基于群体协作的计算机硬件实践考评促教

黄永刚， 王 娟， 刘 璐， 王殿欣

(北京理工大学 计算机学院，北京 100081)

0 引 言

随着互联网的广泛普及，以及以云计算、人工智能、大数据、物联网等为代表的新技术的应用，计算机科学正经历着深刻的变革。同时，计算机技术在经济、教育、文化、国防等各方面都起着越来越重要的作用。伴随着计算机技术的变革和广泛使用，传统的计算机教育理论和方法已经不能满足新形势下对计算机人才培养的要求。国际计算机学会( Association for Computing Machinery, ACM )的教学指导方案CE2016[1]将计算机专业的培养重点确立在“系统知识和系统能力”的培养。国内外知名高校，如麻省理工、斯坦福、卡内基梅隆大学、清华大学、北京大学、北京航空航天大学等，近年来都积极地进行了以“系统知识和系统能力”为培养导向的计算机教育改革[2-4]。

我校计算机硬件课程体系包含数字逻辑、计算机组成原理、计算机体系结构、汇编语言程序设计，以及选修课嵌入式系统和计算机硬件系统设计，配套的实践课程包括汇编与接口课程设计、计算机组成原理硬件实验。 其中汇编与接口课程设计、计算机组成原理硬件实验统一安排在第六学期与第七学期之间的短学期集中2周完成。每年参与的学生约 300 人左右，为计算机学院计算机科学与技术和物联网两个专业的实践必修课。

在以“系统知识和系统能力”的培养为导向的计算机教育改革中，如何对现有的硬件实践环节进行改革[5-9]，以高效地帮助学生提升计算机硬件系统能力以及对其计算机硬件系统能力进行高效客观地评估，从而全面提升实践教学质量，是计算机硬件实践课程急需解决的问题。

1 现有计算机硬件实践课程存在的问题

在我校现有的计算机硬件实践课程中，对学生实践结果的评价，一般采用现场演示的方式对学生的实验结果进行检查。同时通过现场问答的方式来考察其对实践过程涉及到的知识点的掌握程度。这种现场问答的方式存在以下几个方面的问题：

(1) 未结合“系统知识和系统能力”的培养导向。教师在验收时的提问不具有系统性，没有结合“系统知识和系统能力”的培养导向，因而难以支持以“系统知识和系统能力”的培养为导向的教学改革。

(2) 未能对学生的能力点进行全面的考察，且不够客观。教师在实验验收时的提问，比较有随机性，很难结合学生的能力欠缺点；由于验收时间有限，考察的问题一般是2～3个，考察不全面；验收时由多个老师同时进行验收，老师之间的考察标准难以达到严格一致。

(3) 未对评价结果进行分析，难以为先导课程优化教学策略提供支持。现场问答的方式未能对提问和回答进行有效记录，因而难以对其进行统计分析，从而得到先导课程数字逻辑、计算机组成原理、计算机体系结构、汇编语言程序设计中的教学薄弱环节，难以为先导课程的教学优化提供支持。

2 基于群体协作的计算机硬件实践考评促教

针对现有的计算机硬件实践基于现场问答的知识点考察方法的不足，提出了基于群体协作的计算机硬件实践考评促教方法(见图1),其主要内容包括：基于群体协作的题库建立机制；基于布卢姆模型[10-12]的试题评估和成绩评价机制；基于综合评价分析的教学策略优化机制；在以上内容的研究与实践过程中，形成面向计算机硬件系统能力培养的题库。

图1 基于群体协作的计算机硬件实践考评促教

2.1 基于群体协作的题库建立机制

基于群体协作的题库建立机制通过调动学生群体的积极性，让其参与到题库建立中来。一方面，通过这种方式建立的题库可以反映学生在学习过程中遇到的问题；另外一方面，这种方式可以更高效地建立大规模的题库。

如图2所示，基于群体协作的题库建立机制通过“学生群体出题—学生交叉检查—学生测试—教师审核—入库”的流程来建设大规模高质量的题库。具体为：①学生群体出题。首先建立统一的题目模板和题目生成工具，包括选择题，填空题，判断题等多种客观题型；然后，将模板和工具分发给学生，学生根据自己学习过程中遇到的难点和对课程的理解来生成考核题目；考核题目将以标准格式进行封装，以利用分享和入库。②学生交叉检查。该步的目标是保证试题质量。通过统一的交叉检查工具，在学生间进行交叉检查，从而初步淘汰不合格的题目。③学生测试。该步的目标是保证试题的区分度。通过将试题在学生间进行初步测试，去掉难度很高、难度很低、以及区分度很低的题目。④教师审核。通过教师的审核，进一步保证试题的质量和区分度；⑤入库。将题目按照标准格式放入试题库中。

图2 基于群体协作的题库建立

2.2 基于布卢姆模型的试题评估及成绩评价

针对传统的现场问答方式“不具有系统性，没有结合系统知识和系统能力的培养导向”的问题，提出了基于布卢姆模型的试题评估及成绩评价方法。

(1) 试题评估。针对“系统知识和系统能力”的培养导向，结合计算机硬件实验特点，设计若干计算机硬件系统问题。针对不同的系统问题，建立能力点映射关系表，同时，结合布卢姆的认知过程模型，即“记忆、理解、应用、分析、评价、创造”，将对应的试题归类到能力点认知阶段。上述对应关系如图3所示。

图3 “系统问题-能力点-试题”的对应关系

以系统问题“无内部互锁流水级的微处理器Microprocessor without Interlocked Piped Stages(MIPS) 指令系统”为例，其涉及到的能力点有：①MIPS 体系结构；②MIPS 指令格式；③MIPS 汇编语言与机器语言之间的对应关系；④MIPS指令寻址方式；⑤MIPS 汇编模拟器使用；⑥MIPS汇编程序设计(排序)。针对②MIPS 指令格式的试题及布卢姆的认知过程如表1所示。

表1 能力点-试题-布卢姆认知过程的对应关系示例

(2) 成绩评价。在以“系统知识和系统能力”的培养为导向的计算机硬件教育改革中，教学目标是计算机硬件系统能力。同时，试题评估也是围绕计算机系统能力的。因此，在考试时，可以围绕计算机系统能力及其需要达成的认知阶段，随机生成符合考察要求的试卷。这种方式既提高了出题效率，也保证了出题质量。

在学生试卷完成后，除了和传统考试一样给出总分数，还能给出相应的基于布卢姆模型的能力点得分，让学生了解自己的能力不足点，为其进一步提高提供参考。这种成绩评价机制以“系统知识和系统能力”的培养为导向，更全面地反映了学生硬件系统能力。

2.3 研究基于综合评价分析的教学策略优化机制

通过对所有学生的成绩进行综合分析，计算出每个能力点不同认知过程的达成度。达成度计算式为：

(1)

式中：p(t,Z)为在能力点t，认知过程为Z(Z=1～6，分别代表记忆、理解、应用、分析、评价和创造)上的达成度；N为在能力点t，认知过程为Z上的题目完成数目，si(t,Z)为第i个完成题目的分数(采用百分制)。

通过能力点达成度和教学大纲要求作比较， 对完成度较低的能力点进行总结分析， 为先导课程的教学策略优化提供支持。

3 建设成效

在基于群体协作的计算机硬件实践考评促教中，建立了面向计算机系统能力培养的硬件实践题库，开发了相关的模板和工具。

在建立的题库上，已经组织1届学生约300人进行了硬件实践测试，学生反映良好。基于测试结果，进行了综合评价分析，表2所示为能力点达成度的示例。

表2 能力点达成度示例

从表2可以看出，能力点“④ MIPS指令寻址方式的分析”在以后的教学中需要提高。图4所示为题目的模板和硬件实践题库的截图。

图4 题目模板和题库

4 结 语

提出了基于群体协作的计算机硬件实践考评促教方法:①通过基于群体协作的题库建立机制来建立题库；②基于布卢姆模型来进行试题评估和成绩评价；③通过综合评价分析，为先导课程的教学策略优化提供支持。在该方法的研究与实践过程中，建立了面向计算机硬件系统能力培养的题库。用该题库测试表明,本文方法可以对学生的硬件系统能力进行更全面的评估，同时能为先导课程的教学优化提供支持，从而提高学生计算机硬件系统能力的培养。下一步工作包括：①完善和修正题库，提供大规模高质量的面向计算机硬件系统能力培养的题库；②进行更深入的综合评价分析，以更好地对学生的系统能力进行评估，和为先导课程提供更好的优化策略。实践表明,基于群体协作的计算机硬件实践考评促教方法面向以“系统知识和系统能力”为培养导向的计算机教育改革，有利于提高实验教学质量[13-14]，培养创新型人才[15-16]。