在线实验教学中“工作坊”学习模型的构建

任小媛, 柴志雷

(1. 江南大学 教学评估与教师卓越中心, 江苏 无锡 214122; 2. 江南大学 物联网工程学院, 江苏 无锡 214122; 3. 江南大学 信息与控制国家级实验教学示范中心, 江苏 无锡 214122)

开展实践学习活动是学生实现全面发展的重要途径[1]。工作坊模式被广泛运用到实践教学中[2-4]。工作坊是指兴趣小组的成员共同参与的实践学习空间,在实践教学环节发挥了重要作用。但传统的兴趣小组或工作坊组织形式一般会安排在一个特定的物理空间,可以容纳一定的人数。这种组织形式受限于时间和空间,限制了其在更大范围发挥作用。以一种计算机组成原理实践教学MOOCs平台的交互设计为对象,重点研究了以“兴趣小组”形式组织在线工作坊模式,并贯穿从知识学习、动手实验到开展创新项目及竞赛的所有环节,将该在线工作坊模型应用于计算机组成原理课程设计“硬件结构设计”中。

1 计算机组成原理实践教学MOOCs平台

近年来各高校开展MOOCs建设仍以视频教学为重点内容[5]。视频教学的方式比较适合理论环节的教学,但单纯的视频教学方式难以适应实践教学的需要。因为实践教学不仅需要实验环境的支撑,还包括教师对实验的现场指导,学生间的协作、交流,以及实验结果的重复、评审等多个方面的需求。随着我国加入“华盛顿协议”后工程教育专业认证[6-7]的推进,工科学生需要大幅提升实践环节的比重以满足培养目标的要求。传统的实践教学方式很大程度上受限于实验场地、实验设备、实验师资的规模,短时间内难以迅速改善。如能利用互联网技术将实验设备、实验课程、实验师资加以共享,则有望极大地改善这一状况。

在各种可以培养计算机系统能力的贯通式实验的设备中,现场可编程门阵列(FPGA)芯片由于硬件结构可由最终用户编程改变,非常适合学生用来实现自己的处理器,并在上面完成后续的操作系统等实验,是一种较为理想的支持计算机类学生系统能力培养的实验设备。因此教育部与全球第一大FPGA供应商Xilinx公司合作开展的“产学合作专业综合改革项目”中,专门将FPGA远程实验室列为重点方向之一。

“面向大学生创新创业的开放式FPGA远程实验室”课题的研究,目标是为学生提供开放式的、可远程登录使用的计算机组成原理实践教学MOOCs平台,让更多的学生可以随时随地使用FPGA实验设备进行贯通式的实验,提升学生的计算机系统能力,并进一步可以开展创新项目与创新大赛,甚至基于此开放平台进行大学生的创业活动。图1所示为计算机组成原理实践教学MOOCs平台[8-9]的架构图,用户可以在各种不同的电脑终端通过互联网连接使用远程的FPGA设备。目前,课题组与企业合作已经初步完成了整个实验平台的开发并上线试运行,并在实际运行中验证并持续改进研究成果。

图1 计算机组成原理实践教学 MOOCs平台架构示意图

2 MOOCs平台的“工作坊”模型设计

与普通MOOCs不同,计算机组成原理实践教学平台属于实践类平台,更多地需要学生的参与及互动。视频教学的形式只能解决平台上特定课程所需的知识传授问题,其重要性及所占比重都大为下降。用户交互需要更多地考虑教师和学生的参与、交流互动、班级管理、实验结果提交及重复,方便学生实验的开展并提升其参与度。

王小根等人在综合国内对工作坊模型研究的基础上,将工作坊模型概括为图2所示的要素[10]。

图2 工作坊要素与开展流程

由于所设计的“兴趣小组”模型是基于在线实践平台的,它具备了超越传统工作坊模式的可能。因此除了体现工作坊的上述要素,本文的“工作坊”模型还包含了如下一些设计理念:

(1) 平等性。互联网时代教育的最明显特征就是突破了物理及现实身份上的限制。原则上不只是特定高校的教师,而是互联网上的任何人都可以在此平台上创建一门实验课程。有可能本身是高校承担系统类课程的教师,有可能是掌握了某项特定技能的企业工程人员,甚至有可能是学生。只要在某个方面具有可以指导用户使用平台并进行创新的人员都可以创建一门课程。

(2) 角色多样化。兴趣小组的设计要能够满足不同的使用场景,因此小组成员的角色需要多样化。比如在实验课程里,小组成员可以是指导教师、学生,在项目中,小组成员可以是指导教师、学生,甚至是项目的发包方、协作方乃至承接方。

ATB施工前应对原材料与施工机具进行检查，确保料仓材料质量达标，设备能正常启动运行，可满足施工需求。现场铺筑ATB混合料前，应检查水泥稳定碎石下承层的施工质量，确保水稳层表面无松散、离析、油斑、脱落及污染等情况，必要时可进行挖补处理，满足施工要求后方可喷洒透层油，进行ATB结构层施工[3]。

(3) 规模可调控。传统的工作坊由于场地、设备数量和指导教师的限制,总是会将人数限定在一定的范围内,比如1～2个自然班级。但在互联网为基础的共享平台上,场地、设备数量、指导教师等都不再是人数的限制因素,因此可以更好地支持人数的变化,从1个到数千个学生都可以在一个兴趣小组内进行实验。

(4) 范围跨跃性。传统的工作坊模式,交流往往局限在兴趣小组内部,导致同样的问题可能要不断地重复讲,加重了指导教师的负担。在线兴趣小组的方式以讨论区的方式共享所有的问题,共性的问题只需要一次性解答。同时,借助社交软件还可以把实验结果和过程分享给兴趣小组之外的人员,提升了影响力,也可以更好地激励学生追求更好的实验成绩。

文章所提出的工作坊“兴趣小组”交互模型在整个计算机组成原理实践教学MOOCs平台上保持了高度的一致性。一致性指的是FPGA远程实验室平台上所有的活动都是以兴趣小组的方式组织的,如高校开设的专业类实验课程、开发人员自行推出的开发技巧类的介绍课程,以及学生大赛项目、课程设计,甚至大到一个开源项目、创业项目,都是以兴趣小组的方式组织的,确保所有的活动都有一致性的使用界面,简化用户的使用。

3 MOOCs平台“兴趣小组”交互模型实现

课题组实现了计算机组成原理实践教学MOOCs平台的“兴趣小组”交互模型并以其作为平台最基本的组织形式。图3展示的是FPGA实验平台中实验课程的兴趣小组组织方式。从图3可见,用户可关注或加入该课程,成为兴趣小组的成员,从而在个人中心中获取该课程的相关信息。在兴趣小组内用户可以查看开设的实验列表,选择做某个实验,使用实验开发软件工具并远程使用实验设备。在实验进行的过程中,教师和学生可以在实验讨论区进行问题的讨论。学生还可以就该实验课程或其中的某个实验项目进行评价,以便为后续的学习者提供一些参考。通过微信、QQ、微博等常用社交软件工具,学生还可以方便地把实验过程及最终结果分享出去。

图3 计算机组成原理实践教学MOOCs平台中 课程的兴趣小组组织方式

图4是FPGA实验平台中创新项目的兴趣小组方式。从图4可见,无论是实验课程还是创新项目,兴趣小组的交互方式保持了一致性的原则,用户熟悉实验课程的使用之后,可以没有额外的学习代价直接进行创新项目的研发。稍有差异之处是项目的兴趣小组处添加了Github用来对项目开发的代码进行托管,另外增加了项目的演示功能以方便小组成员对项目的运行效果加以了解。项目小组的不同之处,还在于项目的创建者可以通过悬赏的方式寻找合适的项目承接者或合作伙伴。项目兴趣小组的成员数量可以从1个到多个,成员之间的关系可以是协作开发关系,也可以是项目发包和承接的关系。

图4 计算机组成原理实践教学MOOCs平台中 项目的兴趣小组组织方式

此外,无论是该平台上展示的具体硬件板卡还是算法的IP库,都是以兴趣小组的方式进行组织和交互,可以极大地简化用户的学习。

在兴趣小组人员的组成和控制上,创建人员可以通过创建班级等方式邀请特定的人员进入,从而控制特定小组内的成员数量。系统支持通过公开或私下的邀请方式通知特定人员进入。

图5是FPGA远程实验室平台的用户个人中心,从图5可看出,每个用户有自己对应的课程、班级、项目、硬件等各种信息。用户可以创建、关注或学习某个实验课程,也可以创建或加入某个班级,以团体行为进行实验活动。而所有的这些活动都是以兴趣小组的方式进行组织和展开的。

图5 计算机组成原理实践教学MOOCs平台的个人中心模式

4 MOOCs平台“兴趣小组”交互模型应用

构建的计算机组成原理实践教学MOOCs平台的工作坊模型在我校计算机专业14级本科生的“硬件结构设计“实践课程中进行了应用,参与学生86人。

4.1 兴趣小组的发起

兴趣小组的发起人是“硬件结构设计“课程的指导教师。指导教师登录系统后先创建课程,然后创建与该课程关联的班级,便完成了兴趣小组的发起(见图6)。由于此次课程设计对学生的要求具有统一的目标,因此只需要创建一个兴趣小组,也可以根据需求创建任意多个兴趣小组。

图6 在线工作坊中兴趣小组的发起

4.2 兴趣小组的成立

选修了“硬件结构设计”的学生注册并登录系统,进入课程实验下的“硬件结构设计”并加入相关班级,就加入了该兴趣小组。任课教师、助教及学生都加入该兴趣小组,兴趣小组就成立了。相关资料见图7。

图7 在线工作坊中兴趣小组的成立

4.3 活动开展

兴趣小组成立之后,任课教师可为该兴趣小组发布特定的任务,指导小组的活动。学生可以下载实验及任务指导书,并进入实验开发工具进行开发,完成开发后可以申请实验设备并验证结果。实验进行过程中遇到的任何问题都可以在实验讨论区中进行讨论。指导教师、教辅人员和学生都可以针对学生的问题进行回答,形成讨论,如图8所示。

图8 在线工作坊中兴趣小组成员的讨论

4.4 项目成果汇总与分享

课程设计结束后,学生可在线提交实验报告及结果,教师经验证并查看实验报告后可在线给出评价,见图9。

图9 在线工作坊中兴趣小组成员的评价

在后期的项目分享过程中, 学生各自分享在此次课程设计中所开展的创新实践过程, 在展示设计成果的同时也讲述了各自对CPU设计的理解。学生还可以通过QQ、微信、微博等工具将自己的实验结果分享出去,如图10所示。

图10 在线工作坊中兴趣小组的成果分享方式

5 应用效果分析

5.1 时空拓展效果分析

(1) 时间维度。与传统工作坊的兴趣小组相比, 计算机组成原理实践教学MOOCs平台“兴趣小组”的时间维度得以很大地拓宽。学生进行课程设计的时间已不局限于上课时间,学生可以根据需要随时查阅指导书、询问问题、与小组成员讨论并进行实验。通过系统的统计数据可知,在晚上12点左右通常还有若干学生在线进行实验。此外,由于任课教师可以提前发起成立兴趣小组并共享资料,课程设计的时间实际上可以持续更长时间,从而取得更好的实践成绩。

(2) 空间维度。计算机组成原理实践教学MOOCs平台为“兴趣小组”的空间拓展提供了便利。在地理空间上,学习者们不再局限于具体的物理环境中,即学生不需要到实验室即可开展课程设计。由于课程设计的时间延伸到了假期,从系统的统计可以看出,86个学生分别从20几个不同的省份一起开展实验。

5.2 应用成果分析

通过对比,本次基于计算机组成原理实践教学MOOCs平台“兴趣小组”模式的课程设计,与之前几届相比,完成率及优秀率都有提高。究其原因是因为通过将兴趣小组的形式拓展到线上,学生获得了更多的实践时间,并有了更多的与教师及学生的交流机会,遇到问题可以及时得到解决,如表1所示。

表1 在线工作坊中兴趣小组对实践教学效果的提升

5.3 不足与反思

(1) 由于首次采用线上兴趣小组的方式进行课程设计,对网络带宽的压力预计不足,导致几十位学生同时在线实验时网络出现明显的卡顿,影响了用户体验,许多学生反映因此影响了实验进度。这是后续线上平台开展兴趣小组时需要考虑的因素。

(2) 由于兴趣小组在线进行,指导教师和学生不直接面对面,更需要提前调动学生的积极性。本次课程设计进行过程中就出现一些学生前面没真正重视起来,快到提交实践结果时同时挤到线上,进一步加剧了网络的卡顿,影响了实验进程。

(3) 课程设计仅使用到本文设计的课程实验中的兴趣小组,没有能组织成批用户测试所有板块的兴趣小组功能。

6 结语

本研究针对实践型MOOCs的交互需求提出了一切皆兴趣小组的设计理念,将兴趣小组的方式贯穿于计算机组成原理实践教学MOOCs平台的所有环节。该交互方式能更好地满足实践型MOOCs实施过程中学习人员的多种交互需求,提升实践型MOOCs的教学效果。本研究不仅从理论上探讨了这一交互方式的优势及意义,更重要的是在课题实施过程中进行了理论原型的开发与实施并与企业结合推出了试运行系统。未来将根据系统的用户反馈进一步完善该模式,为实践型MOOCs的快速发展提供素材及技术途径。