谈谈慕课的实践教学

本文作者:清华大学周立柱教授

0 引 言

慕课(Massive Online Open Courses,简称MOOC)是一种崭新的在线教育模式,它以大规模、开放、自由选课等特色为大学教育的变革带来了一股春风。历经5年的起伏,随着炒作泡沫的散去,今天的慕课已经进入注重务实的发展阶段。当下,国内外主流慕课平台提供的课程越来越多,大学采用慕课作为混合式教学内容、进行翻转课堂教学的方法正在边实践边推进,学生通过慕课获得的课程证书开始得到大学的认同并可拿到学分,以慕课为基础的微专业和微硕士开始成为大学教育的一种新形式。所有这些都在表示:慕课正在脚踏实地地向前发展,已成为现代教育不可或缺的重要支撑。对于这样一种新鲜事物,教育工作者应该花些力气做点研究。抱着这种想法,笔者试着做一次粗浅的尝试。

在慕课的课程建设中,凡是有实践教学的课程,都会碰到一个绕不开的问题,就是如何在慕课中保证必需的实践教学内容。但是,慕课的大规模、在线、开放等特质使通常的实践教学方法无法照搬到互联网环境。慕课的实践教学面临着一系列的挑战,与慕课的在线视频授课一样,需要创新的思维和解决办法。

实践出真知。自2012慕课元年以来,慕课以及相关的教育理念与实践,如翻转课堂、碎片化学习、混合式教学、SPOC等在国内高校迅速发展,取得了许多宝贵经验,其中也包括慕课的实践教学。借鉴这些经验,笔者首先介绍清华在线学堂上两门有影响的MOOC课程数据结构和电路原理,看看这两门课的实践教学如何进行。接着,探讨实践教学占重头戏的计算机硬件MOOC课程的实践教学问题,以清华大学计算机硬件实验统一平台为基础,提出一个支持硬件MOOC课程教学实践的平台解决方案。

1 清华学堂在线的MOOC数据结构课程

清华学堂在线的MOOC数据结构课程由清华大学计算机系邓俊辉老师打造和主讲,2013年秋通过学堂在线的慕课平台在网上公开授课,后通过EdX平台在国外推广,并在2016年获得EdX杰出贡献奖。该门课程近年来一直保持每年数万人的选课规模。国内已有10余个高校采用该课程资源进行慕课数据结构的教学。

MOOC数据结构课程含有501段视频(总时长36小时)、200余个演示、250个段间小测验、4次大型编程作业。课程配有测验题库、编程平台、演示库、课程论坛、微信公众号等,构成了一个完整的在线授课和学习环境。

传统数据结构课程的实践环节主要是编程,学生要在计算机上用某种语言,如C、C++等,实现不同的数据结构和相关算法,掌握算法设计、实现、分析的核心内容,MOOC数据结构也不例外。但是,由于慕课的学生数量众多,且分布在全国乃至世界各地,因此如何掌握学生实践环节的编程完成情况、进行评判和辅导的问题变得非常突出。它不可能像传统教学那样在课堂和实验室完成,必须有可行的互联网解决方案。让我们看看清华学堂在线的MOOC数据结构是如何解决的。

MOOC数据结构解决教学实践的关键在于独立开发的在线编程实验平台。该平台在互联网上运行,配有在线文档和视频教程,支持教学实践中的编程、作业提交、评判等环节,为学生与教师两类用户提供服务。平台的具体功能如下:

(1)配有100余道分级习题,支持学生在互联网上实现课程编程作业。例如,范围查询(Range)、祖玛(Zuma)、灯塔(LightHouse)、列车调度(Train)、真二叉树重构(Proper Rebuild)、旅行商(TSP)等。

(2)自动完成学生提交编程作业的评测、统计和成绩发布,为教师提供学生完成每次作业、每道题、每个测例的总体质量分布。

(3)记录学生在线学习的行为表现,使教师可以随时掌握学生总体的投入情况,通过可视化工具进行统计分析。

(4)提供代码检测,对提交的程序进行比对和查重,发现编程作弊行为。

几年的慕课教学实践验证了在线编程实验平台在支持MOOC数据结构教学实践方面发挥的巨大作用。可以说MOOC数据结构能够成为学堂在线上一门深受欢迎的课程,离不开这个平台的有力支持。更为令人兴奋的是,它让我们看到了这种模式对以编程为主的MOOC课程实践教学的普遍意义。

2 清华学堂在线的MOOC电路原理课程

电路原理是清华学堂在线上深受欢迎、很有影响的慕课课程之一,由清华大学电机系于歆杰老师主讲。课程包括99个知识点、240段视频(时长22小时)、198个简单练习题和109个综合性练习题。此外,还包括7个专门用于仿真软件的教学视频(长度52分钟)。

自2013年在edX和学堂在线两个平台同时上线以来,已有来自全世界近160个国家和地区的13万余名学生选修MOOC电路原理。不仅如此,它还有力地促进了教学改革。于歆杰老师领衔的电路原理教学小组,以慕课资源和教学方法为基础,提出了以SPOC平台作为在线教学环境、翻转课堂作为教学方法的“以学生为中心的教与学”模式,取得了很好的教学效果,从而荣获清华大学2016教学成果特等奖。

电路原理是本科的核心课程。常规的课程实践教学借助电路原理实验箱、示波器、信号发生器、计算机、仿真软件等多种工具完成实验。MOOC电路原理课程在网上的选课人数超过两万人,对于这样的学生大众,传统的实践教学显然是不可行的。

慕课的大规模教学必须借助先进的教学手段,而仿真软件就是一种非常好的选择。一是慕课的大众学员比较容易获取;二是它可供互联网环境下的上万学员同时使用,能够适应慕课教学的大规模学习环境。MOOC电路原理课程的实践教学走的就是这样一条技术路线,课程采用了电路仿真软件——美国国家仪器(NI)有限公司的以Windows为基础的Multisim,所有在edX和学堂在线平台选修电路原理课程的学生用它来完成要求的教学实验。

为了帮助学生掌握仿真软件的使用,MOOC电路原理课程在240段电路教学视频中,特别录制了13个电路的仿真展示和11个具有使用功能的演示实验展示。经过这样的训练,学生可以利用仿真软件自主实现很多电路实验。

在实践教学的练习环节,MOOC电路原理共布置了4个题目,分别是线性电阻、非线性电阻、动态时域、正弦稳态4个部分,要求学生用掌握的基础知识对电路进行分析。特别在这4个部分中各布置了1个用手算算不出来的题目,要求学生用仿真软件给出正确结果。MOOC电路原理教学表明,仿真实验是慕课实践教学的一种有效手段,它既能适应互联网上慕课的大规模选课要求,也能保证课程教学要达到的目标,MOOC电路原理在这方面树立了一个很好的榜样。

3 计算机硬件MOOC课程的实践教学

这里所说的硬件课程包括数字逻辑、计算机组成原理、计算机系统结构等,它们构成了计算机硬件课程的主干。

由于上述主干课程的重要性,使开设计算机专业的院系十分重视这些课程的实践教学,为课程配置了大量的实验内容。对于这些实验,学生通常要在教师的辅导下,在实验室使用专用的装置和设备才能完成。面对互联网上慕课的大规模开放条件,这种传统的实验方式显然是不可行的。

为了保证计算机硬件MOOC课程的实践教学环节,必须在坚持计算机硬件实验核心内容的前提下,转变实验形式,让实验从实验室转向开放的网络环境。换句话说,让学生在互联网上能够做硬件实验。这是一种巨大的转变,对计算机教育来说更是一种变革。令人高兴的是我们看到了这种转变的可能,也看到了这种变革的起步。这要从清华大学计算机硬件统一实验平台说起。

计算机硬件实验统一平台是由清华大学计算机系国家级计算机实验教学示范中心开发的一套计算机硬件实验系统。它支持计算机硬件系列课程的相关实验内容,含数字逻辑、计算机组成原理、计算机系统结构等课程。以数字逻辑为例,支持的试验内容包括多路选择器设计、四位加法器(逐级进位、超前进位)、乘法器设计、VGA显示控制器设计等11个。平台已用于清华大学的硬件课程数字逻辑设计、计算机组成与系统结构、微处理器设计与测试、专业实践教学,取得了很好的效果。

计算机硬件实验统一平台采用两种构架,分别支持本地和网络的远程实验模式。本地模式采用独立机箱,机箱内装有一块由实验室自主开发的硬件实验板,通过USB接口与PC进行通讯。学生可用试验箱,也可通过PC上的用户界面完成实验。本地与远程这两种方式都基于相同的硬件设备,实验效果相同。但是,对于慕课的实验教学,只有远程模式才有意义,所以下面着重介绍实验平台的远程架构,并讨论支持MOOC课程的可能性。

计算机硬件实验统一平台由以下几部分组成:硬件实验服务器,它是由多块硬件实验板组成的特殊服务器,实验板与本地模式的实验板相同,服务器运行数据库软件和实验服务软件,完成实验及设备的管理以及同客户端通信;客户端,即普通的PC,安装有试验专用的软件,提供用户进行实验操作以及查看实验结果的可视化界面;连接服务器与客户端的局域网,用户在客户端PC上完成的实验操作经过网络传送到服务器,服务器在完成实验操作后,再将结果经由网络返回到客户端。

计算机硬件实验统一平台的远程模式让实验从实验室走向网络。它打破了传统实验方式所受的时空限制,支持学生自己安排时间在网络上完成硬件实验,还简化了实验管理,增强了实验效果,向我们展示了互联网环境下MOOC硬件课程实验系统平台的原型。

计算机硬件实验统一平台是一种典型的网络环境下的客户端服务器架构,将它移植到互联网的环境下并非难事。不妨设想一下,如果一块实验板可以支持一个学生在互联网上做硬件实验,则装有N块实验板的一个服务器群就能够并发地支持N名学生做实验。由于网络上的实验平台不受时空所限,因此通过分时共享,同一块实验板一天支持10人做实验是一件轻松的事情。这样一来,N块实验板一天支持的实验人数可达到10×N。假设N=100,则一天内系统可支持千名学生做硬件实验,这是一个传统教学实验不可想象的数字,是一次飞跃。

移植后的计算机硬件实验统一平台可以满足MOOC计算机硬件课程的实践教学需求。届时,互联网上成百上千的学生通过PC、平板电脑、手机等设备完成硬件实验,通过论坛在线进行实验讨论,得到助教的帮助;教师也能在平台上及时掌握学生的试验情况,及时给出指导,平台上记录下学生实验过程的数据,成为分析、改进实验和课程教学的科学依据。总之,MOOC的计算机硬件课程的实践教学得到了合理的解决。计算机技术又一次应用到计算机教育本身,推动了教育的进步。

当然,由于互联网与局域网之间的巨大差异,将计算机硬件实验统一平台移植到互联网环境下必须解决某些关键技术问题,例如,平台的性能与安全、系统的可扩展性、可供学生和教师讨论实验的在线论坛、记录学生实验过程数据的日志系统、友好易用的客户端(PC、平板电脑、手机)界面、实验者身份认证、必要的硬件工作等,但所有这些都是可解决的。

4 结 语

慕课为大学教育开创了一种新的教育模式,如何解决课程的实践教学问题对于慕课的推广至关重要。本文介绍了在线编程平台和仿真方法两种解决方案,分别在清华学堂在线的数据结构课程和电路原理课程中得到了应用,成为成功的案例。清华大学开发的计算机硬件实验统一平台支持了计算机硬件MOOC课程的设想和可行方案。我们深信,随着慕课的深入发展,慕课实践教学这一主题必然会引起人们越来越多的关注和研究,从而产生更多的创新方法和模式。

致 谢

笔者在完成本文的过程中得到了邓俊辉老师、于歆杰老师、刘秀成老师以及清华大学计算机系国家级计算机实验教学示范中心许多老师的帮助,在此一并表示衷心的感谢。

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