章復(fù)嘉，孫丹鳳，趙建勇，林 菲，李二濤

(杭州電子科技大學(xué) 國家級計算機實驗教學(xué)示范中心，杭州 310018)

0 引 言

在線教育是近幾年教育改革的熱點，高校教學(xué)改革經(jīng)歷了從MOOC到SPOC的發(fā)展[1-2]。然而，在高等教育領(lǐng)域MOOC并非適用于所有課程，對于專業(yè)性較強的課程，采用SPOC是更好的選擇，因為SPOC既吸收了MOOC的優(yōu)點，又便于在高校開展。多年實踐表明，MOOC/SPOC實施的難點之一在于怎樣設(shè)計與實踐緊密結(jié)合的課程教學(xué)方案、怎樣制作適用的實踐教學(xué)資源，如何能夠切實有效地提高實踐課程的教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力[1]。

本文在“互聯(lián)網(wǎng)+”大背景下，針對數(shù)字電路設(shè)計、計算機組成原理、嵌入式系統(tǒng)原理等計算機硬件類課程實驗的特點，結(jié)合遠(yuǎn)程FPGA實驗板卡、遠(yuǎn)程STM32F207VC開發(fā)板等實驗設(shè)備的應(yīng)用，提出了針對硬件類課程實驗的RSIE-SPOC教學(xué)方法。

1 自主學(xué)習(xí)理論、SPOC教學(xué)模式和PBL方法

1972年聯(lián)合國教科文組織國際教育發(fā)展委員會在《學(xué)會生存——教育世界的今天和明天》報告中指出：未來的學(xué)校必須把教育的對象變成自己教育自己的主體[3]。這一著名的論點顛覆了教育是單向知識傳授的概念，明確了教育的目標(biāo)是要使受教育的人成為教育他自己的人，要幫助學(xué)生掌握學(xué)習(xí)的方法，培養(yǎng)終身學(xué)習(xí)的意識和能力。

2013年，哈佛大學(xué)提出了支持自主學(xué)習(xí)理論的SPOC(Small Private Online Courses)教學(xué)模式，即小規(guī)模專有性在線課程，SPOC結(jié)合了MOOC和翻轉(zhuǎn)課堂的優(yōu)點，將符合準(zhǔn)入條件的學(xué)生分成小班，小班規(guī)模一般在幾十人至幾百人，讓學(xué)生利用MOOCs的優(yōu)質(zhì)資源進(jìn)行課前學(xué)習(xí)，采用翻轉(zhuǎn)課堂的形式，通過課堂上做練習(xí)、討論等形式更深入地學(xué)習(xí)，從而比MOOC更有效地實施線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)[2]。

PBL(Problem-Based Learning)最早起源于20世紀(jì)50年代的醫(yī)學(xué)教育，是一套以學(xué)生為中心，以問題為導(dǎo)向，設(shè)計學(xué)習(xí)情境的完整方法。該方法遵循教師課前提出問題→學(xué)生查找資料→分組討論→教師總結(jié)的思路，偏重小組合作學(xué)習(xí)和自主學(xué)習(xí)，為學(xué)生們營造輕松、主動的學(xué)習(xí)氛圍，在討論中加深對正確理論的理解，鍛煉學(xué)生們文獻(xiàn)檢索、查閱資料、歸納總結(jié)、綜合理解，邏輯推理、口頭表達(dá)等多方面的能力。在目前的SPOC教學(xué)實施中，PBL是一種常用的設(shè)計學(xué)習(xí)情境的方法。

2 硬件類課程實踐教學(xué)現(xiàn)狀和需求

在數(shù)字電路設(shè)計、計算機組成原理和嵌入式系統(tǒng)原理等硬件課程及實驗教學(xué)中,發(fā)現(xiàn)學(xué)生普遍存在“重軟輕硬”即重視軟件課程輕視硬件課程現(xiàn)象。付振勇[4]針對學(xué)生對硬件實驗缺乏興趣的現(xiàn)象，提出從教學(xué)內(nèi)容上進(jìn)行改革，給學(xué)生拓展思考題，引導(dǎo)培養(yǎng)科研探索的興趣。遲宗正[5]認(rèn)為層次化任務(wù)驅(qū)動式實踐環(huán)節(jié)能夠提高學(xué)生興趣，發(fā)揮其主觀創(chuàng)新能動性。陳永強等[6]則提出設(shè)計一個硬件實驗平臺，促進(jìn)軟硬件協(xié)同的學(xué)習(xí)，從而提高學(xué)習(xí)興趣的方法。周剛等[7]針對按部就班實驗不能發(fā)揮學(xué)生思考能力和創(chuàng)新能力的現(xiàn)象，采用PBL教育法設(shè)計問題導(dǎo)向的創(chuàng)新實驗方案來培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。姜欣寧[8]從系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)驅(qū)動的角度出發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新能力。李寧等[9]針對硬件實驗不能滿足學(xué)生“充分實踐”需要的現(xiàn)象，提出更多開放實驗室和學(xué)生租賃學(xué)校設(shè)備的方法來增加學(xué)生實踐的機會。朱銘琳[10]針對硬件實踐不充分和創(chuàng)新能力培養(yǎng)不夠的現(xiàn)象，主張利用課余時間，教師指導(dǎo)學(xué)生團隊進(jìn)行創(chuàng)新實驗的方式培養(yǎng)創(chuàng)新能力，積累項目開發(fā)經(jīng)驗。遲宗正等[11]在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)實驗考核方式存在漏洞，無法對每一位同學(xué)準(zhǔn)確評估，他們采用筆試+機試相結(jié)合的方式解決不能準(zhǔn)確評估的問題。另外他們也采用平臺共享的方式解決傳統(tǒng)教學(xué)資料傳達(dá)方式的不足。

為了更好地解決學(xué)生“重軟輕硬”的現(xiàn)象，本文探索采用一種新的硬件實驗教學(xué)方法——RSIE-SPOC教學(xué)方法。R代表遠(yuǎn)程訪問，S代表自主學(xué)習(xí)，I代表創(chuàng)新性，E代表實驗。采用RSIE-SPOC解決上述問題的方法是：

(1)圍繞教學(xué)目標(biāo)，及時調(diào)整和更新實驗內(nèi)容，夯實基礎(chǔ)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲，為“充分實踐”掃清思想障礙。

(2)開發(fā)遠(yuǎn)程可交互式訪問硬件設(shè)備，提供7×24 h開放實驗，為學(xué)生提供“充分實踐”的機會。

(3)采用SPOC+翻轉(zhuǎn)課堂的PBL方法布置任務(wù)、發(fā)布學(xué)習(xí)資料、組織課堂討論和評定實驗成績，促進(jìn)深度思考，獲得準(zhǔn)確的成績評估。

3 RSIE-SPOC教學(xué)方法的實施

RSIE-SPOC教學(xué)方法，是針對硬件類課程實驗教學(xué)的需要，基于遠(yuǎn)程可交互式訪問的硬件實驗設(shè)備，采用SPOC和翻轉(zhuǎn)課堂組織學(xué)習(xí)的，是一種普適于硬件類課程實驗的新的教學(xué)方法。

3.1 基于遠(yuǎn)程可交互式硬件實驗設(shè)備的“充分實踐”

RSIE-SPOC要求教師采用制作和使用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)視頻的經(jīng)典五步法(分析、整理、制作、發(fā)布和反饋)來制作課前視頻和組織課程學(xué)習(xí)，切實落實知識表達(dá)和教學(xué)設(shè)計，視頻與自主學(xué)習(xí)任務(wù)單配合使用。課前發(fā)布的學(xué)習(xí)資料包含3類信息：①自主學(xué)習(xí)任務(wù)單；②實驗任務(wù)和要求；③相關(guān)知識點學(xué)習(xí)資料(視頻、文字、PPT等)；④實驗教學(xué)短視頻或現(xiàn)場實操短視頻。

RSIE-SPOC課前實踐是以遠(yuǎn)程可交互訪問硬件實驗設(shè)備為基礎(chǔ)的“充分實踐”。在圖1所示的架構(gòu)下，硬件實驗板卡7×24 h開放，學(xué)生通過校內(nèi)IP地址登錄服務(wù)器，申請使用設(shè)備，不僅可以下載程序到設(shè)備上，還可以實時輸入?yún)?shù)和查看返回的參數(shù)。課前學(xué)生實踐步驟是：①通過網(wǎng)站登錄申請使用設(shè)備；②設(shè)備使用申請得到審批后，可在指定時間段內(nèi)進(jìn)行設(shè)備的調(diào)試使用；③連接服務(wù)程序，由服務(wù)程序連接具體設(shè)備進(jìn)行調(diào)試；④調(diào)試時間結(jié)束后，服務(wù)程序自動斷開連接，終止設(shè)備聯(lián)調(diào)。

在這個過程中，學(xué)生可以通過平臺提供的智能問答系統(tǒng)、教師在線輔導(dǎo)等方式獲得幫助。這種與其他學(xué)習(xí)者在線交互的方式，能夠促進(jìn)學(xué)生對學(xué)習(xí)的投入程度[12]。

圖1 教學(xué)流程和遠(yuǎn)程可交互式硬件實驗平臺架構(gòu)

3.2 不斷更新實驗要求

RSIE-SPOC要求教師遵循PBL方法，以問題為導(dǎo)向設(shè)計實驗任務(wù)，強調(diào)知識的融會貫通和靈活運用，且每年實驗內(nèi)容都有少量更新，比如：組成原理實驗指導(dǎo)書上設(shè)計單周期MIPS CPU的R+I型指令數(shù)據(jù)通路實驗，老師發(fā)布實驗任務(wù)比指導(dǎo)書上多1條輸入指令，并且要求使用I型指令格式實現(xiàn)該輸入功能，而前1年的要求是用R型格式實現(xiàn)輸入和輸出2條指令。

在保持實驗質(zhì)量不降低的前提下，圍繞實驗內(nèi)容作出一些調(diào)整，促使學(xué)生獨立思考，不斷探索，繼而培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神，同時也能夠有效避免抄襲往屆同學(xué)實驗代碼應(yīng)付檢查的現(xiàn)象，為拓展課堂討論的深度和廣度，獲得更好的實驗教學(xué)效果，打下良好基礎(chǔ)。

3.3 精心設(shè)計實驗課堂教學(xué)活動

RSIE-SPOC將實驗課的時間全部用于實驗驗收和課堂討論，要求課堂討論時在硬件板卡上再現(xiàn)實驗設(shè)計，并據(jù)此展開協(xié)作討論。如果沒有本地實驗板卡，則必須在能夠遠(yuǎn)程訪問硬件實驗板卡的場所進(jìn)行課堂討論，這種情況下教師需要事先向網(wǎng)站管理員申請該時間段獨占足夠數(shù)量的設(shè)備。

教師抓住“內(nèi)化知識”和“拓展能力”這兩個關(guān)鍵詞，基于“四步法”(檢測、作業(yè)、協(xié)作、展示)來設(shè)計實驗課堂的教學(xué)活動。

在“檢測”階段，通過不超出自主學(xué)習(xí)任務(wù)單的問題來對學(xué)生進(jìn)行檢測，增加他們的學(xué)習(xí)成就感。

在“作業(yè)”階段，教師圍繞實驗提出進(jìn)階式具有挑戰(zhàn)的問題，引導(dǎo)學(xué)生深度思考。

在“協(xié)作”階段，學(xué)生分組展開討論，甚至當(dāng)場編程，在硬件板卡上測試，在此階段教師需教導(dǎo)學(xué)生怎樣觀察，怎樣做好記錄，怎樣分析結(jié)果，從而使學(xué)生能力得到發(fā)展。

美國緬因州Bethel國家訓(xùn)練實驗室的學(xué)習(xí)金字塔實驗[13]結(jié)果表明，如果成功組織好課堂“展示”，那么將會得到比協(xié)作學(xué)習(xí)和“做中學(xué)”這兩種構(gòu)建主義方法更有效的學(xué)習(xí)效果。常見的問題是，學(xué)生多以至無法做到每一組都展示，建議采用每次課換幾組展示的循環(huán)訓(xùn)練方法來解決這個問題，因為RSIE-SPOC將實驗課所有時間都用于課堂討論，所以一個實驗?zāi)軌驅(qū)?yīng)幾次課堂討論，從而為小組提供更多展示機會。

最后，在“四步法”基礎(chǔ)上，教師還可以根據(jù)需要，選擇添加“教師總結(jié)”環(huán)節(jié)。

以上課堂教學(xué)活動中，教師和學(xué)生分別依據(jù)PBL教師評估量表和PBL學(xué)生評估量表等開展學(xué)生自評、學(xué)生互評和導(dǎo)師評估。在參考前人已有的教學(xué)評估量表基礎(chǔ)上，教師根據(jù)課程特點來設(shè)計本實驗課的評估量表和各項目權(quán)重，可選用Likert量表、德爾菲法等方法進(jìn)行設(shè)計。在設(shè)計評價維度的時候應(yīng)盡量做到全面，比如將自主學(xué)習(xí)、團隊合作、溝通情況等各方面納入評估，使量表具有較好信度，在評估各方面都得到較好的Alpha一致性評測數(shù)值。

另外，有研究表明，PBL自評環(huán)節(jié)中，表現(xiàn)差的學(xué)生容易給自己高分，能力強的學(xué)生反而自評分偏低[14-15]。學(xué)生自評和學(xué)生互評得分普遍高于導(dǎo)師評分。這些現(xiàn)象降低了成績與學(xué)習(xí)效果的一致性，老師可以采取調(diào)整導(dǎo)師評分比例、舉行筆試并在成績構(gòu)成中占一定比例等方法進(jìn)行修正。

3.4 成績評定

RSIE-SPOC模式下，實驗成績由課前自主學(xué)習(xí)成績、課堂討論成績、實驗程序驗收成績和實驗報告成績構(gòu)成，四者比例因課程不同而存在差異，參考比例為：課前學(xué)習(xí)資料成績占10%，課堂討論成績占30%，實驗程序驗收成績占30%，實驗報告成績占30%。

系統(tǒng)按照設(shè)置，根據(jù)學(xué)生看短視頻等資料的情況自動統(tǒng)計課前自主學(xué)習(xí)成績。課堂討論成績由學(xué)生自評、學(xué)生互評和展示評分3個部分構(gòu)成。學(xué)生自評和互評的依據(jù)是PBL學(xué)生自評量表和PBL學(xué)生互評量表。展示評分的依據(jù)是PBL教師評估量表。

實驗程序驗收成績由老師評價。

實驗報告成績由學(xué)生互評、教師評價和評委得分3部分構(gòu)成，三者比例一般建議：40%、50%和10%。

實驗報告中除了實驗內(nèi)容而外，還應(yīng)該包含實驗心得體會和進(jìn)一步思考等內(nèi)容，并且注明小組每個成員的分工，實驗報告按人提交。如圖2所示，實驗報告按照PBL互評方法進(jìn)行評審，每位同學(xué)需評審10份實驗報告，每份實驗報告分別由10名同學(xué)評審。為杜絕抄襲報告和亂評分現(xiàn)象，系統(tǒng)平臺對報告查重并隱去待評報告的姓名和學(xué)號，隨機發(fā)送給10位同班學(xué)生評委，學(xué)生評委按照老師發(fā)布的實驗報告評分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評審，從10個得分中去掉最高分和最低分后取平均分作為該實驗報告的學(xué)生互評得分。

圖2 PBL實驗報告管理及成績評定

當(dāng)學(xué)生評審?fù)瑢W(xué)的報告后，計算該報告的平均分和每一位學(xué)生評委給分與平均分的差值，乘以失分系數(shù)后與評委應(yīng)得滿分相減，得到該評委對這一篇報告的評審得分，對10篇報告都按此方法求得評審得分，然后求平均便得到該同學(xué)的評委得分。

同一個小組的學(xué)生在共同完成實驗時每個人貢獻(xiàn)可能不同，對實驗的反思、收獲和深度思考也可能不同，每位同學(xué)實驗報告的評委得分也可能不同，這些都是組內(nèi)不同成員獲得不同成績的原因。

4 結(jié) 語

基于多年來硬件實驗教學(xué)和實驗室管理經(jīng)驗，結(jié)合遠(yuǎn)程可交互式硬件實驗設(shè)備，提出了針對硬件類課程實驗的RSIE-SPOC教學(xué)方法。近2年來，在數(shù)字電路設(shè)計、組成原理、嵌入式系統(tǒng)原理3門課程的實驗教學(xué)中展開應(yīng)用，取得了良好的教學(xué)效果，涌現(xiàn)出多名優(yōu)秀的學(xué)生，學(xué)生普遍反映得到充分的動手實踐機會?；趯嵺`的課堂討論氣氛熱烈，能夠啟發(fā)深度思考，采用平臺支持下的PBL實驗報告管理和成績評定方法，基本能夠?qū)崿F(xiàn)對每一位同學(xué)精確評定成績，同時又有效杜絕抄襲報告和亂評分現(xiàn)象。