基于雨课堂与头歌平台的计算机组成原理课程教学设计探析

摘要：计算机组成原理是计算机类课程中核心课程之一，在培养学生实践操作、硬件理解和解决复杂工程问题方面具有重要的作用。当前计算机组成原理课程教学存在一些局限性，包括教学方式单一、教学资源缺乏、互动不足等问题。让学生接受晦涩难懂的知识点更加困难。因此，本研究利用雨课堂和头歌平台的丰富线上资源和灵活的教学工具，探索新兴互联网技术在传统教育教学中的应用，提出一种基于雨课堂教学工具和头歌实践平台的混合式教学方法，以补充教学方式，改善教学效果，更好地完成教学任务，提高学生的学习效率，培养其综合能力。

关键词：计算机组成原理；雨课堂；头歌平台；教学设计；在线教育平台

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）24-0149-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

0 引言

计算机组成原理是计算机科学与技术学科的核心课程之一，在整个计算机学科结构中起着重要的作用[1]。它为计算机体系结构、计算机操作系统等课程提供专业基础知识，是其先导课程，也是数字逻辑等课程的进阶课程，在其专业知识基础上进一步深入学习。在整个计算机学科体系中起着承上启下的作用，与很多课程相关联，为计算机课程提供关键基础，旨在培养学生对硬件体系的理解能力[2]。

计算机组成原理主要培养学生对于计算机硬件系统的分析与设计能力[3]。能整合运用计算机组成的方法和理论，并能设计一些简单的基本部件[4]。然而，计算机组成原理每个章节知识点都很多、逻辑性强、内容复杂抽象，重难点内容范围也很广，是相对比较难的课程。目前，高校主要将课程分为理论和实验两个部分，各占部分学时的方式。理论部分的讲解主要是教师教学，复杂难懂的理论使课堂变得更加枯燥，学生更容易在满堂的讲解下跟不上，课堂效率不高；实践课主要是学生去操作传统的硬件操作实验箱，功能陈旧能操作的实验项目有限，更多的是验证性实验而缺少创造性实验，实验课效果有限，难以在有限的时间里达到理想的培养目的。这就要求进行教学方式改革，探索新型的互联网技术、先进的教学方法，提高传统课堂教学效率[5]。

在线教育平台对此问题提供很好的解决思路。线上教育利用其互联网优势，不仅提供了丰富的教育资源，还打通了师生之间的连接，采用灵活多变的互动交流工具，使得课堂激情活跃。并利用云服务，创建了虚拟实验，支持线上实验[6]。例如大学MOOC、头歌实践平台、雨课堂、学习通等线上教育平台，都逐步运用到教学的各种场景，其中雨课堂和头歌使用的范围很广，被很多高校采用[7-8]。头歌实践平台，为计算机组成原理课程提供线上虚拟实验，可随地实验且实验项目丰富；而雨课堂教学工具为传统课堂提供了灵活教学方案，多样的互动方式、课前课中课后全过程的连接，使得课堂下课而互动不停。这两个平台都可以在不同层面的为计算机组成原理课程教学提供帮助，改善教学效果、提高教学质量。

1 线上教学平台概述

1.1头歌实践平台介绍

头歌（Educoder），全称为“头歌实践教学平台”，是一款主要针对计算机相关专业的线上教学平台，是国内高校普遍采用的在线创新环境和实践教学服务平台，为企业和高校的创新及实践能力提供了可靠的工具，是全国人工智能职业教育团体实践教学工委官方合作伙伴，中国高校计算机教育MOOC联盟实践教学工委，为3 000家以上高校和企业提供教育教学服务。涵盖了程序设计与软件工程类课程，计算机系统能力类课程，电子信息专业类课程，大数据专业类课程，人工智能专业类课程，为高校计算机教育提供了完整的教学生态社区，通过灵活巧妙的教学工具、海量的线上教学资源和线上实验操作，帮助提高了课程教学效果。不仅为教师提供了教学工具和线上教学方案，也为了学生创造了线上做题闯关和线上实验的机会，特别是计算机组成原理等偏硬件的课程，线上的实验资源往往很匮乏，没有足够的实验箱设备支持实验来验证理论知识。头歌平台利用云服务器提供了很多在线虚拟实验，来替代实际设备实验，不仅克服了硬件实验设备不足，也避免了冗杂的线路牵搭，便于执行，使学生有充分的实验来验证理论知识，加深了对理论知识的理解，提升了学习效果和学习兴趣，进一步提高了教育教学质量和学生解决复杂工程问题的能力。头歌平台的具有丰富的课堂教学工具，主要包括：

1）灵活的课堂组织：头歌实践教学平台通过创建班级，将学生集成到一个协同空间，支持作业、考试、视频、实验等多种功能，并可形成排名对比。

2）海量的教育资源：头歌平台可查看名家的视频课、其他高校的公开课程资料，丰富的教学资料可供教师备课参考、学生选择学习。

3）便捷的线上实验：头歌线上实验是利用云服务，创建虚拟实验项目，使用者不需要安装软件，可随时随地实验操作。

4）线上资源共享：创建班级后，可在班级内上传课件、软件、视频等课程资料供每位学生共享。

5）成绩导向统计：支持OBE教育理念，学习全过程的实验、考试、作业记录都有据可查，可统计分析。

1.2雨课堂平台介绍

雨课堂（英文名：Rain Classroom），是一款由清华大学和清华大学旗下的在线教育品牌学堂在线在2016年春共同打造的智慧教学工具，致力于免费便捷地为教学全流程提供智能化、可追溯的技术服务。旨在建立起师生的智能终端连接，将先进的教育思想和新兴的互联网技术有机结合，赋予课前、课中、课后的教学全环节新的体验，最大限度地为学与教释放能量、创造体验，推动教育教学模式变革。雨课堂把繁杂的技术手段打通到微信和PPT中，建立起课堂教学与课外复习预习之间的沟通桥梁，使得课堂下课、互动永不下课。基于雨课堂智慧教学工具，教师在每节课的课前可以先把本节课的先导知识点、PPT、习题、语音讲解、MOOC视频等预习资料发送到学生的手机等智能终端，及时沟通；在每节课堂上还提供了在线签到、弹幕互动、随机点名提问、限时答题等多种传统教学过程中所不具备的师生互动工具。雨课堂系统地、科学地涵盖了课前、课中、课后整个教学活动全过程，给教师和学生提供了科学地任务计划、过程数据支持，使教与学更清晰。雨课堂平台主要特点包括：

1）灵活的课前预习课后复习：建立了师生间的连接，将丰富的教育资料接入幻灯片，视频、作业都可以随时随地发送到学生的手机上。

2）简单方便的课堂测试：将提前备好融入PPT中的题目，点击答题可一键发送到学生微信，并支持限时作答、延时作答、提前收题，可以随测随讲。

3）灵活创新的师生联动：支持扫码加入课堂、发送弹幕、随机点名、课堂红包、邀请、录播、直播等互动工具，让人人都充分参与到课堂。

4）全流程的数据跟踪：课前课中课后学生的学习记录、活跃程度，随堂测试的参与情况、答题准确率等数据都可追溯，做到学习过程透明化、数据化。

2 头歌在计算机组成原理课程教学中的应用

头歌实践教学平台有很多功能都为教学提供了很好的工具，包括线上实验教学、成绩统计、线上考试、视频学习、资源共享平台等。下面展开分析头歌平台各个功能在计算机组成原理课程教学中的应用。

2.1 线上实验在计算机组成原理课程教学中的应用

计算机组成原理课程包括理论教学和实验操作，而实验教学对于提高学生的综合能力、解决复杂问题的能力很有必要。将自己所学的理论知识，通过实验操作去验证，不仅锻炼了硬件操作的能力，而且通过动手操作加深对理论知识的理解，让原本晦涩的理论变得形象，增强了学习自信心，形成了一种良性循环，提高学习效率。而现有的实验操作设备陈旧且能实现的实验项目有限，实验效果不理想，无法满足师生的实验需求。也难以对每位学生的操作进行评测打分，对每一处错误的操作进行标注修正。

头歌平台的线上实验功能，为计算机组成原理课程教学提供了较好的解决方案。线上实验是基于云端服务提供的虚拟环境，教师可以自己设计实验题目、创建实验项目，避免了线下实验设备操作固定不变的弱点。设置好实验项目的基本操作环境后，还可以提供视频讲解、电路框架图、电路引脚对照表、常见调试问题答疑等实验参考资料。实验结束后，系统会自动评测，给出评分。平台上还提供其他高校教师设计的实验，以供创建相关实验时参考。图1展示了计算机组成原理课程的一些实验题目，包括计算机数据表示实验、运算器设计、存储器设计、控制器设计、CPU设计、中断机制实现等。图2展示了实验操作界面。左侧是相关文档，实验目的、实验原理、实验内容和要求、实验操作步骤、源代码等。右侧是编辑窗口，在代码区或命令行区输入操作后，点击评测查看实验结果。

2.2 成绩统计及线上考试在计算机组成原理教学中的应用

头歌平台支持线上考试，在期中、期末或者平时测试，都可以在平台题库中选好题目，生成试卷，学生登录即可参加在线考试，并可以自动给出考试成绩。这种考试形式很便利，极大提高了教师开展期中考试、平时测试的积极性。而期中考试等测试能帮助学生掌握自己的课程阶段性学习情况，对于丢分多的知识及时补救，不断强化，提前适应期末考试。

线上考试及平时的测试都会保存班级分组中学生的成绩，可随时查看，这可以作为学生期末打分中平时成绩的打分依据。此外，平时每个章节后的作业完成成绩、视频观看完成情况、平台上互动活跃度等都是期末打分的有效依据，并且一直保存在创建的课程中，可追溯。教师根据这些成绩了解学生对课堂知识点的掌握情况，以及每个学生不同的学习情况，有针对性地帮助一些学习困难的学生，提高教学效率、教学质量，确保所有学生都不掉队。而且，每项测试的成绩都会给出排名，教师根据排名和活跃度可以定位班级中的优秀学生。

2.3 视频学习在计算机组成原理课程教学中的应用

除了正常的课堂作业外，还可以设置一些视频学习作业，让学生观看学习，并可以监督其观看时长是否完成。头歌平台具备这样的功能，这可以帮助教师布置课前预习、课后复习视频学习作业。学生通过课前预习视频先行了解这节课的总体知识框架，做到有的放矢，哪些是自己看不明白的，要重点听讲的内容，哪些是考试要涉及的核心知识点。对于知识点较多，较难的课堂，学生很难通过课上的听讲就完全理解接受，而往往需要重复地听几遍。这时候就需要教师的授课视频录播，同步到平台课程中，学生回看来加深对课堂知识的理解。随时有选择地回看讲解，学生对知识点温故知新，真正学明白，这也起到了很好的复习效果。此外，平台上还提供了其他高校名师专家的讲解视频，学生可以多看看其他专家对此知识点的讲解，作为对比找到适合自己的课堂讲解。

2.4资源共享平台在计算机组成原理课程教学中的应用

可以在自己创建的这门课程中上传自己录制的课程配套知识点讲解视频，供学生课前课后反复学习，让其他老师共享参考学习。也可以在平台上找到其他高校这门课程的共享学习资料，包括试题、实验操作、视频讲解等。作为共享平台，创建好自己的课程后，把学生拉进班级分组，共享的资料种类有很多，上课课件PPT、教材电子版、先导课程及后续课程数字逻辑、计算机系统结构、操作系统课程的相关资料、实验软件安装包等资料，让学生在需要的时候随时能查看。

3 雨课堂在计算机组成原理教学中的应用

雨课堂教学工具为教学带来了很多改革，包括资料发布、课堂互动等，让课堂下课，而互动永不下课。下面将分析雨课堂工具在课程教学中的应用。

3.1 资料发布

计算机组成原理课程章节丰富，知识点较多较难，仅依靠课上的讲解不足以保证学生能理解透彻，课前的预习和课后的复习对学习效果提高很有必要。雨课堂通过资料发布功能帮助提高课前课后学习效率，其打通了教师端和学生移动端间的联系，让教师随时可以发布资料到学生微信上。课前可以将丰富的教学资料随时推送给学生，让其通过课件PPT、知识点视频讲解、课前测试等提前熟悉本节课的授课内容，做到心中有数，带着问题去课堂。课后再次通过雨课堂将多项式的课后作业发布到学生微信，主客观题、语音回答题、投票题、图片附件上传等题型，及时巩固学习的内容。这些过程都有助于提高教学效果，并且这全周期的教学数据都可追溯、有据可查。