培养新工科生自主学习力的SPOC翻转课堂教学设计——以“计算机组成原理”课程为例

汪宇玲， 陆 玲， 谌洪茂， 邓伶莉， 贾惠珍

(东华理工大学 信息工程学院，江西 南昌 330013)

信息技术对社会进步及人民生活带来巨大变化，高等教育正不断向信息化、智能化转变。“新工科”战略于2017年初提出，明确了“新工科”建设关键任务之一是“学与教”的变革，目的是培养多样化的“新业态”创新型工程科技人才。教育部“天大行动”[1,2]明确指出工程教育模式应以学习者为中心，并勾画了未来工科生所需的核心素养是自主学习能力、创新思维能力、工程领导能力等，其中“自主学习能力”最为重要，它能帮助学生因时而动、动态发展，建立已知与未知的关系，实现跨学科交叉融合，帮助学生无惧未来日新月异的挑战。

“计算机组成原理”是计算机专业课程体系中重要和核心的基础课程，学生通过这门课程深入学习计算机的基本工作原理并了解实际工程应用，对专业学习有承前启后的作用，是深化学生系统能力非常重要的环节。在信息革命和“新工科”战略背景下，这门课程只是计算机相关专业或工程教育中的一门普通课程，却有举足轻重的地位，对学生的专业能力和素养有决定性作用[3,4]。目前，不同研究者依据不同条件提出在“计算机组成原理”课程中采用启发式教学、案例式教学等，也不乏使用MOOC实现学生自主学习的翻转课堂。但各校学生基础参差不齐及一些学生自律性不足，导致大多数以学习者为中心的教学改革的应用实践效果带有局限性甚至不理想。SPOC是一种混合教学模式，它将线上网络教学和线下课堂教学相结合，其核心理念在于通过定制个性化的高质量课堂教学与优质MOOC教学资源，加深学生对知识的学习和理解[5,6]。

鉴于以上因素，为了提升相关专业工科学生的信息素养和创新思维，提高教学效果和教学质量，本文深度融合教育教学方法与现代信息技术，依托“学习通”微课教学平台，以优秀MOOC在线教学资源为辅助，研究以SPOC为主要教学模式的“计算机组成原理”翻转课堂教学设计，探索深度培养学生自主学习能力、促进地方院校“新工科”人才培养的有效方法。

1 “计算机组成原理”SPOC翻转课堂教学设计

1.1 “计算机组成原理”课程能力目标

“计算机组成原理”课程是计算机科学与技术、软件工程、网络工程等相关专业的必修课程，该课程从知识获取和应用能力、创新能力多个方面综合提升学生的自主学习力，在课程教学过程中为学生营造自主学习情境，以参与式学习、探究式学习和合作学习为主要学习方法，并以线上线下互联、教师联动为特色。在获取知识的能力方面，目标是让学生掌握科学的学习方法，不断地扩展知识面，增强独立思考的能力，更新知识结构；在应用知识能力方面，目标是通过观察、分析、综合、归纳等方法培养学生发现问题和提出问题的能力，让学生能运用计算机组成与系统结构的基本理论和方法，对所涉问题有一定深度的理解，能初步分析与设计计算机各主要部件、简单CPU及其计算机系统；在创新能力方面，目标是让学生学会应用计算机系统设计理论和方法，有效进行科学研究的锻炼，培养创新思维，提高创新实践能力，理解科学研究范式。而学生这些能力提升的关键就在于培养学生的自主学习力。

1.2 “计算机组成原理”SPOC翻转课堂设计框架

本研究依照美国学者Jensen和Nickelsen提出的深度学习路线(Deeper Learning Cycle, DELC)，对“计算机组成原理”SPOC翻转课堂的教学流程进行重新设计。拟定的教学流程包括教学环境与资源分析设计、教学活动设计和教学评价设计三个环节，每个环节对学生设定了不同的自主学习力提升目标，基于DELC的“计算机组成原理”SPOC翻转课堂设计框架如图1所示。

图1 基于DELC的“计算机组成原理”SPOC翻转课堂设计框架

1.3 教学环境与资源分析设计

创新教学流程的第一个环节是教学环境与资源分析设计，该环节以激发学生学习动力为目标，重心是为学生学习营造出一种自主学习情境。自主学习情境指导理念是以学生为主体，以参与式学习、探究式学习、合作学习为主要学习方法，以线上线下关联、师生互动为特色。

首先，要分析教学环境及课程特点。“新工科”建设行动路线及相关政策和制度是研究工作的政策基础，现代信息技术与高等教育的深度融合是技术基础。依据课程教学目标和学生的专业水平，教师要将必须掌握的教学知识重点作为线上SPOC教学内容，同时辅以大数据平台推荐的优质MOOC作为线下教学与辅助教学内容；选择MOOC时，以逻辑严密、贴近实践、含启发性教学设计为必备条件。其次，结合自身院校学生特点，教师要对设计开发或筛选的SPOC教学资源进行事先评估，考量课程知识量、难度、兴趣性、前沿性等。最后，主讲教师让学生预先了解SPOC的基本要求，实施翻转课堂前的学情分析，引导学生主动学习以适应新的SPOC翻转课堂教学模式，激活预备知识，在学习方法上给出建议，以达到翻转课堂教学的效果。

上述过程的主要目的在于营造自主学习情境，引导学生开启自主学习的大门。自主学习情境是SPOC翻转课堂的先决条件，需要教师引导，学生配合来共同营造此情境。由于学生更易适应主讲教师的教学习惯，在SPOC教学资源中，主讲教师必须增添自己的微课短视频，线上线下拉近师生距离及降低学生认知负荷，并采用参与教学、分组讨论、提问解答等教学方法和手段，丰富师生互动的内容和形式，利用移动互联平台来加强师生互动渠道，以建立优良的师生关系，增强学生对教师的信任，进而建立学生自主学习的信心。

1.4 教学活动设计

创新教学流程的第二个环节是教学活动设计，此环节以学生自主学习力的综合提升为目标。教学活动设计是“计算机组成原理”SPOC翻转课堂的核心环节，如图2所示，它体现在获取新知识和深度加工知识两个方面。

图2 SPOC翻转课堂核心模块设计

获取新知识的主体是学生，学生通过“学习通”微课视频及教师筛选好的MOOC，实现新知识的主动学习，参与MOOC的在线问答、讨论，完成阶段性作业，实现新知识的自主培养与提高。

深度加工知识过程主要发生在课堂上，分为理论课堂和实验实践课堂。理论课堂部分，教学方法以“参与教学法”为主，分组学习讨论和教师总结补充为辅助。如图3所示，“参与教学法”以学生为主体，图中虚线箭头指向为增加的学生活动，通过角色互换，让学生以师者的角度参与到课程教学活动中，再结合仿真教学等教学手段，吸引学生的注意力，激发学习兴趣，变被动学习为主动学习。实验实践课堂同样以学生参与教学为主，以深度提升学生自主学习力为主要目标，并以培养优秀学生的研发能力为重要目的，从夯实基础到能力提升，再到创新思路，形成递进式三层实验环节。

图3 “参与教学法”图示

1.5 教学评价设计

创新教学流程的第三个环节是教学评价设计，同样是SPOC翻转课堂的核心部分，此环节以学生自主学习力的反思与改进为目标，包括学生学习评价和教师教学评价两个方面。学生学习评价包括过程性评价、总结性评价，它体现在SPOC翻转课堂的整个教学过程中。过程性评价由课堂出勤率、作业与实验的完成度、课堂互动等组成，教师和学生都参与评价。总结性评价主要是由期末考试结果和实验实践考核结果组成，MOOC课程证书也是总结性评价的重要参考依据。教师教学评价则包括各类学生评教活动及课程调查问卷，学生可以参与问卷设计，问卷也是创新教学研究的一个亮点。

2 课程教学实践实例

目前的“计算机组成原理”课程实验实践教学现状多呈现“低层”和“简单”的属性，学生按照实验实践指导要求机械地按步骤接线及运行仿真软件，学生对知识的接受是被动的，其没有对知识的深度加工和处理，也就是没有理解消化的过程，增加的实践比重只是增加了实践的“量”，并没有增加实践的“质”，学生往往没有深刻理解实验工作原理[7,8]。

本研究以深度培养学生自主学习力为目标，将实践教学与创新项目相结合，并将“参与教学法”引入实验实践课程改革中，发挥优秀学生的带动作用，培养学生创新能力，如图4所示。这种实验实践教学方式能激发学生自学自练的积极性和主动性，更有利于学生培养自己的经验和完善知识体系，从而达到培养学生自主实验实践能力、分析问题解决问题的能力及创新能力的目的。同时，根据学生学习特点和不同学生的差异性，实验实践课堂教学重新设计教学内容，结合课程教学需求，将实验实践内容分为递进的三个层次：“基础篇”实验环节、“提升篇”实验环节和“创新篇”实践项目环节。“基础篇”主要是验证性实验，注重学生培养学生实际操作能力及学习能力；“提升篇”主要是设计型实验，注重学生综合实践能力的培养，挖掘学生潜能；“创新篇”注重学生研究与创新能力的培养，与教师指导的创新创业竞赛项目相结合，为深度构建学生自主学习能力和培养学生创新能力提供平台，以满足“新工科”对人才素养的需求。

图4 实验实践教学模式

实验实践环节的“创新篇”实践项目包含两部分：一个是创新设计，另一个是创新项目。创新设计为不在课堂内讲授的设计型实验，创新项目则是参与到教师指导的学科项目或竞赛中，这两者是相辅相成的，创新设计可以申报创新项目，创新项目也能构思新的创新设计。“创新篇”实践项目初步方案设计如图5所示。

图5 实践教学与创新项目相结合示意图

在配备软硬件资源方面，创新创业实验室及学院开放实验室提供各种软硬件开发设备及研发环境，历届获奖的大学生创新创业项目资料及优秀实验设计资料。

在深度构建学生自主学习力与学生研发能力方面，项目指导教师着重对学生自主学习能力进行深度构建，从而进一步培养学生的研发能力。锻炼两个重点为“模仿能力”和“创新能力”。其主要原因是“创新”从来不是凭空的，一定是在参考已有技术和方法的基础上，再通过“模仿”与“尝试”才可能有的，但是“创新”可以从最小、最简单的做起。因此，首先培养学生查阅文献资料，学习优秀科技项目资料，以及理解别人如何发现问题、分析问题进而设计实施实践方案或项目计划。学生读懂了现有科技项目材料，教师可以根据项目设计目标，再让学生思考分析可改进性能的方法，并引导学生查阅最新文献资料寻求新的方法，最后让学生自己发现与提炼新需求，学习新技术，自主提出新的想法进行“尝试”，逐步参与到创新项目的研发过程中，实现自主学习力的深度构建，从而提升自己的创新能力。

3 结语

SPOC教学资源更有利于强化学生的学习深度，而在线的优质MOOC资源更有利于强化学生的学习宽度与系统性，有利于扫除学生的知识疑点和知识盲点，更容易激发学生学习兴趣，提高学生的学习主动性。学生熟悉现场主讲教师的教学习惯，更能理解主讲教师的语言表达，对于关键知识点的学习，采用主讲教师的SPOC教学素材，有利于学生对知识的深刻理解及运用，而优质的MOOC在线课程能弥补教师个体的教学片面性问题，亦有利于平衡重复的课程建设工作与教师繁重的教研科研任务之间的矛盾。

构建自主学习情境是提升学生自主学习力的关键环节。在“计算机组成原理”SPOC翻转课堂中，教师从单纯的知识讲授延展到对教学环境分析、建设教学资源、设计教学活动和创新教学流程各环节，每个环节都有对应的自主学习力目标，以提高学生专业素养、综合实践能力，从而构建出工科生工程素养核心能力的有效培养路径。