基于雨課堂與頭歌平臺的計算機組成原理課程教學(xué)設(shè)計探析

摘要：計算機組成原理是計算機類課程中核心課程之一，在培養(yǎng)學(xué)生實踐操作、硬件理解和解決復(fù)雜工程問題方面具有重要的作用。當(dāng)前計算機組成原理課程教學(xué)存在一些局限性，包括教學(xué)方式單一、教學(xué)資源缺乏、互動不足等問題。讓學(xué)生接受晦澀難懂的知識點更加困難。因此，本研究利用雨課堂和頭歌平臺的豐富線上資源和靈活的教學(xué)工具，探索新興互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在傳統(tǒng)教育教學(xué)中的應(yīng)用，提出一種基于雨課堂教學(xué)工具和頭歌實踐平臺的混合式教學(xué)方法，以補充教學(xué)方式，改善教學(xué)效果，更好地完成教學(xué)任務(wù)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，培養(yǎng)其綜合能力。

關(guān)鍵詞：計算機組成原理；雨課堂；頭歌平臺；教學(xué)設(shè)計；在線教育平臺

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）24-0149-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

計算機組成原理是計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的核心課程之一，在整個計算機學(xué)科結(jié)構(gòu)中起著重要的作用[1]。它為計算機體系結(jié)構(gòu)、計算機操作系統(tǒng)等課程提供專業(yè)基礎(chǔ)知識，是其先導(dǎo)課程，也是數(shù)字邏輯等課程的進階課程，在其專業(yè)知識基礎(chǔ)上進一步深入學(xué)習(xí)。在整個計算機學(xué)科體系中起著承上啟下的作用，與很多課程相關(guān)聯(lián)，為計算機課程提供關(guān)鍵基礎(chǔ)，旨在培養(yǎng)學(xué)生對硬件體系的理解能力[2]。

計算機組成原理主要培養(yǎng)學(xué)生對于計算機硬件系統(tǒng)的分析與設(shè)計能力[3]。能整合運用計算機組成的方法和理論，并能設(shè)計一些簡單的基本部件[4]。然而，計算機組成原理每個章節(jié)知識點都很多、邏輯性強、內(nèi)容復(fù)雜抽象，重難點內(nèi)容范圍也很廣，是相對比較難的課程。目前，高校主要將課程分為理論和實驗兩個部分，各占部分學(xué)時的方式。理論部分的講解主要是教師教學(xué)，復(fù)雜難懂的理論使課堂變得更加枯燥，學(xué)生更容易在滿堂的講解下跟不上，課堂效率不高；實踐課主要是學(xué)生去操作傳統(tǒng)的硬件操作實驗箱，功能陳舊能操作的實驗項目有限，更多的是驗證性實驗而缺少創(chuàng)造性實驗，實驗課效果有限，難以在有限的時間里達到理想的培養(yǎng)目的。這就要求進行教學(xué)方式改革，探索新型的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、先進的教學(xué)方法，提高傳統(tǒng)課堂教學(xué)效率[5]。

在線教育平臺對此問題提供很好的解決思路。線上教育利用其互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢，不僅提供了豐富的教育資源，還打通了師生之間的連接，采用靈活多變的互動交流工具，使得課堂激情活躍。并利用云服務(wù)，創(chuàng)建了虛擬實驗，支持線上實驗[6]。例如大學(xué)MOOC、頭歌實踐平臺、雨課堂、學(xué)習(xí)通等線上教育平臺，都逐步運用到教學(xué)的各種場景，其中雨課堂和頭歌使用的范圍很廣，被很多高校采用[7-8]。頭歌實踐平臺，為計算機組成原理課程提供線上虛擬實驗，可隨地實驗且實驗項目豐富；而雨課堂教學(xué)工具為傳統(tǒng)課堂提供了靈活教學(xué)方案，多樣的互動方式、課前課中課后全過程的連接，使得課堂下課而互動不停。這兩個平臺都可以在不同層面的為計算機組成原理課程教學(xué)提供幫助，改善教學(xué)效果、提高教學(xué)質(zhì)量。

1 線上教學(xué)平臺概述

1.1頭歌實踐平臺介紹

頭歌（Educoder），全稱為“頭歌實踐教學(xué)平臺”，是一款主要針對計算機相關(guān)專業(yè)的線上教學(xué)平臺，是國內(nèi)高校普遍采用的在線創(chuàng)新環(huán)境和實踐教學(xué)服務(wù)平臺，為企業(yè)和高校的創(chuàng)新及實踐能力提供了可靠的工具，是全國人工智能職業(yè)教育團體實踐教學(xué)工委官方合作伙伴，中國高校計算機教育MOOC聯(lián)盟實踐教學(xué)工委，為3 000家以上高校和企業(yè)提供教育教學(xué)服務(wù)。涵蓋了程序設(shè)計與軟件工程類課程，計算機系統(tǒng)能力類課程，電子信息專業(yè)類課程，大數(shù)據(jù)專業(yè)類課程，人工智能專業(yè)類課程，為高校計算機教育提供了完整的教學(xué)生態(tài)社區(qū)，通過靈活巧妙的教學(xué)工具、海量的線上教學(xué)資源和線上實驗操作，幫助提高了課程教學(xué)效果。不僅為教師提供了教學(xué)工具和線上教學(xué)方案，也為了學(xué)生創(chuàng)造了線上做題闖關(guān)和線上實驗的機會，特別是計算機組成原理等偏硬件的課程，線上的實驗資源往往很匱乏，沒有足夠的實驗箱設(shè)備支持實驗來驗證理論知識。頭歌平臺利用云服務(wù)器提供了很多在線虛擬實驗，來替代實際設(shè)備實驗，不僅克服了硬件實驗設(shè)備不足，也避免了冗雜的線路牽搭，便于執(zhí)行，使學(xué)生有充分的實驗來驗證理論知識，加深了對理論知識的理解，提升了學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)興趣，進一步提高了教育教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。頭歌平臺的具有豐富的課堂教學(xué)工具，主要包括：

1）靈活的課堂組織： 頭歌實踐教學(xué)平臺通過創(chuàng)建班級，將學(xué)生集成到一個協(xié)同空間，支持作業(yè)、考試、視頻、實驗等多種功能，并可形成排名對比。

2）海量的教育資源：頭歌平臺可查看名家的視頻課、其他高校的公開課程資料，豐富的教學(xué)資料可供教師備課參考、學(xué)生選擇學(xué)習(xí)。

3）便捷的線上實驗：頭歌線上實驗是利用云服務(wù)，創(chuàng)建虛擬實驗項目，使用者不需要安裝軟件，可隨時隨地實驗操作。

4）線上資源共享：創(chuàng)建班級后，可在班級內(nèi)上傳課件、軟件、視頻等課程資料供每位學(xué)生共享。

5）成績導(dǎo)向統(tǒng)計：支持OBE教育理念，學(xué)習(xí)全過程的實驗、考試、作業(yè)記錄都有據(jù)可查，可統(tǒng)計分析。

1.2雨課堂平臺介紹

雨課堂（英文名：Rain Classroom），是一款由清華大學(xué)和清華大學(xué)旗下的在線教育品牌學(xué)堂在線在2016年春共同打造的智慧教學(xué)工具，致力于免費便捷地為教學(xué)全流程提供智能化、可追溯的技術(shù)服務(wù)。旨在建立起師生的智能終端連接，將先進的教育思想和新興的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有機結(jié)合，賦予課前、課中、課后的教學(xué)全環(huán)節(jié)新的體驗，最大限度地為學(xué)與教釋放能量、創(chuàng)造體驗，推動教育教學(xué)模式變革。雨課堂把繁雜的技術(shù)手段打通到微信和PPT中，建立起課堂教學(xué)與課外復(fù)習(xí)預(yù)習(xí)之間的溝通橋梁，使得課堂下課、互動永不下課?；谟暾n堂智慧教學(xué)工具，教師在每節(jié)課的課前可以先把本節(jié)課的先導(dǎo)知識點、PPT、習(xí)題、語音講解、MOOC視頻等預(yù)習(xí)資料發(fā)送到學(xué)生的手機等智能終端，及時溝通；在每節(jié)課堂上還提供了在線簽到、彈幕互動、隨機點名提問、限時答題等多種傳統(tǒng)教學(xué)過程中所不具備的師生互動工具。雨課堂系統(tǒng)地、科學(xué)地涵蓋了課前、課中、課后整個教學(xué)活動全過程，給教師和學(xué)生提供了科學(xué)地任務(wù)計劃、過程數(shù)據(jù)支持，使教與學(xué)更清晰。雨課堂平臺主要特點包括：

1）靈活的課前預(yù)習(xí)課后復(fù)習(xí)：建立了師生間的連接，將豐富的教育資料接入幻燈片，視頻、作業(yè)都可以隨時隨地發(fā)送到學(xué)生的手機上。

2）簡單方便的課堂測試：將提前備好融入PPT中的題目，點擊答題可一鍵發(fā)送到學(xué)生微信，并支持限時作答、延時作答、提前收題，可以隨測隨講。

3）靈活創(chuàng)新的師生聯(lián)動：支持掃碼加入課堂、發(fā)送彈幕、隨機點名、課堂紅包、邀請、錄播、直播等互動工具，讓人人都充分參與到課堂。

4）全流程的數(shù)據(jù)跟蹤：課前課中課后學(xué)生的學(xué)習(xí)記錄、活躍程度，隨堂測試的參與情況、答題準(zhǔn)確率等數(shù)據(jù)都可追溯，做到學(xué)習(xí)過程透明化、數(shù)據(jù)化。

2 頭歌在計算機組成原理課程教學(xué)中的應(yīng)用

頭歌實踐教學(xué)平臺有很多功能都為教學(xué)提供了很好的工具，包括線上實驗教學(xué)、成績統(tǒng)計、線上考試、視頻學(xué)習(xí)、資源共享平臺等。下面展開分析頭歌平臺各個功能在計算機組成原理課程教學(xué)中的應(yīng)用。

2.1 線上實驗在計算機組成原理課程教學(xué)中的應(yīng)用

計算機組成原理課程包括理論教學(xué)和實驗操作，而實驗教學(xué)對于提高學(xué)生的綜合能力、解決復(fù)雜問題的能力很有必要。將自己所學(xué)的理論知識，通過實驗操作去驗證，不僅鍛煉了硬件操作的能力，而且通過動手操作加深對理論知識的理解，讓原本晦澀的理論變得形象，增強了學(xué)習(xí)自信心，形成了一種良性循環(huán)，提高學(xué)習(xí)效率。而現(xiàn)有的實驗操作設(shè)備陳舊且能實現(xiàn)的實驗項目有限，實驗效果不理想，無法滿足師生的實驗需求。也難以對每位學(xué)生的操作進行評測打分，對每一處錯誤的操作進行標(biāo)注修正。

頭歌平臺的線上實驗功能，為計算機組成原理課程教學(xué)提供了較好的解決方案。線上實驗是基于云端服務(wù)提供的虛擬環(huán)境，教師可以自己設(shè)計實驗題目、創(chuàng)建實驗項目，避免了線下實驗設(shè)備操作固定不變的弱點。設(shè)置好實驗項目的基本操作環(huán)境后，還可以提供視頻講解、電路框架圖、電路引腳對照表、常見調(diào)試問題答疑等實驗參考資料。實驗結(jié)束后，系統(tǒng)會自動評測，給出評分。平臺上還提供其他高校教師設(shè)計的實驗，以供創(chuàng)建相關(guān)實驗時參考。圖1展示了計算機組成原理課程的一些實驗題目，包括計算機數(shù)據(jù)表示實驗、運算器設(shè)計、存儲器設(shè)計、控制器設(shè)計、CPU設(shè)計、中斷機制實現(xiàn)等。圖2展示了實驗操作界面。左側(cè)是相關(guān)文檔，實驗?zāi)康摹嶒炘?、實驗?nèi)容和要求、實驗操作步驟、源代碼等。右側(cè)是編輯窗口，在代碼區(qū)或命令行區(qū)輸入操作后，點擊評測查看實驗結(jié)果。

2.2 成績統(tǒng)計及線上考試在計算機組成原理教學(xué)中的應(yīng)用

頭歌平臺支持線上考試，在期中、期末或者平時測試，都可以在平臺題庫中選好題目，生成試卷，學(xué)生登錄即可參加在線考試，并可以自動給出考試成績。這種考試形式很便利，極大提高了教師開展期中考試、平時測試的積極性。而期中考試等測試能幫助學(xué)生掌握自己的課程階段性學(xué)習(xí)情況，對于丟分多的知識及時補救，不斷強化，提前適應(yīng)期末考試。

線上考試及平時的測試都會保存班級分組中學(xué)生的成績，可隨時查看，這可以作為學(xué)生期末打分中平時成績的打分依據(jù)。此外，平時每個章節(jié)后的作業(yè)完成成績、視頻觀看完成情況、平臺上互動活躍度等都是期末打分的有效依據(jù)，并且一直保存在創(chuàng)建的課程中，可追溯。教師根據(jù)這些成績了解學(xué)生對課堂知識點的掌握情況，以及每個學(xué)生不同的學(xué)習(xí)情況，有針對性地幫助一些學(xué)習(xí)困難的學(xué)生，提高教學(xué)效率、教學(xué)質(zhì)量，確保所有學(xué)生都不掉隊。而且，每項測試的成績都會給出排名，教師根據(jù)排名和活躍度可以定位班級中的優(yōu)秀學(xué)生。

2.3 視頻學(xué)習(xí)在計算機組成原理課程教學(xué)中的應(yīng)用

除了正常的課堂作業(yè)外，還可以設(shè)置一些視頻學(xué)習(xí)作業(yè)，讓學(xué)生觀看學(xué)習(xí)，并可以監(jiān)督其觀看時長是否完成。 頭歌平臺具備這樣的功能，這可以幫助教師布置課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)視頻學(xué)習(xí)作業(yè)。學(xué)生通過課前預(yù)習(xí)視頻先行了解這節(jié)課的總體知識框架，做到有的放矢，哪些是自己看不明白的，要重點聽講的內(nèi)容，哪些是考試要涉及的核心知識點。對于知識點較多，較難的課堂，學(xué)生很難通過課上的聽講就完全理解接受，而往往需要重復(fù)地聽幾遍。這時候就需要教師的授課視頻錄播，同步到平臺課程中，學(xué)生回看來加深對課堂知識的理解。隨時有選擇地回看講解，學(xué)生對知識點溫故知新，真正學(xué)明白，這也起到了很好的復(fù)習(xí)效果。此外，平臺上還提供了其他高校名師專家的講解視頻，學(xué)生可以多看看其他專家對此知識點的講解，作為對比找到適合自己的課堂講解。

2.4資源共享平臺在計算機組成原理課程教學(xué)中的應(yīng)用

可以在自己創(chuàng)建的這門課程中上傳自己錄制的課程配套知識點講解視頻，供學(xué)生課前課后反復(fù)學(xué)習(xí)，讓其他老師共享參考學(xué)習(xí)。也可以在平臺上找到其他高校這門課程的共享學(xué)習(xí)資料，包括試題、實驗操作、視頻講解等。作為共享平臺，創(chuàng)建好自己的課程后，把學(xué)生拉進班級分組，共享的資料種類有很多，上課課件PPT、教材電子版、先導(dǎo)課程及后續(xù)課程數(shù)字邏輯、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)課程的相關(guān)資料、實驗軟件安裝包等資料，讓學(xué)生在需要的時候隨時能查看。

3 雨課堂在計算機組成原理教學(xué)中的應(yīng)用

雨課堂教學(xué)工具為教學(xué)帶來了很多改革，包括資料發(fā)布、課堂互動等，讓課堂下課，而互動永不下課。下面將分析雨課堂工具在課程教學(xué)中的應(yīng)用。

3.1 資料發(fā)布

計算機組成原理課程章節(jié)豐富，知識點較多較難，僅依靠課上的講解不足以保證學(xué)生能理解透徹，課前的預(yù)習(xí)和課后的復(fù)習(xí)對學(xué)習(xí)效果提高很有必要。雨課堂通過資料發(fā)布功能幫助提高課前課后學(xué)習(xí)效率，其打通了教師端和學(xué)生移動端間的聯(lián)系，讓教師隨時可以發(fā)布資料到學(xué)生微信上。課前可以將豐富的教學(xué)資料隨時推送給學(xué)生，讓其通過課件PPT、知識點視頻講解、課前測試等提前熟悉本節(jié)課的授課內(nèi)容，做到心中有數(shù)，帶著問題去課堂。課后再次通過雨課堂將多項式的課后作業(yè)發(fā)布到學(xué)生微信，主客觀題、語音回答題、投票題、圖片附件上傳等題型，及時鞏固學(xué)習(xí)的內(nèi)容。這些過程都有助于提高教學(xué)效果，并且這全周期的教學(xué)數(shù)據(jù)都可追溯、有據(jù)可查。

課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)是整個教學(xué)過程中重要的步驟。課前通過雨課堂發(fā)布相關(guān)預(yù)習(xí)資料，包括本節(jié)課程的重難點概要、知識點清單、基本知識點習(xí)題集等預(yù)習(xí)資料，學(xué)生可通過相關(guān)資料快速有效地了解本節(jié)課程的知識點，在課堂聽講時更能抓住重點，有助于提高課堂效率。課后通過雨課堂發(fā)布相關(guān)復(fù)習(xí)資料，包括課堂錄播視頻、知識點測試卷、重難點詳細講解視頻等復(fù)習(xí)資料，學(xué)生通過相關(guān)復(fù)習(xí)資料及時測試自己的知識點掌握情況，及時鞏固本課程的基本知識點，并利用課堂錄播視頻和重難點視頻進一步理解重點知識點，即使課上沒聽懂也可在課后反復(fù)觀看學(xué)習(xí)，有助于強化學(xué)習(xí)效果。資料發(fā)布除了發(fā)布上述資料類型外，還可以發(fā)布學(xué)生的課堂活躍度情況統(tǒng)計表、習(xí)題得分情況表、試卷得分排名等資料，做到多類型、無時間約束地發(fā)布資料。這種隨時發(fā)布資料的模式相比傳統(tǒng)教學(xué)，打通了師生互動的時間、地點限制，讓有限的課堂45分鐘得到更有效的利用。

3.2 課堂互動

傳統(tǒng)的課堂中，主要是教師一直為學(xué)生講解知識點，而學(xué)生坐在下面聽講，師生之間沒有互動，也缺少工具去互動。往往導(dǎo)致教師講得疲憊，學(xué)生聽得也疲憊。計算機組成原理課程知識非常多，很多也不容易理解，這對課堂的效率要求很高，缺少互動會讓課堂氣氛不夠活躍，學(xué)生不能被充分的吸引到老師的思路上，容易分神、思想開小差，即使教師提問，也無法讓照顧到每位同學(xué)。一旦學(xué)生沒跟上講解，面對計算機組成原理每章的大量知識點和難點，很快就會聽不懂后面的知識，并產(chǎn)生畏難心理更不能注意力集中，會造成越來越難聽懂的局面，課堂效率不高。

雨課堂教學(xué)工具有很多互動功能，可以有效解決這個問題。雨課堂提供了創(chuàng)新的師生互動方案，包括隨機點名功能，學(xué)生微信掃碼加入班級后，隨機點名會在班級中翻滾選擇出一位同學(xué)的姓名出現(xiàn)在屏幕上，然后回答問題，這個過程充分調(diào)動了每位同學(xué)的熱情，積極去思考怎么回答問題。彈幕功能使得學(xué)生在老師講解的同時，把自己的疑問發(fā)到屏幕上，給學(xué)生充分的主動性。課堂紅包功能，可以為表現(xiàn)好的學(xué)生發(fā)紅包，調(diào)動每個人的積極性。課上測試功能，教師在準(zhǔn)備課件的時候，提前把一定的測試題設(shè)置到PPT中，可以是選擇題、判斷題等小題型，支持限時3分鐘完成，可以續(xù)時也可以提前收題，測完點擊答題情況，可以看到哪些人答對、哪些人做錯，隨時講解，并作為課堂表現(xiàn)記錄平時成績，使得每位同學(xué)都融入課堂思考問題。

4 結(jié)論

本論文研究了頭歌實踐平臺和雨課堂教學(xué)工具在計算機組成原理課程教學(xué)中的應(yīng)用，針對計算機組成原理課堂教學(xué)過程中線下實驗條件滯后、課堂互動缺乏、教學(xué)資源不足、成績不易可視化等問題給出了較好的解決方案。這兩個平臺作為互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為傳統(tǒng)教育模式不斷賦能，擴充了計算機組成原理教學(xué)方法，改善了教學(xué)效果，也提高了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的綜合能力。

參考文獻：

[1] 陸游游，陳康，李山山，等.計算機組成原理課程建設(shè)[J].計算機教育，2024（5）：20-24.

[2] 涂國慶，劉芹，丁玉龍.信息安全專業(yè)計算機組成原理課程改革[J].計算機教育，2023（5）：140-143，148.

[3] 張策，呂為工，李劍雄.面向特定專業(yè)開展計算機課程教學(xué)的針對性探索[J].計算機教育，2024（5）：70-75，81.

[4] 金瑋.基于TOPCARES設(shè)計的數(shù)字化啟發(fā)式教學(xué)設(shè)計[J].計算機教育，2023（12）：308-312.

[5] 冉婕，漆麗娟，何佳穎.基于BOF的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)模式探索[J].計算機教育，2023（12）：376-380.

[6] 史涯晴，李輝.突出能力培養(yǎng)的離散數(shù)學(xué)課程三維六步式教學(xué)改革[J].計算機教育，2023（12）：390-394.

[7] 桑小雙，章蓀.基于學(xué)習(xí)通和頭歌平臺的離散數(shù)學(xué)課程教學(xué)設(shè)計探析[J].電腦知識與技術(shù)，2024，20（9）：151-154，161.

[8] 劉偉.基于頭歌實踐教學(xué)平臺的計算機專業(yè)本科教學(xué)探索[J].電腦知識與技術(shù)，2023，19（12）：143-145，148.

【通聯(lián)編輯：王 力】