人的選課規(guī)模。國(guó)內(nèi)已有10余個(gè)高校采用該課程資源進(jìn)行慕課數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的教學(xué)。

MOOC數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程含有501段視頻（總時(shí)長(zhǎng)36小時(shí)）、200余個(gè)演示、250個(gè)段間小測(cè)驗(yàn)、4次大型編程作業(yè)。課程配有測(cè)驗(yàn)題庫(kù)、編程平臺(tái)、演示庫(kù)、課程論壇、微信公眾號(hào)等，構(gòu)成了一個(gè)完整的在線授課和學(xué)習(xí)環(huán)境。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)主要是編程，學(xué)生要在計(jì)算機(jī)上用某種語(yǔ)言，如C、C++等，實(shí)現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和相關(guān)算法，掌握算法設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、分析的核心內(nèi)容，MOOC數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也不例外。但是，由于慕課的學(xué)生數(shù)量眾多，且分布在全國(guó)乃至世界各地，因此如何掌握學(xué)生實(shí)踐環(huán)節(jié)的編程完成情況、進(jìn)行評(píng)判和輔導(dǎo)的問題變得非常突出。它不可能像傳統(tǒng)教學(xué)那樣在課堂和實(shí)驗(yàn)室完成，必須有可行的互聯(lián)網(wǎng)解決方案。讓我們看看清華學(xué)堂在線的MOOC數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是如何解決的。

MOOC數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)解決教學(xué)實(shí)踐的關(guān)鍵在于獨(dú)立開發(fā)的在線編程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)在互聯(lián)網(wǎng)上運(yùn)行，配有在線文檔和視頻教程，支持教學(xué)實(shí)踐中的編程、作業(yè)提交、評(píng)判等環(huán)節(jié)，為學(xué)生與教師兩類用戶提供服務(wù)。平臺(tái)的具體功能如下：

（1）配有100余道分級(jí)習(xí)題，支持學(xué)生在互聯(lián)網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)課程編程作業(yè)。例如，范圍查詢(Range)、祖瑪(Zuma)、燈塔(LightHouse)、列車調(diào)度(Train)、真二叉樹重構(gòu)(Proper Rebuild)、旅行商(TSP)等。

（2）自動(dòng)完成學(xué)生提交編程作業(yè)的評(píng)測(cè)、統(tǒng)計(jì)和成績(jī)發(fā)布，為教師提供學(xué)生完成每次作業(yè)、每道題、每個(gè)測(cè)例的總體質(zhì)量分布。

（3）記錄學(xué)生在線學(xué)習(xí)的行為表現(xiàn)，使教師可以隨時(shí)掌握學(xué)生總體的投入情況，通過可視化工具進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

（4）提供代碼檢測(cè)，對(duì)提交的程序進(jìn)行比對(duì)和查重，發(fā)現(xiàn)編程作弊行為。

幾年的慕課教學(xué)實(shí)踐驗(yàn)證了在線編程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在支持MOOC數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)實(shí)踐方面發(fā)揮的巨大作用?？梢哉fMOOC數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能夠成為學(xué)堂在線上一門深受歡迎的課程，離不開這個(gè)平臺(tái)的有力支持。更為令人興奮的是，它讓我們看到了這種模式對(duì)以編程為主的MOOC課程實(shí)踐教學(xué)的普遍意義。

2 清華學(xué)堂在線的MOOC電路原理課程

電路原理是清華學(xué)堂在線上深受歡迎、很有影響的慕課課程之一，由清華大學(xué)電機(jī)系于歆杰老師主講。課程包括99個(gè)知識(shí)點(diǎn)、240段視頻（時(shí)長(zhǎng)22小時(shí)）、198個(gè)簡(jiǎn)單練習(xí)題和109個(gè)綜合性練習(xí)題。此外，還包括7個(gè)專門用于仿真軟件的教學(xué)視頻（長(zhǎng)度52分鐘）。

自2013年在edX和學(xué)堂在線兩個(gè)平臺(tái)同時(shí)上線以來，已有來自全世界近160個(gè)國(guó)家和地區(qū)的13萬(wàn)余名學(xué)生選修MOOC電路原理。不僅如此，它還有力地促進(jìn)了教學(xué)改革。于歆杰老師領(lǐng)銜的電路原理教學(xué)小組，以慕課資源和教學(xué)方法為基礎(chǔ)，提出了以SPOC平臺(tái)作為在線教學(xué)環(huán)境、翻轉(zhuǎn)課堂作為教學(xué)方法的“以學(xué)生為中心的教與學(xué)”模式，取得了很好的教學(xué)效果，從而榮獲清華大學(xué)2016教學(xué)成果特等獎(jiǎng)。

電路原理是本科的核心課程。常規(guī)的課程實(shí)踐教學(xué)借助電路原理實(shí)驗(yàn)箱、示波器、信號(hào)發(fā)生器、計(jì)算機(jī)、仿真軟件等多種工具完成實(shí)驗(yàn)。MOOC電路原理課程在網(wǎng)上的選課人數(shù)超過兩萬(wàn)人，對(duì)于這樣的學(xué)生大眾，傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)顯然是不可行的。

慕課的大規(guī)模教學(xué)必須借助先進(jìn)的教學(xué)手段，而仿真軟件就是一種非常好的選擇。一是慕課的大眾學(xué)員比較容易獲?。欢撬晒┗ヂ?lián)網(wǎng)環(huán)境下的上萬(wàn)學(xué)員同時(shí)使用，能夠適應(yīng)慕課教學(xué)的大規(guī)模學(xué)習(xí)環(huán)境。MOOC電路原理課程的實(shí)踐教學(xué)走的就是這樣一條技術(shù)路線，課程采用了電路仿真軟件——美國(guó)國(guó)家儀器（NI）有限公司的以Windows為基礎(chǔ)的Multisim，所有在edX和學(xué)堂在線平臺(tái)選修電路原理課程的學(xué)生用它來完成要求的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

為了幫助學(xué)生掌握仿真軟件的使用，MOOC電路原理課程在240段電路教學(xué)視頻中，特別錄制了13個(gè)電路的仿真展示和11個(gè)具有使用功能的演示實(shí)驗(yàn)展示。經(jīng)過這樣的訓(xùn)練，學(xué)生可以利用仿真軟件自主實(shí)現(xiàn)很多電路實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)踐教學(xué)的練習(xí)環(huán)節(jié)，MOOC電路原理共布置了4個(gè)題目，分別是線性電阻、非線性電阻、動(dòng)態(tài)時(shí)域、正弦穩(wěn)態(tài)4個(gè)部分，要求學(xué)生用掌握的基礎(chǔ)知識(shí)對(duì)電路進(jìn)行分析。特別在這4個(gè)部分中各布置了1個(gè)用手算算不出來的題目，要求學(xué)生用仿真軟件給出正確結(jié)果。MOOC電路原理教學(xué)表明，仿真實(shí)驗(yàn)是慕課實(shí)踐教學(xué)的一種有效手段，它既能適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)上慕課的大規(guī)模選課要求，也能保證課程教學(xué)要達(dá)到的目標(biāo)，MOOC電路原理在這方面樹立了一個(gè)很好的榜樣。

3 計(jì)算機(jī)硬件MOOC課程的實(shí)踐教學(xué)

這里所說的硬件課程包括數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等，它們構(gòu)成了計(jì)算機(jī)硬件課程的主干。

由于上述主干課程的重要性，使開設(shè)計(jì)算機(jī)專業(yè)的院系十分重視這些課程的實(shí)踐教學(xué)，為課程配置了大量的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。對(duì)于這些實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通常要在教師的輔導(dǎo)下，在實(shí)驗(yàn)室使用專用的裝置和設(shè)備才能完成。面對(duì)互聯(lián)網(wǎng)上慕課的大規(guī)模開放條件，這種傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式顯然是不可行的。

為了保證計(jì)算機(jī)硬件MOOC課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，必須在堅(jiān)持計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)核心內(nèi)容的前提下，轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn)形式，讓實(shí)驗(yàn)從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)向開放的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。換句話說，讓學(xué)生在互聯(lián)網(wǎng)上能夠做硬件實(shí)驗(yàn)。這是一種巨大的轉(zhuǎn)變，對(duì)計(jì)算機(jī)教育來說更是一種變革。令人高興的是我們看到了這種轉(zhuǎn)變的可能，也看到了這種變革的起步。這要從清華大學(xué)計(jì)算機(jī)硬件統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)說起。

計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)統(tǒng)一平臺(tái)是由清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系國(guó)家級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心開發(fā)的一套計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。它支持計(jì)算機(jī)硬件系列課程的相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，含數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等課程。以數(shù)字邏輯為例，支持的試驗(yàn)內(nèi)容包括多路選擇器設(shè)計(jì)、四位加法器（逐級(jí)進(jìn)位、超前進(jìn)位）、乘法器設(shè)計(jì)、VGA顯示控制器設(shè)計(jì)等11個(gè)。平臺(tái)已用于清華大學(xué)的硬件課程數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、微處理器設(shè)計(jì)與測(cè)試、專業(yè)實(shí)踐教學(xué)，取得了很好的效果。

計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)統(tǒng)一平臺(tái)采用兩種構(gòu)架，分別支持本地和網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?。本地模式采用?dú)立機(jī)箱，機(jī)箱內(nèi)裝有一塊由實(shí)驗(yàn)室自主開發(fā)的硬件實(shí)驗(yàn)板，通過USB接口與PC進(jìn)行通訊。學(xué)生可用試驗(yàn)箱，也可通過PC上的用戶界面完成實(shí)驗(yàn)。本地與遠(yuǎn)程這兩種方式都基于相同的硬件設(shè)備，實(shí)驗(yàn)效果相同。但是，對(duì)于慕課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，只有遠(yuǎn)程模式才有意義，所以下面著重介紹實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的遠(yuǎn)程架構(gòu)，并討論支持MOOC課程的可能性。

計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)統(tǒng)一平臺(tái)由以下幾部分組成：①硬件實(shí)驗(yàn)服務(wù)器，它是由多塊硬件實(shí)驗(yàn)板組成的特殊服務(wù)器，實(shí)驗(yàn)板與本地模式的實(shí)驗(yàn)板相同，服務(wù)器運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)軟件和實(shí)驗(yàn)服務(wù)軟件，完成實(shí)驗(yàn)及設(shè)備的管理以及同客戶端通信；②客戶端，即普通的PC，安裝有試驗(yàn)專用的軟件，提供用戶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作以及查看實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可視化界面；③連接服務(wù)器與客戶端的局域網(wǎng)，用戶在客戶端PC上完成的實(shí)驗(yàn)操作經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳送到服務(wù)器，服務(wù)器在完成實(shí)驗(yàn)操作后，再將結(jié)果經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)返回到客戶端。

計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)統(tǒng)一平臺(tái)的遠(yuǎn)程模式讓實(shí)驗(yàn)從實(shí)驗(yàn)室走向網(wǎng)絡(luò)。它打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式所受的時(shí)空限制，支持學(xué)生自己安排時(shí)間在網(wǎng)絡(luò)上完成硬件實(shí)驗(yàn)，還簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)管理，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)效果，向我們展示了互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下MOOC硬件課程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)的原型。

計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)統(tǒng)一平臺(tái)是一種典型的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的客戶端服務(wù)器架構(gòu)，將它移植到互聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境下并非難事。不妨設(shè)想一下，如果一塊實(shí)驗(yàn)板可以支持一個(gè)學(xué)生在互聯(lián)網(wǎng)上做硬件實(shí)驗(yàn)，則裝有N塊實(shí)驗(yàn)板的一個(gè)服務(wù)器群就能夠并發(fā)地支持N名學(xué)生做實(shí)驗(yàn)。由于網(wǎng)絡(luò)上的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不受時(shí)空所限，因此通過分時(shí)共享，同一塊實(shí)驗(yàn)板一天支持10人做實(shí)驗(yàn)是一件輕松的事情。這樣一來，N塊實(shí)驗(yàn)板一天支持的實(shí)驗(yàn)人數(shù)可達(dá)到10×N。假設(shè)N=100，則一天內(nèi)系統(tǒng)可支持千名學(xué)生做硬件實(shí)驗(yàn)，這是一個(gè)傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)不可想象的數(shù)字，是一次飛躍。

移植后的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)統(tǒng)一平臺(tái)可以滿足MOOC計(jì)算機(jī)硬件課程的實(shí)踐教學(xué)需求。屆時(shí)，互聯(lián)網(wǎng)上成百上千的學(xué)生通過PC、平板電腦、手機(jī)等設(shè)備完成硬件實(shí)驗(yàn)，通過論壇在線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)討論，得到助教的幫助；教師也能在平臺(tái)上及時(shí)掌握學(xué)生的試驗(yàn)情況，及時(shí)給出指導(dǎo)，平臺(tái)上記錄下學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程的數(shù)據(jù)，成為分析、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)和課程教學(xué)的科學(xué)依據(jù)?？傊?，MOOC的計(jì)算機(jī)硬件課程的實(shí)踐教學(xué)得到了合理的解決。計(jì)算機(jī)技術(shù)又一次應(yīng)用到計(jì)算機(jī)教育本身，推動(dòng)了教育的進(jìn)步。

當(dāng)然，由于互聯(lián)網(wǎng)與局域網(wǎng)之間的巨大差異，將計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)統(tǒng)一平臺(tái)移植到互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下必須解決某些關(guān)鍵技術(shù)問題，例如，平臺(tái)的性能與安全、系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、可供學(xué)生和教師討論實(shí)驗(yàn)的在線論壇、記錄學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)的日志系統(tǒng)、友好易用的客戶端（PC、平板電腦、手機(jī)）界面、實(shí)驗(yàn)者身份認(rèn)證、必要的硬件工作等，但所有這些都是可解決的。

4 結(jié) 語(yǔ)

慕課為大學(xué)教育開創(chuàng)了一種新的教育模式，如何解決課程的實(shí)踐教學(xué)問題對(duì)于慕課的推廣至關(guān)重要。本文介紹了在線編程平臺(tái)和仿真方法兩種解決方案，分別在清華學(xué)堂在線的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程和電路原理課程中得到了應(yīng)用，成為成功的案例。清華大學(xué)開發(fā)的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)統(tǒng)一平臺(tái)支持了計(jì)算機(jī)硬件MOOC課程的設(shè)想和可行方案。我們深信，隨著慕課的深入發(fā)展，慕課實(shí)踐教學(xué)這一主題必然會(huì)引起人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注和研究，從而產(chǎn)生更多的創(chuàng)新方法和模式。

致 謝

筆者在完成本文的過程中得到了鄧俊輝老師、于歆杰老師、劉秀成老師以及清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系國(guó)家級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心許多老師的幫助，在此一并表示衷心的感謝。

1672-5913(2017)11-0002-03

G642

周立柱，男，教授，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)庫(kù)、Web信息提取與數(shù)據(jù)挖掘、基于位置的查詢處理與信息服務(wù)等，dcszlz@tsinghua.edu.cn。

周立柱

（編輯：孫怡銘）