基于MOOC的计算机硬件课程实验教学研究

摘  要：MOOC具有波及范围广、资源丰富等优势，使得MOOC时代下教学事业发生了巨大的变化。MOOC技术迅速发展应用对传统教育模式及教育体制等方面产生了巨大改变，计算机是注重实践的课程，计算机实验教学为计算机教学主要环节，MOOC的出现是计算机实验教学的机遇与挑战，该文重点探索基于MOOC时代的计算机实验教学意义及其发展情况等内容，为计算机硬件课程实验教学改革发展奠定理论基础。

关键词：MOOC  计算机硬件课程  实验教学

中图分类号：TP303    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）11（c）-0134-02

《国家中长期教育改革发展规划纲要》提出加强教学资源体系建设，开发网络学习课程的要求，人才培养必须坚持以强化实践教学为着力点，重点突破实验教学环节，国家人才培养要求强调学生的动手能力。MOOC将世界最优质的教育资源传播到地球上每个角落，2013年以来，清华、北大、复旦等国内著名高校先后加入MOOC，MOOC具有易于使用、覆盖人群广等优点，对高等教育产生巨大的影响，MOOC的快速发展在教育观念、教学方式等方面产生了变化。计算机学科是实践性强的学科，实验教学是决定MOOC教学成败的关键。

1  MOOC时代下计算机实验教学的主要特征

传统计算机实验过程，实验室大小受到制约，实验操作选择受到很多限制，MOOC在线服务能够让任何人自由加入网络实验，可自行选择实验内容。传统计算机网络实验中，教师可按照自身意愿设置课程目标，课堂主要为完成教学任务[1]。MOOC时代计算机实验教学中，学生可提出自身所需及计算机实验中存在的问题，方便服务人员对MOOC实验教学不断改进，以满足学生的真实需求。

大多数高校各专业针对数字逻辑实验课程单独设置环境，各实验室通常在一个学期内仅使用二三十个小时，重复建设实验环境造成教学资源浪费。计算机学科的课程内容具有很强的交叉性，教学中教师很难使学生对其前导课程完成的基础能力做出要求，由于课程衔接不够充分，学生在实验后难以掌握扎实的知识。

2  MOOC时代下计算机实验教学发展途径

软件实验开展无需特殊设备，实验人员通过线下将实验完成，程序设计实验是软件实验教学的重要部分，在线开展软件实验的难度在于实验验证方法。过去人工验证方式无法适用大规模实验。应通过在线测评系统辅助完成验证工作。针对在线测评方面包含用户注册，对题库的管理等，学生通过实验过程将代码上交测评系统对实验检查，评测系统可完成设计查重工作。当前MOOC系统中开始结合在线测评系统作为课程主要环节，保证MOOC计算机实验教学。

硬件实验教学是在线课程中的重点内容。实验中一些情况复杂多变，实验测评人工参与环节较多，硬件实验对在线课程发展构成一定的阻碍。当前很多学校指出大规模在线课程中硬件实验一些可行性构想，解决方案主要可归类为本地实验与远程硬件实验等。

本地实验与传统实验模式相似，实验地点是本地实验，模拟实验是普遍使用的在线实验方法，通过虚拟设备完成实验。远程实验辅以本地硬件实验模式，借助网络软件对硬件设备控制。以硬件为基础远程实验为结果最贴近传统实验方案。

3  MOOC实验教学主要方法

MOOC的核心是开放共享，学界一直探索实验教学新模式，实验教学的开放是教学实践追求的目标，开放有利于提高实验室资源利用率。硬件课程实验大多采用固定结构的实验箱进行。部分硬件课程实验课使用仿真软件完成。为解决计算机硬件课程的在线虚拟实验教学问题，应通过开发基于固定结构的仿真软件的方法实现。

基于软件的仿真实验是纯仿真实验方式，其典型开发系统有Alterla公司的Quartus II，具有强大的仿真功能，可借助开发系统进行仿真，不需使用实验箱验证。数字逻辑电路设计实验可以使用Quartus II开发系统，使用Quartus II仿真功能验证实验设计的正确性。使用Packet Tracer路由/交换仿真实验软件，在交换实验教学中，让学生在仿真平台操作练习[2]。

E-Lab硬件仿真软件是利用网络技术开发的虚拟实验软件，固定结构实验平台是传统实验箱结构，让学生直接在PC机上完成连线，操作方式与习惯同实际仪器一致。其不同是允许改善平台开发者提供的不完善功能。目前开发的虚拟实验平台有数字逻辑虚拟实验平台等，基本可满足计算机硬件课程实验教学。

计算机硬件使用EDA技术，先设计实验电路，利用实验箱的输出资源直观观地察实验结果。目前很多高校使用FPGA计算机硬件实验，在线实验涉及软硬件系统，解决实验设备在线接入控制器的问题。软件系统提供构建线实验教学环境，在线完成对硬件设备的操作，达到与本地硬件实验一样的效果。

4  实验方式对比

纯软件实验方式，有的是集成开发环境中仿真功能模块，不基于任何硬件设备，只需购买软件。使用Quatus II軟件作为实验开发系统，电路经过工程编译后产生相应的输出文件，通过开发系统提供的仿真功能，验证电路逻辑功能。实验方式的缺点是不够直观，软件基本是单机版，开放性不够[3]。

基于E-Lab硬件仿真软件根据传统实验箱固定结构，开发虚拟实验软件。在线实验不需要其他硬件设备随时登录网络。根据实际测试箱开发了硬件仿真软件，故障率极低，实验效果较好。在理论课程教学中，可以将电子实验室引入理论课堂，并结合知识进行讲解，有利于培养学生的实践能力

基于FPGA的计算机硬件虚拟实结合在线实验室实验模式采用远程实验与本地硬件模式相结合的方式，通过一定的网络软件对设备进行控制。在实验中，硬件设备的故障干扰几乎不存在，避免了不合理操作造成大量设备损坏。

3种实验方式都可解决MOOC实验教学问题，E-Lab硬件仿真软件在线实验适合MOOC时代计算机硬件课程实验教学。实验设备投入与实验内容更新等方面具有明显优势。实验方式为学生提供充分自主操作时间，学生可进行创新实验。

5  计算机网络实验教学的改进

目前职业院校计算机网络理论授课与实践操作比重严重失调，部分学校受场地等因素限制，无法提供较好的实验环境，部分学校没有安排足够的课时进行试验，导致学生的动手能力较弱。未重视MOOC的优势，无法随时为学生提供试验场所，导致学生缺乏学习的自主性，需要对计算机网络实验教学进行改进。

5.1 计算机网络实验教学内容的改进

计算机网络实验教学重在实践，目前学生大部分时间接受知识为理论范畴，大部分实验都由教师按步骤提前安排好，学生只能被动接受知识，无需了解实验结构，实验内容大多比较陈旧，降低了学生的学习兴趣[4]。

MOOC计算机实验教学要求教师从实验安排上考虑学生的实际掌握情况，通过绘制VALN功能拓扑图等手段掌握学生的学习情况，将不同层次的学生进行分组，让学生通过互联网查询不同命令的使用，使学生体验到实验成功的乐趣。根据当前最新的网络知识设计，借助专业的实验软件，可以帮助学生了解数据包的发送等，通过计算机网络实验设计，让不同层次学生的计算机实践能力得到提升。

计算机网络实验涉及知识面较广，学生做不同实验需要用的知识不同，学生会对部分计算机网络知识模糊，需要教师将计算机网络知识点进行详细划分，将拍摄视频发布到互联网上，帮助学生在实验中通过互联网随时查看需要的知识点，巩固所学理论知识。

5.2 计算机网络实验教学方法

计算机网络是计算机学院重要的专业必修课，通过计算机网络课程学习，学生能全面掌握计算机网络原理技术，培养解决网络常见问题的能力，计算机网络实验是基于计算机网络理论基础，与C程序设计等课程相关的实验，对提高学生的认知能力具有重要的直观作用。要认识到计算机网络在实验中起到的作用，正确安排计算机网络课程，增强学生对计算机网络实验的兴趣。

计算机网络实验是教学的重要内容，可以提高学生的創新实践能力。过去计算机网络实验室建设成本较高，学生很少能接触到网络硬件设备。为加强计算机网络实验的操作性，需从实验项目设计，实验延续性等方面进行强化，结合学生的掌握程序，本着基本操作机可编程原则设计不同层次的实验，将实验原理及关键技术通过MOOC方式展现，让学生已经自身学习情况选择不同的网络实验。监督学生的实验过程，帮助其解决实验中遇到的问题。在设计计算机网络实验时，要考虑到实验的延续性，可让学生通过企业等已存在的网络案例学习，最终呈现完整的解决方案。

为提高学生的自主学习能力，鼓励学生生成学习兴趣小组等，学习实验专业软件，通过在线实验区自主设计，为学生开放计算机网络实验室，让学生有足够空间对实验进行真实验证。考核是评价学生综合学习能力的方式，合理的考核方式可以促进学生学习能力发展。可依据实验难度，及学生自主设计实验等方式进行考核，依据学生的实验结果，独立解决问题等方面进行加分，尽量通过量化方式规范学生的行为。

6  结语

E-Lab硬件仿真软件在线实验教学模式利用现代信息技术，克服了传统模式的不足。在实验室管廊与实验技术上开辟了新的模式。促进MOOC在高校的推广。当前全球处于MOOC技术飞速发展阶段，计算机实验教学改革创新是必然趋势。我国对实验教学的网络课程进行了大量的探索，网络实验教学发展具有很大的空间。如添置设备后如何完善云概念实验，排除实际硬件平台需要由虚拟平台辅助，关注未来在线实验需要着重处理的问题。

参考文献

[1] 吕钊，张超.计算机硬件课程体系数字化实验教学平台初探[J].安顺学院学报，2018，20（3）：129-132.

[2] 赖晓铮，毕盛，李垚圣，等.面向系统能力培养的计算机硬件课程实验教学改革[J].计算机教育，2018（2）：161-165.

[3] 朱正东，郭如意，田靖轩，等.基于MOOC平台的数字逻辑实验教学模式[J].计算机教育，2017（7）：131-134.

[4] 窦彦玲.计算机硬件课程群实验教学模式研究[J].信息与电脑：理论版，2016（12）：228-229.

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