翻轉課堂教學模式在《計算機硬件技術基礎》課程中應用初探

凌青華，韓　飛，王長寶

(1.江蘇科技大學　計算機科學與工程學院，江蘇　鎮江　212003；2.江蘇大學　計算機科學與通信工程學院，江蘇　鎮江　212013)

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翻轉課堂教學模式在《計算機硬件技術基礎》課程中應用初探

凌青華1，韓飛2，王長寶1

(1.江蘇科技大學計算機科學與工程學院，江蘇鎮江212003；2.江蘇大學計算機科學與通信工程學院，江蘇鎮江212013)

“計算機硬件技術基礎”是工科非計算機專業開設的計算機硬件類的專業基礎課，知識點多，難理解，課時有限，需要有效的教學方法和教學模式，解決目前教學實踐中存在的學生興趣不高、教學效果不太理想等主要問題。本文試圖從翻轉課堂出發，探討一種適用于本課程的教學模式，實現“以學生為中心”，培養學生學習的主動性，在課后完成規定知識的學習，而課堂變成了老師學生之間和學生與學生之間互動的場所，從而有效地提高本課程的教學效果和學生的自主學習能力和創新能力。

翻轉課堂；計算機硬件技術；教學模式

一、引言

高等教育的教學目的是潛移默化地培養學生的創新能力、探索研究能力、自主學習能力，而合理、有效的教學模式則無疑是實現這一目標的重要環節。在教學內容上，我國與發達國家的差距并不明顯，差距主要體現在教學模式上。因此，探索適用于我國高等教育現狀的課程教學模式，如何提高學生的自主學習、科研創新的能力，值得高校教師深入研究。

《計算機硬件技術基礎》課程是普通高等學校理工科專業的一門重要的計算機技術基礎課程，也是理工科非計算機專業學生學習和掌握計算機硬件基礎知識、匯編語言程序設計及常用接口技術的主要課程[1]。本課程的任務是使學生從理論和實踐上掌握數字電子技術與邏輯設計的基本理論，現代微機的基本組成、工作原理及典型接口技術，建立微機系統的整體概念，對基本的微機硬件接口電路進行分析與設計，使學生具有運用現代微機技術進行軟、硬件開發的初步能力。

二、計算機硬件技術課程的挑戰

在《計算機硬件技術基礎》課程的教學實踐中，主要挑戰表現在以下幾個方面[2-4]：

1. 課程內容知識點雜碎、難理解，課時少

課程涉及的知識和內容較多，包括數字邏輯的基礎知識，微處理器的基本原理，匯編語言程序設計，總線的原理，存儲器基本原理，常用接口的基本原理與應用等。學生既要掌握原理，又要學會一定的應用能力。從學生學習過程的情況反應來看，普遍感覺入門較慢，課程內容雜碎、抽象。同時，本課程介紹的是由人發明的一個裝置，裝置最初也是由人設計的，而且這個原理也是沒有證明的，難以理解。學生若問為什么，老師的回答可能就是：“沒有什么為什么，就是這樣設計的！”并且，隨著計算機技術的飛速發展，課程涵蓋的知識點和技術要點越來越多，而教學計劃的課程學時卻不增反減。所以不更新教學理念和教學模式，根本無法完成教學內容和教學任務。

2.難以保證內容先進性與教學適用性的統一

“計算機硬件技術基礎”課程已在國內理工科高校開設多年，但至今存在一個尖銳的問題未能得到很好的解決，即計算機技術發展日新月異，新的機種和硬件軟件層出不窮，教師如何擺脫課堂教學被動地跟著“新技術”跑的局面，如何面對學生“我在用酷睿，你為什么還給我講8086/8088”的疑慮? 計算機硬件這門基礎課程究竟應如何適應計算機技術的飛速發展? 如何做到內容先進性與教學適用性的統一？

3.驗證性實驗達不到學生應用設計能力培養的目標

在硬件接口芯片的實驗上，實驗室一般都是采用廠家生產并且封裝好的微機原理教學實驗裝置，學生在PC機上對芯片進行編程，按照實驗步驟在實驗裝置上連線，完成實驗。演示性實驗、驗證性實驗鍛煉不了學生的動手能力，印象也不深；設計性實驗對于二類院校大部分學生又不易完成。

“計算機硬件技術基礎”是一門實驗性、實踐性、操作性都非常強的學科，需要一種“以學生為中心”的教學方法和教學模式，而傳統的“以教師為中心”的教學模式顯然難以滿足要求。本文試圖從翻轉課堂出發，探討一種適合非計算機專業“計算機硬件技術基礎”課程的教學模式，實現“以學生為中心”，培養學生的綜合能力，解決教學中的主要問題。

三、翻轉課堂教學模式

傳統的教學模式是老師在課堂上講課，布置家庭作業，讓學生回家練習。與傳統的課堂教學模式不同，在翻轉課堂式教學模式下，學生在課外完成知識的學習，而課堂變成了老師學生之間和學生與學生之間互動的場所，包括答疑解惑、知識的運用等，從而達到更好的教育效果[5]。

翻轉課堂，顧名思義就是將這一過程翻轉過來，由學生在課外借助網絡進行視頻學習，而將課堂轉變為討論、練習和答疑解惑的場所。翻轉課堂的主要特征有以下幾方面：

1.教師由知識的傳授者變成學習的促進者和指導者。學生自主完成知識的學習，在需要的時候由教師提供幫助和指導，即課堂學習的中心由教師轉換為學生。同時，學生由被動接受轉換為主動學習。利用教學視頻，學生能根據自身情況安排和控制自己的學習。由于視頻可以反復多次觀看，學生在學習中可以不必因擔心遺漏或跟不上節奏而精神緊張，完全由自己掌握學習節奏，對不懂的問題可以通過課堂討論、網上答疑甚至聊天軟件等多種方式尋求解決。

利用網絡的各種資源輔助教學，時間靈活，內容針對性強，有效克服了全部集中課堂學習方式學習效果差，學生理解困難，入門困難的問題。

2.課堂的主角由單一的教師轉換為師生。在傳統課堂上，基本是由教師一個人“唱獨角戲”，與學生的互動只是一個輔助環節，但在翻轉課堂上，更多的時間和機會將留給學生，由學生主持討論、交流、提問等，而教師則主要扮演推進的作用。

學生角色的轉變，使得學生對枯燥的知識更加感興趣，主動探索因課程學時的限制，課堂集中教學無法涉及的諸多計算機硬件領域的“新技術”。

互聯網的普及和計算機技術在教育領域的應用，使翻轉課堂教學模式變得可行和現實。學生可以通過互聯網去使用優質的教育資源，不再單純地依賴授課老師去獲取知識。而課堂和老師的角色則發生了變化。老師更多的責任是去理解學生的問題和引導學生去運用知識[2]。

四、翻轉課堂模式下的課程教學安排

計算機硬件技術的很多內容，純粹靠學生自主學習很難掌握，所以需要采用傳統教學和翻轉課堂結合的混合教學模式，對教學內容精心設計才可以充分發揮翻轉課堂優勢的同時，完成課程的教學目標。

江蘇科技大學計算機硬件技術課程，是面向物聯網工程等專業開設的，計劃學時72學時，其中課堂講授56學時，實驗16學時。課程選擇的是清華大學出版社，李繼燦編著的《計算機硬件技術基礎》(第三版)。為了能在傳統課堂教學的基礎上，增加課下在線學習，課堂自主討論，網絡互動交流等環節，同時又不改變總體教學計劃，需要對教學內容按主題規劃，并重新組織和設計，如確定哪些內容作為課堂講授，哪些用于課下學習、課堂練習的內容和討論主題等，具體安排如下表所示。

視頻學習內容的選擇原則是各章節的重點知識，以及老師在課堂上系統講授一遍學生仍然較難理解的難點知識，包括計算機運算基礎中有符號數的原碼、反碼、補碼的表示；數字邏輯中邏輯函數的表示方法以及組合邏輯電路的分析與設計；8086操作數的尋址方式以及常見指令的應用；匯編語言程序設計等。考慮到視頻線下學習的可行性，視頻時間過長學生容易半途而廢，借鑒微課視頻學習的經驗，一般視頻錄制都是一個固定的主題并控制在0.5學時，即20-25分鐘左右，少部分內容包括組合邏輯電路的分析與設計，不同程序結構的匯編語言程序設計等，因為內容較多，邏輯性也較強，學生的興趣度較高，視頻時間為1學時，即45分鐘左右。本課程的學習視頻根據章節內容，總共安排10次。

根據課程內容以及多屆學生的反饋，將課程內容按章節劃分，重點章節安排課堂討論，討論主題由任課老師提前發布，學生自己主持。主題選擇的原則為：①計算機硬件領域最新發展技術，包括最新的微處理器，存儲介質的發展等；②課程教學中的重點和難點，包括內存物理地址、邏輯地址、段地址、偏移地址的概念等；③對學生未來的專業學習和研究有較大意義的概念，包括接口芯片的綜合設計等。本課程中，總共安排主題討論4次，班級分成4組，課堂安排3.5學時。

由于計算機硬件技術課程內容的特殊性，內容多而散碎，超過50%翻轉比例，其教學效果將會很差。下表中，集中授課時間我們設置為40學時，視頻學習時間8.5學時，主題討論時間為3.5學時，習題討論課時間為4學時，翻轉課堂的時間比率約為26.8%。

表　翻轉課堂模式下課程教學安排

集中授課時間我們要求學生課外1∶1復習，即40學時的課堂時間，學生課外需要安排40學時的復習和作業時間。視頻學習時間我們要求學生1∶2進行消化鞏固，即每個視頻原則上學生課堂上學習一遍，課外分別消化學習一遍，鞏固學習一遍，8.5學時的視頻時間，學生課外需要安排17學時的時間。主題討論需要學生課外花較多時間查閱文獻，并需要總結、組織和展示，要求小組內每個同學課內課外時間比按照1∶3安排時間，即課內3.5學時的主題討論，課外需要10.5學時的準備工作。4學時的課堂習題討論課僅在重點章節進行了安排，8學時的在線論壇是課外和學生互動答疑的平臺。另外考慮學習的客觀規律，要求學生每次課前準備10分鐘左右預習時間，56學時，每兩學時一次課，28次課大約需要6.5學時的時間。所以56學時的課堂時間，學生課外需要安排的總時間大約為82學時，課內課外時間比例約為1∶1.5。這樣的課內課外時間比既符合了學習的客觀規律，在占用學生的課外時間方面，也在學生的接受范圍內。

視頻內容的消化鞏固提高了學生復習的有效性，在線論壇的討論提高了學生完成作業的積極性，盡可能降低學生因為作業不會做而放棄或抄襲作業的概率，小組選定主題集體準備的過程中，既增強了學生對相關知識的理解，同時提供學生彼此團結合作的平臺，也提供給部分學生展示的機會。上表的時間安排，我們力爭將學習的效果盡可能做到了最優化。

五、翻轉課堂模式下的課程教學實施

課程內容知識點雜碎、難理解，對于包括CPU內部結構，指令的執行流程，對存儲在內存中的指令和數據的讀寫等比較抽象的知識點，錄制微視頻來加深學生的理解。同時視頻可以反復播放，課后學生復習時，理解消化書本知識的基礎上，重復觀看視頻，有效解決了學生感覺入門困難，內容抽象的問題。另一方面，因為視頻都是經過精心制作和后期處理的，解釋到位的同時，言簡意賅，避免老師課堂上重復某些內容，有效提高了課堂效率。

對于學生“現在都8核64位了，學1978年的單核16位intel8086有什么用？”的抱怨，雖然可以解釋為現在計算機都能完成萬億位的計算了，我們學數學還是得從1+1學起；而且學8086不是為了開發大型CPU，而是為了使用微型CPU來設計微型智能系統；同時8核64bit的編程語言，編程方法，編程思路，其數字電子物理結構等都是相通的，一口吃不成胖子，要想學更先進、更深奧的，就得從最基本的學起。但是如何做到內容先進性與教學適用性的統一始終是本課程的挑戰。而在翻轉課堂模式下，通過設置主題，諸如“微機硬件技術的發展特點”，“微處理器的發展與新技術”等，通過學生課前自行查閱最新的計算機硬件技術的前沿技術和最新發展概況，準備演示PPT；通過學生自薦方式確定主持人，由主持人主持整個討論，教師作為參與者，對部分核心問題與學生一起進行探討并做最后的總結。充分發揮學生的主導地位，從而使學生對相關內容有了較為深入的理解。

對于實驗，計算機硬件技術課程的實驗主要分為兩大部分：簡單匯編語言程序設計以及接口實驗。簡單的程序設計實驗中，通過采用可視化軟件DEBUG，使用單步運行等調試手段，使學生更易理解標志位、內存地址、內存數據、寄存器數據等方面的內容。對于可視化軟件DEBUG的功能和使用，講解指令系統時通過視頻演示給學生，學生通過上機對指令的驗證，可以加深對指令格式和指令功能的學習與理解[6]。

而硬件接口芯片的實驗，江蘇科技大學實驗室采用的是廠家生產并且封裝好的教學實驗裝置，學生在PC機上對芯片進行編程，按照實驗步驟在實驗裝置上連線，完成實驗。實驗側重于演示和驗證，而演示性的實驗和驗證性的實驗往往并不能鍛煉學生的動手能力，也不能深刻理解實驗原理；而若是安排為設計性實驗，對于二類院校大部分學生不易完成。實踐中，一般采用視頻教學完成一個演示性實驗或者讓學生先做一個驗證性實驗，然后修改實驗要求做一個內容與前面演示性實驗或驗證性實驗相似的設計性實驗。例如， 8255可編程并行接口實驗：學生先做基本輸入輸出的驗證性實驗，使8255的A口為輸出，B口為輸入，利用教學實驗裝置自帶的開關控制發光二極管，完成撥動開關到數據燈的數據傳輸。學生驗證完成后，則提高要求：要求學生實現數據流水燈的實驗，即使得8255的A口和B口均為輸出，數據燈D7-D0由左向右，每次僅亮一個燈，循環顯示；而數據燈D15-D8則由右向左循環顯示。這樣，學生可以參考已做的驗證性實驗，修改接線和程序來完成后面的設計性實驗，通過學生思考問題、動手解決問題，從而既鍛煉了學生匯編程序的設計能力，又提高了接口的綜合應用能力。

六、結論

應試教育使得我們的學生習慣于“接受”知識，對課堂上教師的講授并不通過自己的思考而盲目接受，以至于最后對知識的理解非常膚淺。同時計算機硬件技術的課程由于概念多，涉及知識面廣，教學內容形式松散，傳統教學模式使學生很難理解透徹，學生普遍存在理論與實踐脫節現象，不少學生修完課程，拿到高分，但對于計算機硬件技術的理論知識認識并不深刻，在實際應用中不能學以致用。

翻轉課堂教學模式的引入，一是增加了學生對核心知識點的關注度和理解；二是讓學生作為主動參與者，提高了學生對課程的學習興趣，更重要的是使得學生通過一定的課下學習和研究環節，增強了對問題的自主探索能力、獨立設計能力和研究能力。最后，學生作為討論的主持者，也部分鍛煉了組織、協調能力和團隊合作精神。

當然在主題設置、視頻錄制方面必須關注學生的興趣度，同時線下學習和主題準備應考慮不能占用學生過多的業余時間。連續兩年的實際教學實踐證明，在計算機硬件技術課程學習中適當引入翻轉課堂教學模式不僅可行，而且教學效果有明顯改進，學生的學習興趣明顯提高，期末考核的優良率由15%穩步提升到40%。課程結束后在大三參加全國計算機等級考試(三級偏硬)的人數由5%明顯增加至20%左右，而且一次性通過率達到60%左右。

(責任編輯：梁京章)

[1]樊友洪，鄧韌，張敏. 非計算機專業“計算機硬件技術基礎”課程教學實踐探索[J]. 高教論壇，2009(2):75-77.

[2]吳寧. 微機原理與接口技術課程混合教學模式探索[J]. 計算機教育，2014(19):17-20.

[3]何樂生，余鵬飛. 以“微機原理”為核心的嵌入式課程體系建設[J]. 高教論壇，2015(12)：61-64.

[4]張雪征. 微機原理與接口技術課程教學方法探討[J]. 高等教育研究，2011(3):37-38.

[5]蔣翀，費洪曉. 面向MOOC的新型教學模式探索[J]. 計算機教育，2014(9): 17-20.

[6]金微. 微機原理與接口技術實驗教學方法探討[J]. 無線互聯科技，2012(9):165-166.

The Preliminary Study on Flipped Classroom Applied in Computer Hardware Technology Fundamentals Course

LING Qing-hua1，HAN Fei2，WANG Chang-bao1

(1. School of Computer Science and Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang，212003;2. School of Computer Science and Communication Engineering,Jiangsu University，Zhenjiang，212013)

"Computer hardware technology fundamentals" is a specialized basic course which is set up in non computer major in engineering. Because this course has lots of knowledge points and limited class time，and is difficult to understand，students are not interesting in it and learning effect is not ideal. So efficient teaching methods and modes are needed in computer hardware technology fundamentals course. We tried to discuss a new teaching mode from flipped classroom which takes the students as the learning center and cultivates the students' learning initiative. And we tried to turn the flipped classroom to an interactive place of the teacher and students which improved significantly the teaching effect as well as the students' autonomous learning ability and innovative ability.

flipped classroom；computer hardware technology fundamentals；teaching mode

G642

A

1671-9719(2016)8-0062-04

凌青華(1979-)，女，江蘇鎮江人，講師，研究方向為智能信息處理。

2016-04-26

2016-05-27