宋会英,祁 鑫,崔 浩

(中国石油大学胜利学院 基础科学学院,山东 东营 257000)

一、“金课”建设的背景

2018年6月21日,教育部部长陈宝生在成都表示,对大学生要合理“增负”,提升大学生的学业挑战度,合理增加大学本科课程难度、拓展课程深度、扩大课程的可选择性,激发学生的学习动力和专业志趣,真正把“水课”变成有深度、有难度、有挑战度的“金课”[1]。2018年11月24日至25日,在广州召开的第十一届“中国大学教学论坛”上,教育部高教司司长吴岩描述了评价金课的“两性一度”标准,即“高阶性”“创新性”和“挑战度”。“高阶性”指的是通过知识、能力、素质的有机融合,培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维。“创新性”是指课程内容能反映前沿性和时代性,教学形式呈现先进性和互动性,学习结果具有探究性和个性化。“挑战度”是指课程有一定难度,需要跳一跳才能够得着,对老师备课和学生课下有较高要求[2]。2000年,Maureen Lage等人[3]发表了题为“Inverting the Classroom: A Gateway to Creating an Inclusive Learning Environment”的论文,该文介绍了美国迈阿密大学在“经济学入门”课程中采用的线上线下混合式教学模式以及取得的效果。同年,J. Wesley Baker[4]在第11届大学教学国际会议上发表了题为 “The classroom flip: using web course management tools to become the guide by the side”的论文。随着互联网技术的发展与普及,线上线下混合式教学逐渐被学生和教师接受并在全世界传播开来。尤其是计算机相关专业,新知识、新技术、新应用层出不穷,培养学生自主学习的能力和团队协作精神尤为重要。鉴于此,在计算机组成原理课程的建设过程中,线上采用SPOC(Small Private Online Course)小规模限制性在线课程,线下采用翻转课堂教学模式进行线上线下混合式金课的探索与实践。

二、计算机组成原理混合式“金课”建设的设计思路

以提高教学质量,培养应用型创新人才为目标,根据评价金课的“两性一度”标准,以“二三四”研究性教学模式为支撑点,以问题解决过程为主线,以基于学生课前自主、讨论式的体验学习、课堂开放性交流教学为手段,多维度评价系统为检验标准,全面探索与实践计算机组成原理金课的建设。

其中,“二三四”研究性教学模式是指:倡导二种学习体验,即学生课前自主及讨论式的体验学习、课堂师生的开放性交流;坚持三信激励原则,即相信学生、培养学生的自信、让学生有信心一直努力,认为努力有用;注重四个教学转变,即以教材知识点为主线转变为以问题解决过程为主线,以知识为导向转变为以能力为导向,以强调教师教什么转变为强调学生学到什么、做出什么、还能做出什么,以单一试卷考试转变为多维度评价。课程建设基本框架如图1所示。

图1 课程建设基本框架

三、计算机组成原理“金课”建设的实践

混合式教学将课堂面授教学与网络多媒体教学有机地融合在一起。课堂面授采用翻转课堂模式,教师提供微视频为主要形式的教学资源,学生课前完成对线上教学资源的学习及相关练习,对练习中遇到的问题进行小组讨论,带着问题走进课堂,在课堂上通过教师的引导进行再讨论,同学之间、师生之间的相互交流有助于促进知识的吸收内化和加深理解,有助于学习能力的提高。

计算机组成原理混合式教学模式表面上颠覆了传统课堂教学“先教后学,以教导学”框架,实质上却是在根本的教学思维方式层面实现转变,注重三个中心的转变:由以灌输式教学为中心转变为以“主动体验学习”为中心;由以知识点为中心转变为以“问题导向”为中心;由以教师讲授为中心转变为以“师生互动”为中心。

(一)以问题为导向的SPOC线上“金课”的建设

计算机组成原理课程由传统的“知识点讲解型”向“问题导向型”转变,由传统的“灌输型”教学向课前“主动体验学习”转变,在学习过程中,以实际问题的解决过程为主线,带动知识点的融汇贯通,学以致用,做到理论与实践的有机结合。

线上微视频以实际问题及其解决过程为主线,把学生感觉枯燥、乏味的知识点与生活中每个热议的话题结合起来,有效地激发学生的兴趣。例如,在讲到计算机中“数据的表示”相关知识点时,提出的实际问题是:在计算机中如何表示“港珠澳大桥全长55 km,它是世界上总体跨度最长的跨海大桥吗?是”。通过分析要解决的实际问题,进一步把问题细化为:(1) 汉字在计算机中如何表示?(2) 字母在计算机中如何表示?(3)是、否这样的逻辑值在计算机中如何表示? (4)十进制的数值55在计算机中如何表示?-55在计算机中如何表示?计算机中表示的最大整数是多少?最小整数是多少?进一步引申出的问题:(5)+55.0、-55.0、+5.5、-5.5在计算机中分别如何表示? (6)+0.55×102、-0.55×102在计算机中如何表示?这种形式表示数据的小数点位置可以任意移动吗?(7)浮点数的表示有国际标准吗?(8)计算机中表示的最大小数、最小小数若超出这个范围怎么办?每个微视频回答1～2个问题,知识点融入到实际问题中,在实际问题的解决过程中掌握枯燥的理论知识。

在微视频的最后给出针对相关知识点的练习,需要学生课下自己动手、上网查阅资料、小组讨论,然后带着问题走进课堂。

(二)采用翻转课堂的线下“金课”的建设

翻转课堂教学模式采用“教师制作课件,学生自学答题,根据反馈二次备课,开展课堂教学”的四段式教学模型,教师通过云平台及时获取反馈并进行二次备课,能够更精准地进行课堂辅导,使因材施教的个性化智慧教学逐渐成为现实。

线下“金课”以课堂教学为主阵地,计算机组成原理采用翻转课堂教学模式。将教学的中心视点从知识转向能力,关注利用信息技术构建,促使学生自主学习能力、问题解决能力、创新能力等得到全面提升的学习环境。

学生课前通过对微视频的学习和反思、对课前练习中遇到的问题进行小组讨论,带着问题走进课堂。在课堂上,通过教师的引导进行再讨论,同学之间、师生之间的相互交流有助于促进知识的吸收内化和加深理解,有助于学习能力的提高。

为了实现翻转课堂,课前练习要精雕细琢,既要让学生通过观看视频能够完成练习,还要留出思考、提问的空间,还要让他们通过练习发现问题,提出问题。教师根据学生完成练习的提交情况、出错率、出错点等进行二次备课,课堂上针对学生提出的问题,先引导学生讨论,而不是急于解答。当在教师的引导下,学生得出初步解决方案后,教师再启发学生提出相近、相反的问题进行课堂讨论,引导学生进行发散思维,升华对知识的理解和内化。

由此可见,翻转课堂是以学生的“学”为中心的教学,翻转课堂的教学内容由预设转向生成。在翻转课堂教学中,师生围绕问题展开探究与多重对话,教学内容不再是教师提前预设好的,而是根据学生学习的情况和问题解决过程而逐步建构的。

(三)智慧教学工具助力“金课”建设

实现翻转课堂的前提条件是学生课前进行自主学习,带着问题进入课堂,因此,教师在上课前必须清楚学生对所学内容的掌握情况、存在的问题,才能进行更精准的辅导,做到有的放矢,因材施教,进行基于证据的个性化教学。

传统教学模式下,教师要收集学生学习情况的数据比较困难,教师依靠个人的教学经验组织课堂教学并对学生的学习情况进行判断。目前,随着移动设备的普及、云存储及大数据分析技术的突破,出现了蓝墨云班课、雨课堂、微助教等智慧教学工具,这些工具在课前预习与课堂教学间建立起沟通的桥梁,科学地覆盖了课前-课上-课后的每一个教学环节,为师生提供完整立体的数据支持、个性化报表等。

计算机组成原理采用蓝墨云班课辅助教学,每个授课班建立一个云课堂。教师将微视频、习题、课件等需要学生课前完成的学习内容提前发布到云班课,学生可以根据自己的时间进行视频学习和完成练习,每个学生有自己个性化的时间表。

课前,根据图2所示的课前练习正确率统计,教师进一步查看大部分同学错在哪里,分析出错的原因,然后进行二次备课,准备好相关知识点的讨论、启发、引导的内容及讨论后的课堂练习;课堂上,教师组织讨论学生提出的问题,把二次备课准备的内容与学生提出的问题有机地融合在一起,有效地组织课堂教学。

图2 课前练习正确率统计

(四)实践教学体系

针对计算机类学生存在实践能力弱、所学知识与实际脱节的问题[7],课程组构建图3所示的计算机组成原理新的实践教学体系,旨在强化实践教学,培养学生的实践技能、社会实践能力及初步的创新能力。

图3 立体化实践教学体系

该实践教学体系在遵循学生学习客观规律的前提下,首先以理论指导+专业实验室+仿真平台为基础,然后通过社会实践了解各组成部分的现状,实操考核训练、提高操作技能,开放实验满足个性化需求,再通过整机组装、仿真设计增强学生综合运用所学知识、技能以及初步的创新能力。这种由表及里、由部分到整体、由验证到设计的实践教学体系,以期达到基础扎实、技能熟练、综合、创新能力强的实践教学效果。

四、多维度评价系统

计算机组成原理“金课”的多维度评价系统以学生为中心、以成果为导向、持续不断地改进。在教学过程中不是注重“教师教了什么”,而是注重“学生学到什么,做出什么,还能做出什么”。

(一)学习过程评价

学习过程评价既是对学生学到什么、学生交流沟通能力的评价,更是促使学生持续不断努力的措施。学生每次课前练习的提交情况、正确率情况、课堂讨论的发言情况、课堂练习的情况、课后作业情况都是学习过程的评价依据。

(二)实践结果评价

实践结果评价是对学生做出什么、理论联系实际能力的评价。计算机组成原理主要通过以下两方面进行实践结果的评价。

1.实验考核

计算机组成原理共需要完成八个基础实验,为了训练学生的实践技能,杜绝偷懒现象,进行期中、期末两次抽签测验,每次考核四个实验。每个学生进入实验室后抽签决定自己的实验内容,平时2课时的实验要在1学时内完成。这就要求学生对每个实验的连线、开关设置、需要记录的数据及其意义非常熟悉,操作熟练。

为了能顺利通过测验,在开放实验室里,在主动探索、主动思考、主动实践、相互交流的环境中,每个学生像“科学家”一样在探究过程中获取知识、训练技能、培养能力。采用该考核方式后,学生的操作技能、熟练程度、理论联系实际的能力显著提高。

2.社会实践

计算机自1946年问世至今已有70多年,新技术、新器件日新月异,但是,其仍一直遵循冯·诺依曼1945年提出的存储程序和程序控制计算机基本工作原理。为了达到理论联系实际的目的,每个小组通过到计算机实体店、网上销售店及上网查阅资料,推荐出三款计算机:年轻人用于玩游戏的计算机,程序员用于编程的计算机,用于上网浏览网页、观看视频的家庭用计算机。对于每款计算机给出推荐的理由,介绍整机的型号、性能以及各组成部分的型号和性能。每个人需要提交调研文档,每个小组要制作幻灯片,以演讲方式介绍所推荐的计算机。通过该项实践活动,使学生在学习课程之初就对计算机的组成及其性能指标有总体的掌握,有利于后续抽象理论知识的学习与理解。

(三)再学习能力评价

再学习能力评价是对学生还能做出什么、综合运用所学知识的评价。在社会实践中研究的是已经组装好的计算机,重点考虑各部件的型号及其性能,不需要考虑兼容性问题,而组装一台计算机的实践,除了需要考虑各组成部分本身的性能外,还要考虑各部分之间的兼容性,是对所学知识的综合运用。

在计算机组成原理的学习过程中,每学一个组成部分,学生就要查找该部件目前的发展现状,了解部件的常用型号及性能,选择自己欲购买的某一型号,在选择的过程中要考虑整机组装的兼容性,以期末大作业的形式提交“计算机组装方案”。

五、结语

在计算机组成原理“金课”的建设过程中,通过对课程建设流程的不断优化和经验的持续积累,提出“二三四”研究性教学模式。目前,“二三四”研究性教学模式已应用于c语言程序设计、数据结构、软件工程课程的教学过程中,并取得了显著效果。随着各课程建设的不断深入,将不断丰富和完善“二三四”研究性教学模式,为计算机类课程的建设提供更多样化的教学思路,亦将会为其他金课的建设提供更多可借鉴的经验。