基于翻轉課堂理念的計算機組成原理教學研究

林克正，劉彥君，金恩海，唐遠新，陳德運（哈爾濱理工大學 計算機科學與技術學院，黑龍江 哈爾濱 150080）

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基于翻轉課堂理念的計算機組成原理教學研究

林克正，劉彥君，金恩海，唐遠新，陳德運
（哈爾濱理工大學 計算機科學與技術學院，黑龍江 哈爾濱 150080）

摘 要：分析計算機組成原理課程現階段教學情況，提出基于翻轉課堂的教學理念對該課程進行改進的思路和方法。

關鍵詞：翻轉課堂；計算機組成原理；教學改革；自主學習

0　引　言

計算機專業的教學體系包括很多重要的基礎課程，如數據結構、計算機網絡、操作系統等。在眾多的課程中，計算機組成原理教學內容抽象，實驗內容復雜，極易引起學習者厭學，因此，變革傳統課程教學模式和教學結構已經成為眾多教育者關注的熱點，翻轉課堂教學模式的出現為變革傳統教學注入了新的生命力。

1　翻轉課堂的理論基礎

1.1翻轉課堂的內涵與本質

翻轉課堂有很多常見的術語，如“顛倒課堂”或 “反轉課堂”，它最初是從英語“Flipped Class Model”或“Inverted Classroom”翻譯過來的[1]。傳統上課模式是教師課上教授知識，學生負責聽，剩下的就是課下完成作業；而翻轉課堂的教學模式卻有著顛覆性的轉變。在翻轉課堂中，教師會根據學生的學習情況、學習狀態，將各種課程資源提前準備好，而學生需要做的就是自主地完成對知識的學習，課上再通過小組協作和教師互動（答疑解惑、探究、游戲等）對知識進行深化，以達到理解的目的。

1.2翻轉課堂的特征及意義

1.2.1翻轉課堂的特征

（1）顛倒了傳統的教學流程，為課堂教學營造輕松自由的學習氛圍。學生在課前進行自主學習掌握知識，課堂上通過解決問題、小組協作及師生共探等活動進行知識深化。這樣使學生能夠在一個輕松自由的環境下學習，也提高了學生的學習興趣，增加了師生互動，使教師能及時給學生反饋與指導，教學效果更加顯著。

（2）方便的網絡平臺和豐富的教學資源，實現了資源共享和互動交流。在翻轉課堂中，教師課前把教學視頻、微視頻、測試題等各種學習資源共享到學習平臺上，學生可以隨時隨地進行在線學習；而且在觀看學習視頻的過程中，遇到不明白的問題可以隨時向老師進行反饋，老師則會在線予以答復，這樣能防止學生在學習的過程中停滯，從而達到一個融會貫通的目的。

1.2.2翻轉課堂的意義

（1）翻轉課堂能夠使學生真正做到個性化的學習。學生通過自身情況觀看微視頻，既可以快進也可以倒帶，不懂處也能暫停求教，自由安排自己的學習進度；通過聊天軟件或翻轉平臺等求助老師和同學，真正達到個性化學習的目的。

（2）翻轉課堂增加了師生的交流，促進師生情誼。翻轉課堂最顯著的模塊就是有一個在線討論，通過課前的深度學習，在課堂上學生積極參與討論，教師觀察小組協作中學生的表現，引導他們相互學習，這樣會促進師生的交流互動；而教師也會針對每個學生不同的情況進行逐一指導，輕松愉快地共同對知識進行探索，促進師生之情。

（3）翻轉課堂可以自由分配學習時間。學習期間，學校的各種事情眾多繁雜，而有的時候學生會不得已耽誤課程，教師把課前錄制的視頻資源、文檔、精品課程等資源上傳課程平臺，從而保留下來，學生可以課后學習，這樣學生再也不用擔心活動與課程沖突了。

（4）翻轉課堂改變了課堂氛圍。在傳統的教學過程中，老師需要管理課堂紀律，這就會影響正常的課堂進度。實施翻轉課堂以后，那些走神的學生從此失去了伙伴，同學們都在忙于學習，在小組協作中積極主動地出主意，辯解爭論，這樣，不喜歡學習的學生也都被吸引過來一起探究。

2　翻轉課堂在計算機組成原理中的教學研究

2.1教學手段和方法設計

翻轉課堂是以學生為主體的自主學習，怎樣在視頻教學中引起學生學習的興趣[2]，引發學生思考，是學好這門課的重點，因此，針對傳統的教學模式，翻轉課堂在教學方法上做了一些必要的改進。

（1）教學思路設計——懸念導入法。有效的導入是教學中的重要環節，成功的導入能夠承上啟下，引起學生的注意和興趣，把學生帶入設計好的情境之中，充分調動學生的積極性，為完成教學任務創造條件[3]。如在計算機組成原理的教學中，每一章可以看作為一個大的計算機框架，而每一章中的每一節則可以看作為框架中的重要部件，這樣可以使學生在計算機大框架的基礎上，一步一步地深入；在深入的過程中，學生會產生很多的疑問，從而激發求知欲望，一步一步地了解到計算機的工作原理。

（2）模擬教學法——學生講課。學生講課在翻轉課堂的教學模式中是一個創新，由于每一門課的內容難易程度不一樣，所以把那些相對容易自學的部分交付給學生，這樣既可以讓他們主動地去思考問題，了解整個章節的概況，對所學的部分有一個很好的預習，又能鍛煉學生的能力，既對自己所講的內容有更深刻的理解，又能提高自身的整體素質。

2.2實驗課設計——使學生愛上實驗課

翻轉課堂與傳統的教學模式相比，從根本上進行了改進。計算機組成原理實驗中，為了讓學生更直觀、深入地了解實驗內容，更有興趣地進行實驗，教師在網上將實驗的部分做成游戲的模式，比如將硬件系統如控制器、寄存器、存儲器等部件細化到芯片級別，直觀地呈現在游戲畫面中，讓學生可以從硬件底層對芯片操作，看到計算機內部的運行方式；然后，每一個芯片一步一步地擴大組建，看到從芯片到單元，再到整個系統的過程，這樣，大大降低了學生學習硬件實驗的難度[4]，也提高了學生對于課程實驗部分的興趣。

比如實驗中的運算器組成實驗，當學生進入到翻轉課堂的實驗教學中時，首先會看到一個沒有連接好的實驗電路圖，學生只有成功地連接了這個電路圖才能進行到下一關，這樣會激發他們的挑戰心理。在連接線路的過程中，如果連接錯誤或操作不當，就會發出紅色警告，挑戰失敗，就要從頭開始，這樣就間接地培養了學生嚴謹的科學態度。接下來，用開關SW7-SW0向通用寄存器堆RF內的R0-R3寄存器置數，將R0-R3的內容讀取出來，并在數據總線DBUS上顯示出來。這里可以設計成進入這一關卡時，每個學生變成一個弓箭手，通過自己手中的箭向R0-R3寄存器置數，其中讀取R0-R3的內容即為消滅的敵人數量，這樣間接地使學生在游戲中學到了知識。接下來驗證ALU的邏輯運算與算術運算的功能，進入到這一關卡時，會有兩條岔路，左側是M=0的情況下，右側是M=1的情況下，分別進入兩個岔路，消滅敵人；若在實驗中出現進位的情況，指示燈會亮起，則會出現一個更高級別的怪獸，打敗這個怪獸，得到運算的結果，完成實驗。

雖然運算器組成實驗是一個非?；A的實驗，但是通過翻轉課堂這樣一個實驗形式，不僅能夠培養學生嚴謹的科學態度，而且能夠使他們在游戲的樂趣中學到知識，大大降低了學習硬件實驗的難度，從而提高了對硬件實驗的學習興趣[5]。

2.3視頻課程教學設計

在計算機組成原理的視頻教學中，教師將課程內容分塊，逐步深入地進行講解，每講解完一個部分，教師對學生進行提問。比如課程講解的是指令和數據的尋址方式，講解完這部分內容后，就要求學生給出一個指令格式結構，分析其尋址方式等。這時學生應就問題在線上平臺進行回答，只有回答正確才能繼續進行下面的視頻教學，而且對所回答問題的速度會進行排名，所排的名次在后面的在線測試成績中占有一定的比重。當整個教學視頻結束后，教師對所學內容做總結，并對學生進行在線測試，對測試成績比較好的進行獎勵。這樣的教學形式將視頻教學內容與實驗課程內容關聯起來，并且通過提問的方式，鞭策學生認真地學習視頻教學，通過排名獎勵以及獲取通關所需要的道具來提高學生的學習興趣。

綜上所述，教學流程圖如圖1所示。

圖1　計算機組成原理教學流程圖

3　基于翻轉課堂模式的計算機組成原理課堂效果研究

對比傳統教學模式的情況，基于翻轉課堂模式下的計算機組成原理有很好的教學效果。

（1)教師提問與學生發言的分析。在翻轉課堂中，學生通過教師的提問能主動思考問題，捕捉問題重點，而且一些開放性的問題能很好地鍛煉學生的思維能力；而在傳統課堂中，學生主動發言的機會很少，主要原因是教師需要在規定時間內完成知識的講授。

（2)教師語言作用的分析。在傳統的教學中，教師往往會對所教授的內容間接地插入自己的想法，而且希望學生能夠遵從自己的想法，這樣做有礙于學生思維的健康發展，反而束縛了本該發散創新的思維；而在翻轉課堂中，教師以平和的心態接納學生的感受，對學生的行為、回答進行鼓勵和肯定，并充實學生的意見或想法，更傾向于通過情感交流、溝通的方式來教育學生。

（3)實驗課效果分析。在翻轉課堂的教學中，實驗的可操作性很強，比傳統的教學方式更有創新，更能激發學生學習的欲望和學習興趣。對于這種新模式下的實驗教學，更能夠幫助學生深入地理解理論知識，提高分析能力和操作能力，使學生不再懼怕硬件實驗課，從而愛上實驗課。

（4)教學效果比較分析。在翻轉課堂的教學中，教師注重與學生的對話溝通，利于以啟發式教學的方法來激發學生學習的興趣。讓學生進行積極地探討，并通過提問的方式來引起學生對某一問題的思考，這種教學模式有很好的課堂氣氛，教師能肯定、接納學生的意見，而且能夠充實和發展他們的意見，使全體學生接受到更加完整和清楚的信息。

4　結　語

計算機組成原理的課堂教學改革是未來教育的發展趨勢，這樣的教學模式也會越來越成熟。面對教育信息化的迅速發展，翻轉課堂正順應著教學模式改革的潮流，或許會對信息化時代教育學產生深刻的影響。

參考文獻：

[1] 張金萍. 促進翻轉課堂中學生能力提升的策略[J]. 中國教育技術裝備, 2013(36): 111-112.

[2] 陳潔. 基于交互白板的翻轉課堂教學案例設計[D]. 保定: 河北大學, 2013.

[3] 張年如, 劉銀霞, 聶學方, 等. 以學生能力培養為中心的計算機組成原理自主學習教學方法設計[J]. 經濟研究導刊, 2013(6): 300-301.

[4] 章富嘉, 包健, 吳迎來. 網絡化計算機組成原理課程輔助教學方法探索[J]. 計算機教育, 2012(2): 67-70.

[5] 潘婷偉. 計算機硬件課程教學改進與實踐[J]. 赤峰學院學報: 自然科學版, 2014(10): 217-218.

[6] 裴紅星, 祁秀香. 基于翻轉課堂的教學模式改革[J]. 科技創新導報, 2015(16): 146-148.

（編輯：郭田珍）

第一作者簡介：林克正，男，教授，研究方向為圖像處理與機器視覺，link@hrbust.edu.cn。

基金項目：黑龍江省教育廳教改項目“基于翻轉課堂教學模式的計算機專業人才培養研究與實踐”（JG2014010798）。

中圖分類號：G642

文章編號：1672-5913(2016)04-0117-04