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二、实验内容
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三、实验过程及结果
一、“互联网+教育”的本质
《国务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》中明确指出:“互联网+”是把互联网的创新成果与经济社会各领域深度融合,推动技术进步、效率提升和组织变革,提升实体经济创新能力和生产力,形成更广阔的以互联网为基础设施和创新要素的经济社会发展新形态[1]。由此可见,“互联网+教育”作为一种新型教育形态,充分反映了“互联网+教育”的本质。“互联网+教育”是将互联网、移动互联网应用于教育领域,促进互联网、移动互联网等现代信息技术手段与教育产业进行深度融合,从而利用先进技术提高教育的效率与质量,进一步提升教育的创新能力和软实力,推动教育变革和建设“教育强国”理想形成的以互联网为基础设施的全局性的、战略性的布局。但是“互联网+教育”不会取代现有的教育,其原因是在教与学中,教师与学生的思维、情感和探究问题的这种相互影响的交流是任何先进的视频和现有的人工智能技术所不能取代的。
二、大学计算机专业实验教学现状及存在的问题
计算机专业实验作为高等工科院校的专业实验课程,其重要性不言而喻。计算机专业实验课的内容涉及的领域极其广泛,要求学生在掌握理论知识和实验原理的基础上,利用计算机实现对人类思维的模拟。目前,计算机专业实验教学普遍存在以下问题:(1)实验内容设置单一,大多以验证性实验为主,缺少创新类实验。(2)在实验过程中,这种“老师教,学生做”的教学模式很难培养具有创新思维的人才。(3)这种集中授课的实验教学模式的主要弊端是学习能力强的学生觉得实验内容设置太过简单,无法充分调动他们的积极性;而学习能力较弱的学生无法完成全部的实验内容。可见班级授课的实验教学模式不能很好地因材施教,难以兼顾周全。(4)现有的实验考核方式存在很大的缺陷。现有的计算机专业实验考核方式以学生提交的实验报告为依据,根据学生平时的出勤和课堂表现综合后得到实验成绩。这种考核方式看似兼顾公平,实际上存在一定的纰漏。这是因为根据实验内容的难易程度有所不同,学生在实验课上不一定会完成所有的实验内容,很难对学生的课堂表现加以明确的界定。
三、大学计算机专业实验教学综
合平台的IT架构设计在分析了大学计算机专业实验教学现状和普遍存在的问题的基础上,为了提升计算机专业实验的教学质量和效果,更好地培养工程技术人才,结合高校教学的实际情况和“互联网+教育”的背景,提出构建大学计算机专业实验教学综合平台的IT架构模型(附图)。
(一)数据持久层(Persistencelayer)
本层主要是负责与数据库管理系统(如数据库)之间的通信和数据存储服务。这些存储的数据主要包括学生的网上预约信息、与实验相关的文档资料和实验课相关的微课视频、学生提交实验报告的电子文档等。数据持久层主要为业务逻辑层提供持久的数据支持。
(二)业务逻辑层(Businesslayer)
充分发挥网络优势,构建实验教学综合平台。该平台主要包括实验课的网上预约系统、实验教学资源服务系统、实验报告提交系统、实验报告在线批改系统、实验成绩查询系统和实验在线互动系统。
(三)表现层(Presentationlayer)
实验教学综合平台为实验教师和学生提供实验教学服务入口。登录成功后实验教师可以上传实验课的相关资源,与在线的学生保持互动,并且实现学生实验报告的在线批改和提交实验成绩;学生可以与老师在线上进行交流,浏览和预习与实验相关的资料,提交实验报告和查询实验成绩。
四、“互联网+”大学计算机专业实验教学体系改革
(一)及时更新实验内容
目前,计算机类实验内容偏重于验证类的实验,且实验内容明显跟不上信息时代的发展和要求。面向这一问题,教师应对现有的实验内容进行修改与完善,在选取实验内容时应当遵循“夯实理论基础、强调综合设计能力、开拓创新思维”的原则,将巩固演示类和验证类实验,加强综合设计类的实验,提高创新类实验在计算机实验中所占的比例。只有不断的改进、丰富现有实验内容,才能够做到与时俱进、为培养现代化的科学技术人才提供基本的保证。
(二)创新实验教学模式
传统的实验教学模式是以班级为单位,规定所有学生在统一时间完成相同的实验内容。这种集中式的实验方式的最大优点在于,在实验的过程中学生们可以互帮互助,集体探讨和交流实验内容和解决方法。但是凡事都有两面,集中式实验忽视了人与人之间作为对象的存在所具有的学习能力的差异。不同的学生面对相同的实验内容的解决问题的能力是各不相同的。充分利用互联网,学生通过实验教学综合平台进行网上预约实验,并根据自身的实际水平选择难度不同或自身比较感兴趣的实验内容。与传统的集中式实验教学模式相比,预约式实验教学模式不仅可以让学生自主预约实验和制定实验的进度,还有利于学生对自己学习时间进行总体规划。传统的集中式实验教学模式在实验内容上制定统一的标准,缺少在实验题目上的自由选择度,并不利于学生培养和发展自身具有个性化的学习能力。而预约式的实验教学模式可以让学生在实验要求和实验题目规定的范围内自主地选择难度不同的实验内容。这样做的结果不仅可以达到因材施教的目的,而且能够激发学生做实验的兴趣。
(三)建立科学有效的实验考核方式
传统的实验成绩评定以学生的出勤、实验课上所完成的实验情况和实验报告三部分组成。采用“互联网+”技术的大学计算机专业实验课的实验考核方式应当所有改革。在实验内容上,实验教师应当根据学生所选择的实验题目的难易程度不同乘以相应的难度权重;在实验过程中,实验教师通过与学生的交流,对学生在实验中所遇到的问题和解决方法有一个总体的、较有客观的评价;在实验课后,实验教师应当根据学生所提交的实验报告是否符合实验要求,是否存在一定的抄袭现象,是否完成实验内容,是否存在一定的创新性成果进行明确的界定。综上所述,实验教师根据学生在实验内容上的选择,在实验过程中学生与教师的互动与实验完成情况,并结合最终提交的实验报告情况对学生形成科学、客观的实验成绩评定。
(四)提高实验教师自身的素质
要培养高水平的、具有创新能力的学生,就要适时地提高实验教师自身的业务能力。伴随着大数据时代的异军突起,高校应当定期组织实验教师进行有关计算机专业的新知识培训。由于计算机专业本身是一个理论与实践并重、不断发展和创新的学科,基于这门学科的特点,实验教师自身应当意识到只有通过不断的学习、掌握计算机专业的新知识和新动向,才能做到与时俱进,培养创新型的科技人才。在“互联网+教育”时代到来的同时,实验教师应不断更新教育教学理念,积极开展实验教研课题的研究,学习利用互联网技术不断丰富现有的实验教学内容,改进传统的实验教学方法,做到自身从学习能力、业务能力到教学能力的全面提升。
云教育数据平台打破了传统教育模式,利用计算机技术,集教学、管理、学习、互动交流于一体,共享教育资源,分享教育成果,实现教育者和受教育者的即时互动,极大提高了教学效果。大学计算机基础课程是大一新生的一门必修基础课,该课程因专业和应用方向不同,其实验教学要求各异,通过云教育数据平台,融合专业个性化教学,体现课程的教学特色,起到相得益彰的教学效果。
1云教育数据服平台概述
1.1云教育数据平台服务模式
“云教育数据服务平台”是一个教育信息化服务平台,该模式通过“一站式”应用和“云”的理念,以教育云服务为支撑,利用计算机网络技术,架构一个在线教育服务平台,实现优质教育资源共建共享,融合教师精品教学、学生自主学习、教学管理与反馈,彻底打破传统教育的信息化边界,凸显教育公平、高效、便捷,提高教育教学质量。图1所示为教育云服务模式。
1.2云教育数据平台构成
云教育数据服务平台要在开放、整合、共享的框架下,创设有效机制,协同教师群体、学生群体、管理员以及技术客服等各类参与主体,设立共同愿景,形成共同目标,实现互利共赢。通常情况下,云教育数据服务平台采用“企业竞争提供、学校评估准入、师生自主选择”的资源建设与共享新机制。
2云教育数据平台在大学计算机基础实验教学中的功能
2.1“教”与“学”的完美融合——教育信息资源共建共享
云教育数据服务平台利用信息技术提供资源环境,突破教科书局限,发挥互联网传播知识、快、全的优势,扩充教学的知识量,丰富教学内容,可以拓展学生视野,开阔学生思路,缩短学生的认知过程,实现对知识的多层面了解,增加信息渠道和课堂的教学内容量。此外,通过云教育数据服务平台,开拓了获取信息的途径,在有限的时间最大幅度的增加了知识和信息量,突出了教学重点,激发了学生学习兴趣,启发学生自主学习和创新学习能力,最大限度的提高了教学效果,同时,促使教师与时俱进,积极主动学习新知识、新方法、新思维,实现了“教”与“学”的完美融合。
2.2“教”与“学”的高效便利——数字化教学环境建设
随着信息技术飞速发展,网络化的自习室,网络化的图书馆,网络化的教学设备逐步在高校中普及。与此同时,我们处在信息资源爆炸时代,要在网络资源海洋中快速找到吻合课程内容的资源极为困难。云教育数据服务平台是高校根据课程安排专门订制的用于教学和交流的平台,该平台上陈列的资源面向学生开放,每一份展示的教学资源都是教师精心制作,体现该教师最佳水平,学生可以在此平台上快速找到适合的最优资源,快速进入自主学习状态。同时,依托这一平台之便利,教师之间、学生之间以及师生之间可以即时交流,教师之间可相互讨论教法,学生之间可相互交流学习体会,师生之间可以答疑解惑,课堂一下子宽广了,“教”与“学”的效果更加明显。此外,云教育数据服务平台集资源存储、上传下载、分享、交友互动、即时通讯等多种功能于一体,融合了当前最流行的移动通讯软件(微信、QQ和MSN、飞信等),互动交流非常便捷。云教育数据服务平台又有别于当前流行的即时通软件,在云教育数据服务平台,学生们会不自觉的进入一个学习的环境,因为在线学生在讨论的都是平台上展示的资源或刚学的课程中某个知识点。在线教师们则忙着在即时答疑解惑或相互交流教学心得。浓烈的学习气氛已经从传统的课堂延伸到课堂外的任何一个角落。
2.3“学”与“学”的互帮互助——数字化学习环境建设
团队的力量远大于一个人的力量,团队精神的核心就是协同合作。协同合作是学生未来走上任何工作岗位必须具备的品质,因此,协同合作、互帮互助是在校大学生必须具备的基本素质。云教育服务平台利用互联网技术,在学生与学生之间、学生与教师之间提供了一个答疑解惑、交流谈心的场所,这个场所甚至不仅仅局限于本班或本校师生,它可以跨年级、跨专业、跨学院、跨学校,甚至融入全世界。学生在半现实半虚拟的世界中沟通交流、交心结友,为未来走上工作岗位不断练兵演习,大大提升了学生的交际能力和融入世界的速度。
3大学计算机基础实验教学存在的困境
大学计算机基础课程是所有高校都安排的一门必修课程,也是所有高校大学生学习的第一门计算基础教育课程,该课程具有基础性和通识性等特点,着力于培养学生的计算机应用能力及信息处理技术。大学计算机基础课程的实践性很强,而实验教学对学生能力的培养有着不可取代的作用。目前大学计算机基础课程实验教学整体效果欠佳,教学中出现了一些问题,突出体现在以下三个方面。
3.1“教师演示式”实验教学方法扼杀学生学习热情
目前,大学计算机基础教师在实验课上通常采用“教师演示—学生观看”的教学方法开展实验教学。学生在上机操作之前,教师首先系统讲解实验内容和操作方法,然后学生依据实验指导书,按照操作步骤上机操作,完成实验任务,教师对学生在上机操作过程中出现的问题进行辅导,帮助学生解决疑问。这种枯燥的“教师演示式”教学方法,导致学生围观教师照本宣科的演示,然后按部就班填写实验报告的方法简单、粗糙,了然无趣,无法激发学生学习热情。
3.2“单机操练式”实验教学方法扼杀学生创新能力
当前,大多数高校计算机基础实验课程采用“单机操练—各自为战”的教学方法开展教学。教师一般谆谆教导学生必须严格按照实验步骤操作,学生在教师的指导下,按照实验报告提示的步骤,一步步模仿练习,对教师演示或报告提示的情景无法知悉,也无法处理步骤之外的其他突况。这种教学方法,固化了学生的思维模式,禁锢了学生对计算机未知情况的探知欲望,久之,扼杀了学生的创新能力。
3.3“纸上谈兵式”实验教学方法消磨学生学习兴趣
由于学校硬件基础设施建设相对滞后,大学计算机基础实验课仍停留在“纸上谈兵”的教学模式,无法保障学生预习和复习要求,没有条件动手试验,也没法事先研究拓展实验题目,无法有效利用有限的课堂时间,导致学生无法在课堂上锻炼创造性学习能力,最多只能做到熟悉计算机基本操作,学生的学习兴趣逐步消磨殆尽。
4基于云教育数据平台的大学计算机基础实验课教学实现途径
4.1云教育数据平台下教师教学模式的转变
基于云教育数据平台,大学计算机实验课任课教师应实现教学模式的转变。教师首先应研读教材,突出课程教学重难点,根据学生实际情况找准学生知识能力薄弱点,对照教学目标、教学大纲的基础上,有针对性的准备符合学生专业特点实验项目。在此基础上,教师通过云教育数据服务平台的便利性,按照实验项目特点将学生分成实验群组,然后向每个实验群组下发实验项目,组织监控各个实验群组完成项目。在这个过程中,教师可以通过云教育数据服务平台的即时交流功能组织群组讨论,师生互动答疑,最后,学生通过云教育数据服务平台提交实验报告。
4.2云教育数据平台下学生学习模式的转变
基于云教育数据平台,高校学生也应随之转变学习模式。学生首先应认真预习教材,了解学习重点,根据学生自身实际情况找准学生知识能力薄弱点,在实验操作过程中,有针对性的操练自身薄弱的实验项目和实验步骤,同时,通过云教育数据服务平台中的即时交流功能,积极与老师和同学交流,总结学习体会,巩固提高学习内容。
参考文献
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计算机组成原理是计算机类各专业的核心基础课,在整个课程体系中占有重要的地位。该课程具有涉及面广、抽象性强和学习难度大的特点,而实验教学有助于对抽象理论的理解,因此,课程实验的设计,在整个课程的学习中具有举足轻重的作用。
1计算机组成原理的实验方式
目前高校计算机组成原理课程实验方式主要有两种[1]:一种是利用固定结构的实验平台,这些实验平台将CPU的各个组成部件全部做好,学生只需按要求连线、拨动相应输入或控制开关来完成实验;另一种是应用EDA技术进行实验,利用软件生产商提供的软件先设计实验电路,然后将实验电路下载到实验FPGA以后,利用实验仪的相应硬件资源直观地观察实验结果来验证实验电路的设计。
2004年以前,我们使用的是FD-CES-B-1型实验箱+实验单元板固定结构的实验平台。该实验平台是将计算机的各个组成部分使用单元板的形式做好,实验箱主要负责实验的输入输出。这种固定结构的实验平台可帮助学生深刻理解计算机主要部件的工作原理,提高学生动手能力;但其缺点是都是验证性实验,实验内容的扩展性不强,学生的设计难以突破实验箱的限制。2004年结合教育部教学水平评估的要求,我们增加了设计性、综合性实验的比例,课程组对实验进行了全新设计,实验方式由原来固定结构的实验平台改为基于FPGA的实验方式,这种实验方式抛弃了传统硬连线设计的局限,能保证实验内容的探索性和实验方法的多样性,巩固学生计算机组成原理课程的理论学习,促进学生的感性认识,激发学生的实验兴趣和创新能力。
2实验内容的改革实践与优化
2.1实验项目的设置
固定结构实验平台下的计算机组成原理的实验项目主要是计算机部件实验和模型机实验,模型机作为课程设计的内容。部件实验主要有运算器、存储器、总线、时序等5个实验15个学时的验证性实验,在FPGA实验方式上,实验项目的设置更加灵活,实验电路可以与教材保持一致,实验类型全部改为设计性,开发软件XILINX ISE,硬件描述语言选用VHDL,要求学生使用VHDL语言设计实验电路,然后下载到实验仪进行验证设计代码。表1是固定结构实验平台(左)与FPGA实验方式(右)实验项目设置对照表。
2.2改革实践中存在的问题
虽然从实验类型上由原来的验证型改为设计性,实验要求提高了,但实施时却事与愿违。由于大二的学生只学过C语言,没有硬件描述语言的编程训练,而且VHDL语言的结构与C语言有较大差距,不是很直观,学生不易掌握,因此,要求学生使用VHDL语言设计出所有实验电路的代码难度太大,大多数同学在规定的时间内无法完成代码的设计,更不用说验证实验电路了。为了保证实验的基本要求,我们将试验步骤改为教师写好代码,生成位流文件,让学生先下载位流文件进行验证,再回过来进行代码设计,这样保证了所有学生都能达到基本要求。实践了两年
除了个别学生感兴趣外,实验功能验证结束,很少有学生进行设计,虽然实验项目都变为设计性,但实际上大多数同学还是在做验证,实验教学改革的初衷并没有实现,实验教学效果不尽如人意。于是,2006年我们又对原有实验项目进行了微调,将原先的7个实验改成8个,每个实验也不要求学生能写出所有的原代码,在每个实验中教师先设计好框架,定义好输入输出端口,让学生完成实验中一个主要部件的设计。这样经过8个实验,学生也基本上完成计算机组成原理中硬件电路的描述,加上学生的预习,难度大大降低,实验效果有所改善。表2是2006年实验项目设置及每个项目的设计任务[2]。
2.3实验项目的优化
实验项目是体现教学理念、实现教学目标的载体。良好的实验项目有利于激发学生的积极性,推进学校素质教育的全面实施。因此,科学、合理的实验项目设置对人才培养起至关重要的作用。经过4年的实践,为了保证课程内容设置科学性与合理性,课程组自编了计算机组成原理教材,由清华大学出版社出版。为了保证实验内容与教材内容一致,在2010版的实验教材中对原有的实验项目进一步进行了优化,设计了7个实验项目,这些实验基本涵盖了计算机组成原理课程的重点内容,实验项目的设置也更加合理。开发软件XILINX ISE,硬件描述语言选用Verilog。VHDL语言与Verilog语言都是用于数字电子系统设计的硬件描述语言,而且都已经是 IEEE 的标准,选用Verilog语言是因为Verilog是非常容易掌握,编程风格简洁明了,只要有C语言的编程基础,可以在短期内掌握这种设计技术,而且在美国、日本、中国高层次数字系统设计领域中应用Verilog 的市场占有量高达80%。表3是2010版实验项目设置及完成的主要设计任务。
2.4规范实验教材[3]
实验教材主要包括实验指导书、实验报告以及与实验有关的资源。要提高实验教学质量必须强化实验预习,实验预习质量的高低取决于实验教材的质量。为此,我们重新编写了实验指导书。指导书的主要内容有实验目的、实验原理、预习要求等,预习时不再要求学生抄写诸如实验目的、实验原理、实验设备、实验代码等大量文字。在指导书上为每一个实验设计了较为详细的实验步骤,要求学生在预习时,完善实验代码、输入控制信号、从理论上分析实验现象等强制性的任务,从而增加了学生对实验代码的理解,提高了预习的效果。
实验报告质量直接反映了实验完成的质量。以往的实验报告要求学生使用统一的实验报告纸,在实验结束后完成实验报告,学生书写实验报告时,大段地摘抄实验指导书上的实验原理、实验目的、实验步骤,这样的实验报告对培养学生的能力没有任何帮助。在计算机组成原理实验中,我们规范了实验报告内容并单独印刷,实验报告中包含实验目的、实验原理、实验操作和记录、实验现象分析、实验总结。学生完成实验报告时,只需填写一些输入控制信号记录实验数据,分析实验现象和本次实验小结(如实验过程中出现的问题以及解决方法,实验内容、实验软件的使用等情况总结),以加深对实验原理的理解,同时避免在以后的实验中发生类似的错误。这样大部分学生可以在课堂上完成实验报告,节省了学生的时间。
3实验教学方法的改革
在实验教学中,为了保证每个学生得到提高,更好地理解计算机组成原理的理论,提高实验教学质量,我们采用了层次教学法、三段式实验教学法、建立实验教学辅助平台等多种方法来提高教学效果。
3.1层次化教学法
个性化教育是创新教育的组成部分[4]。由于学生的个体差异,用同一个标准来要求学生是不现实的,不客观的。在实验大纲允许的范围内,我们采用的方法是给通才定规则,给天才留空间,在实验教学中用心挖掘学生的潜在能力,开展个性化培养。因此,在大纲规定的基本要求的基础上,分层次对学生提出要求:能力差的同学加强个别辅导,采用演示加讲解教学方式,引导学生如何将理论与实际电路结合起来,把部件的设计思想解释清楚,使其有能力完成实验任务;对能力强的同学提出更高要求,采用启发式教学,充分发挥学生的主体作用,鼓励他们根据自己的能力,提出多种设计方案。这种层次化的教学法,顾及各层面的学生,让所有同学通过实验各自的实践与动手能力都有所提高。
3.2三段式实验教学
三段式实验教学将实验教学的整个过程分为3个阶段:实验预习、实验过程、实验报告。在实验考核上采用“三四三”的考核方式。对于计算机组成原理的实验,如果学生做实验前不预习或预习不充分,实验时很难达到应有的效果。三段式实验教学强调实验教学的3个阶段在整个实验教学中的作用。实验预习是提高实验效果的一个重要环节,只有预习充分,实验操作时才会做到思路清晰[5]。教师实验前通过检查预习报告或提问来了解学生的预习情况,为了加强调学生的实验预习,实验成绩中实验预习的成绩占30%。
实验过程是实验成功与否的关键环节,在实验过程中要求学生在实践中掌握操作技能,在实验中体验知识如何应用,并通过分析、反思等形式对课程知识进行内化,从而达到知识的习得和技能的提升[6]。例如,在实验操作过程中,记录实验现象与理论值是否相同,如果出现实际实验现象与预习结果不符时,教师要引导学生去分析原因,是操作失误还是设计错误,从而进一步加深学生对理论的理解,修正设计错误,培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力,充分体现实验课程“做中学”的特点。实验操作过程占实验成绩的40%。
实验报告是实验过程的记录、实验现象的分析和实验的总结,书写实验报告是实验教学的重要环节。通过书写实验报告,可以培养学生认真做好实验,仔细观察实验过程中所发生的现象,有利于加强对理论知识的理解和记忆,促使学生重视基本技能的学习及应用。教师通过实验报告可以及时发现教学中存在的问题。一份高质量的实验报告应能反映出学生的综合素质,如高度的注意力、敏锐的观察力、丰富的想象力、准确的判断力、科学的思维能力和正确的表示能力。实验报告占实验成绩的30%。
3.3建立实验教学辅助平台
开发CAI实验课件,利用多媒体进行讲解,在辅助平台中提供实验资源,为实验预习、实验过程提供指导。在辅助平台设计时,我们根据以往学生在每个实验中出现的常见问题进行了总结,并将解决办法在辅助平台中列出,让学生借助辅助平台解决实验过程中出现的问题,这样减轻了教师的指导工作,同时也为开放实验教学提供条件。
4结语
实验教学改革是一个不断深入和发展的过程[7]。6年来,在不断推进计算机组成原理实验的教学改革实践中,我们发现了一些问题,取得了一定的经验,明确了今后进一步展开深入教学改革的方向和目标。实践证明,只有重视实验教学环节,对实验内容、实验教学方式不断探索,充分发挥设计性实验在实验教学中的作用,才能培养实践能力较强的、具有创新意识、善于自主学习的计算机人才。
参考文献:
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Reform on Experiments Teaching of Computer Organization Principles
MA Han-da, ZHAO Hui