CPTH平台下计算机组成原理实验课7E教学模式研究

李鑫洪 谢雪军

摘要：高等学校教学模式的变革，不仅有助于创新人才的培养，还将提升教育质量。7E教学模式包括启发、参与、探究、解释、精致、扩展和评价等7个步骤，而评价贯穿于各个阶段中。样本来自我校计算机专业类学生77名学生，其中40名学生为实验班，37名学生为对照班。实验班学生通过基于7E教学模式学习，而对照班学生通过传统教学模式学习。通过调查分析，实验班学生学习满意度得到了一定的提高。运用SPSS统计软件对学生后测成绩进行独立样本T检验，实验班和对照班学生后测成绩平均得分分别为69.48和63.49，实验班学生及格率高于对照班约13个百分点，一定程度上说明了7E教学模式提高学生的学习能力是有效的。最后概述该教学模式对我国高等教育质量发展的几点启示，以期为地方高校的信息化建设、学风建设和课程建设提供一个有益版本。

关键词：高等教育；CPTH平台；7E教学；满意度；版本

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）29-0174-04

1 问题提出

目前宜春学院硬件课程教学水平整体较低，普遍存在设计缺失、教育理念落后、考核机制缺位、资金投入不足等问题。比如计算机组成原理实验课教学过程中存在的一些问题：（1）教学模式制约。主宰式的教学使得很多学生不适应，感到很迷茫，对硬件实验设备感到很陌生、较难掌握。（2）学生基础薄弱。存在生源质量差问题，学生容易感到畏惧和枯燥，丧失兴趣，出现上实验课时蒙混过关，抄袭别人实验结果的现象。（3）考核管理缺失。存在实验课考核形式单一，轻过程考核，重形式化的考核结果数据[1]。CPTH平台是结合国内同类产品的优点，最新研制开发的超强型实验计算机装置，自带键盘和液晶显示器，支持脱机和联PC机两种工作模式，运用系统监控和数码管等实时监视，全面动态管理模型机的运行和内部资源。宜春学院2018年从东疆计算机公司引进该平台25套（以前实验课借用我校理工学院实验室），该平台示教效果较好，易理解和操作，适用地方本科高校计算机组成原理实验课的教学与实验，提升课堂教学质量和学生满意度。

基于以上背景下，让学生沉浸于学习的情境，注重实现知识的内在价值，强调学生能够积极主动地开展学习，重构已有的知识结构，并学会解决实际问题，从而实现有创造价值的学习。我们必须破解资源瓶颈，突破常规思维，借助信息科学技术，开展CPTH平台下《计算机组成原理》实验課7E教学模式探索与实践。

2 研究现状

美国前教师协会会长Eisenkraft于2003年提出7E教学模式[2]，该教学模式分为7个教学或学习步骤，且每个步骤都以E开头，分别为启发（Enlighten）、参与（Engage）、探究（Explore）、解释（Explain）、精致（Elaborate）、扩展（Extend）和评价（Evaluate）等。以“7E教学”为篇关键词在清华同方CNKI数据库资源中从1994年1月至2021年12月检索发现相关记录8条[2-9]，从发表论文类型来看学术期刊4篇，学位论文4篇；从研究领域来看高中生物2篇，初中生物4篇，高职英语和小学英语各1篇。目前关于地方本科高校7E教学模式可供借鉴相关资料极少。

为了使7E模式更适合地方高校硬件实验课教学，多维评价贯穿于每个阶段中，破解地方高校固有的学习文化，使培养学生核心竞争力，培养符合社会要求的“能”学习，“会”学习的创新人才。

3 研究方案

计算机组成原理（Principles of Computer Organization）理论课主要讨论计算机各大功能部件组成的基本原理及其互连构成整机的技术，在计算机系统能力培养目标中起着重要的承上启下作用。实验课是该门学科的主要组成部分，在动手实践中理解程序如何运行，要求学生动手和自主学习，理论与实践相结合。实验目的是使学生建立计算机系统的整体概念。根据宜春学院计算机组成原理课程实际教学情况，以大二本科生为研究对象，大班理论教学，分两个小班实验教学，可以把两个小班分别设置为对照班和实验班。样本包括实验班学生40名和普通班学生37名，理论上两个小班属于平行班，不存在显著的成绩差异。实验班学生通过7E教学模式学习，而对照组学生通过传统教学模式学习。这项研究是在学年奇数学期进行的[10-11]。

3.1 启发（Enlighten）

激发学生表达自己的知识，根据学生的知识来规划学习。学生的知识主要来源于3个方面：（1）文化学习。比如对计算机专业高年级的学生来说，掌握计算机语言、数据结构、数据库和软件工程等就是文化专业知识。（2）生活经验。实践出真知，从生活中得来的往往更能记忆犹新。例如，水往低处流就是公认的真理。（3）家庭背景。好的家庭背景会得到优越的条件和背景知识，父母会成为良好学习的引路人。为了达到课堂实验的教学目的，学生根据自己的先期知识结构进行规划学习。比如提出前期数字逻辑课程的知识点来引起学生的回忆以及对新知识探索，学生根据已学知识回答。列出问题清单，明确问题重难点，讨论问题解决方案。明确学习的目的和要求，学生可收获什么样的知识和预计达到的点。使学生很好地融入课堂、积极动手操作，鼓励学生发现问题，勇于提出问题，激发学生表达自己的观点。

3.2 参与（Engage）

将学生的兴趣点由课外转向课内，吸引学生注意力。可创设1-2情境提高学生的求知欲，通过播放PPT幻灯片和动画视频等吸引学生的注意，介绍我国计算机发展的艰辛历程、国际竞争环境和取得的成绩，引导学生的奉献精神和构建和谐社会价值导向，引出本次实验课要学习的对象。根据情景讲解，理论联系实际，使学生为探究活动和概念建构做好准备。例如运算器实验中先吸引学生对累加器、工作寄存器和数据寄存器以及算术逻辑运算（加、减、或、与、带进位加、带进位减、取反等）原理学习的关注，形成积极活跃的课堂气氛，引导学生自己提出需要探索的问题。学生发现问题后，需对问题进行进一步加工处理，用书面的语言清晰描述问题，把发现的问题变成探究性的科学问题。老师分别组织实验班和对照班学生两两分组，先分组讨论，再分别得出概念。

3.3 探究（Explore）

探究是课堂的关键环节，培养学生科学素养。学生用眼看，用心想，用手做，用感观去感知，要做学习的主人，教师作为学习的引导者。确立学生学习的主体地位，改变以往学习模式中死记硬背、生搬硬套的学习模式，通过激发学生的积极性，主动参与到学习中。存储器EM实验中利用CPTH实验仪上的K16...K23开关作为DBUS 的数据，其他开关作为控制信号，实现程序存储器EM的读写操作。存储器EM由一片6116RAM构成，是用户存放程序和数据的地方。教师先讲解学生实验目的和实验原理，由小组自行熟悉理解实验电路，讨论实验方案。先将数据11H、22H、33H分别写入EM[0]、EM[1]、EM[2]，再通过开关实现存储器读操作，检验写的正确性。

3.4 解释（Explain）

感性认识上升为理性知识的重要环节，得出抽象化的概念，这个过程教师最好引导学生自己去总结概括完善。解释能强化对知识的理解过程，先有学生提出问题，教师再依據学生的想法进行讲解，引导学生自行探索，寻找正确的探索途径，在学生探索基础上进行加工处理。教师在学生解释的过程中，需要不断地引导、补充和纠正。学生通过交流过程构建起科学的认知。在存储器EM实验中提出思考性问题：1）是不是写一个数据，然后接着读该数据？2）存储器读操作后要重写入数据吗？3）断电后存储器中保存的信息还在吗？学生通过运用分析、理解、推理等手段探索新的知识点，再综合以前学习的知识整合构造新知识。

3.5 精致（Elaborate）

将所学知识学以致用，学生有机会运用发现的新知识甚至结论来解释理论知识，可能会为下一次实验带来新的问题。在此阶段重在师生之间的交流互动，在课堂上营造一种促进学生讨论以及相互合作的学习氛围，以小组为单位相互分享各自想法并予以回馈，以建立各自的理解。在已形成的解释的基础上，应用于新的问题中，强调知识与过程技能的一般化，发展更深更广。前述存储器EM实验中可联系理论教材或现实生活中计算机，存储器为什么分为主存、外存和缓存三级存储体系？师生共同总结：存储器是用来存储信息的，包括程序、数据和文档等。为了解决存储器容量、速度和成本三方面的矛盾，计算机采用多级存储体系结构。进一步完善学生的认知结构。

3.6 扩展（Extend）

自主学习、独立思考，鼓励解决问题策略的突破与创新。深化概念理解的基础上，拓展延伸本节实验课的内容，帮助学生发现与之有联系的相关概念或主题，让学生成为学习的主体，舍教师“一言堂”，强化求异思维，这是扩展阶段的重要特征。学生联系日常生活中所学到的概念，创造性地学习以及把自己的知识结构和日常生活中的例子联系起来，寻找新的概念理论。结合半导体存储体的国际竞争、发展历程和我国存储器发展的规划，增加学生的时代责任担当。通过7E教学周期的每个阶段，学生可以在学习过程中发展他们的批判性思维能力。

3.7 评价（Evaluate）

包括互评和自评，采取适当的方式来调整教学思路。反馈要及时而有针对性，给予学生积极反馈是7E实验教学开展过程中不可缺少的一部分，根据教学目标，以及学生的学习情况，对教学过程中的学习活动及成果予以评价。通过评价，教师可以根据实验教学各方面的情况，不断改善教学，提高教学质量水平。教学评价可以反映出教师的教学效果和学生的学习情况，使得教师和学生更快更好地做出调整7E教学方案。例如前述存储器EM实验中评价着重于：1）对学生的探究能力进行评价。学生通过实验，可以加深对实验原理、实验要求和实验电路的理解。2）对学生的学习能力进行评价。在实验教学中，学生主动积极参与，动手操作，能更好地体现自我价值，能让教师了解学生情况更好的因材施教。

4 结果分析

4.1满意度调查分析

在学期结束后对实验班和对照班的学生分别进行课堂满意度的调查，通过对不同班级的数据对比，得出学生对于传统教学模式和7E教学模式在实验教学中的满意度。参加满意度调查的人数为77人，测试发放问卷77份，回收77份[10]。问卷设计基于李克特量表法（Likert Scale），即问题由针对实验课教学的态度或看法的陈述组成，其中1代表“完全不满意”；2代表“不满意”；3代表“一般”；4代表“满意”；5代表“完全满意”。

统计结果表明：对照班学生对实验教学态度不满意的有9人（24.3%，包括完全不满意的学生人数），而实验班学生对实验教学态度不满意的没有，甚至对照班有2人对实验课教学完全不满意。对照班学生对实验教学态度满意只有8人（21.6%），而实验班学生对实验教学态度满意有34人（85.0%），在完全满意一项，在两个班级人数相当的情况下实验班与对照班人数比5：1。这说明了宜春学院硬件实验课传统教学水平较低，存在教育理念落后的问题，学生对传统教学满意度较低，急需新的教学模式改革。从实验班调查结果分析来看，7E教学模式有利于学生学习兴趣的提升，能够有效地提高课堂教学效率，总体上学生的学习满意度得到一定的提高。

4.2前后测成绩分析

宜春学院计算机组成原理理论课共16周（平均周课时3节），实验课从第9周至第16周（周课时2节）。任课老师第8教学周组织了实验班和对照班学生阶段性实验操作考试，以这次考试成绩作为前测成绩，以期末实验考试成绩作为后测成绩。研究结果表明，无论是高水平还是低水平学生，通过7E教学模式学习的学生期末考试成绩（后测成绩）优于传统教学模式学习的学生，实验班学生期末考试成绩平均分高于对照班学生6分左右，而实验班与对照班学生前测成绩几乎无差异。实验班和对照班学生后测成绩平均得分分别为69.48和63.49，从两个班的平均成绩看，实验班有更大的进步，而且实验班学生及格率高于对照班13.51个百分点，说明7E教学模式提升学生的学习能力是有效的[2]。

5 结语

7E模式完全能满足计算机组成原理实验课程教学的内在诉求，二者有着本质的契合：（1）与课程教学目标相联系。培育良好的学习文化氛围，使学生理解计算机系统硬件的完整组成和基本工作原理。带着问题自主学成默认学习文化，学生想学自觉学，老师愿意主动教，老师由主宰变主导，学生由客体变主体。（2）体现课程实践教学。通过对实验课程教学流程的不断优化和经验的持续积累，为计算机类硬件课程建设提供更多样化的教学思路，亦将会为其他计算机专业的教学模式提供更多可参考的经验。（3）引入新实验平台CPTH。有力地支撑实验教学的开展，降低实验板的故障率和日常维护成本，提高实验效率和教学质量[12]。（4）支持普通高等学校本科教学评估工作。培养学生的自主学习，提高学生的实验课程成绩，使学生期末考试成绩基本呈正态分布，显著提高学生成绩及格率，满足教学评估课程学习数据考核要求，促进硬件类课程健康、持续地发展。

7E模式融入以学生为中心的教学理念，从“学中做”到“做中学”“玩中学”转变[13]，提高学生的学习动机。教师要合理把控教学内容深度与地方本科高校生源质量相适应，规划更加丰富的教学内容。为了最大限度地提高学生的学习能力，必须使学生养成积极学习的习惯，消除CPTH平台下实验课程7E教学模式的所有障碍，把学习的责任更多地放在学生的身上，同时给予他们更大的动手做实验动力[14-15]。7E教学模式为地方高等院校培育学习文化和创新教学方法提供了一定借鉴和参考，有利于学生在校园环境下获得积极的学习习惯，以期为实践教学研究提供一个好的范本。当然对于CPTH平台下计算机组成原理实验课7E教学模式研究还不够全面和存在较大的主观性，未来有时间还要继续做相应的研究，多视角总结好的经验。

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【通联编辑：王力】