計算機組成原理翻轉課堂的混合教育模式研究與實踐

蔡靜

摘?要：針對傳統教學模式下計算機組成原理課程存在的教學模式過于單一、教學視野過于狹窄、學生學習興趣缺失等問題，研究翻轉課堂的線上線下混合教學模式；依托多元化學習平臺，探索并實踐“線上+線下”有機結合、“課內+課外”深度互補、“理論+實踐”緊密聯系的解決之道；教學實踐表明，該模式有助于告別傳統滿堂灌、強化課程內容有機銜接、建立整體知識框架、激發學生學習主動性。

關鍵詞：翻轉課堂；混合教學模式；計算機組成原理

中圖分類號：TB?????文獻標識碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.23.087

0?引言

計算機組成原理的課程重要性毋庸置疑，因為它既是計算機科學與技術專業的專業基礎必修課，對后續課程的學習影響深遠，又是計算機專業研究生入學考試的課程之一，對后續研究工作的順利開展奠定基礎。然而，計算機組成原理課程教學中存在若干制約因素：

（1）教學模式過于單一。傳統線下課堂教學組織往往具有滿堂灌輸、單向傳授、教師主動等特征，使得學習流程無法實現閉環迭代、學習效果無法及時反饋，最終導致教學效果欠理想。

（2）教學視野過于狹窄。教師對于課程的延展性理解不夠，對后續課程缺乏深刻理解或者僅限于完成本門課程的教學任務，未能將本課程與其它課程之間的內容有機銜接，使得學生難以真正意義上理解計算機組成原理的諸多抽象概念，無法逐步形成系統大局觀。

（3）學生學習興趣缺失。課堂上大學生多是機不離手的“低頭族”，與新奇刺激的短視頻相比，課程內容過于枯燥抽象，使得學生們的課堂學習內容不連貫，再加上課后缺乏對所學知識的及時回顧或深度思考，只滿足于期末考核應付過關，最終無法構建完備的課程知識體系，課程教學目標自然無法達成。

隨著新一代信息技術的快速迭代和迅猛發展，數字化、信息化、智能化手段的全過程介入使得課堂教學實現顛覆性創新。無論是教學環境、教學資源，還是學習模式、課程評價，均已發生深刻的變革。教師傳播知識的途徑也從單一的課堂填鴨式教育，到線上線下傳播模式混合；信息過載使得教師的教學視野越來越寬闊，不再拘泥于本課程的一畝三分地。基于這種環境，借助于信息技術的閉環賦能進行課堂翻轉，為提高學生學習興趣、達成課程教學目標等提供了可能。基于上述認知，本研究立足于計算機組成原理的一線教學實踐，以線上線下混合教學模式取代“填鴨式”單向傳輸式教學模式；從整體知識的建構角度出發，注重本課程與其它課程內容之間的有機銜接；以提升學生內驅力為目標，激發并培植學生的學習興趣。通過本課程的教學研究和實踐，不僅有利于促進學生對計算機組成原理的基本原理的理解和掌握，提升課程整體教學效果，還有利于以強化理性思維、提升綜合能力為抓手培養學生跨學科學習意識和建立整體知識框架，更有利于教學相長提升師資力量，加快民辦高校一流課程的建設步伐。

1?混合教學模式設計

教學模式是在教與學理論指導下，利用學習環境、學習資源和學習工具，確定教與學活動中各個要素之間的穩定關系，設計教與學活動開展的進程，最終形成穩定的教學活動程序或者構型。基于混合教學模式的基本思想，本研究教學基礎環境為SPOC+騰訊會議+QQ群+課堂+實驗室，采用“線上+線下”有機結合、“課內+課外”深度互補、“理論+實踐”緊密聯系的教學模式：“線上”以SPOC為依托助力學生完成自主學習，積極拓展與其他課程的內在聯系，側重于“理論”知識的“寬基礎”，重點考核學生自主學習能力；“線下”以課堂為場景實現師生協同探究和良性互動，側重于“實踐”技能的“活運用”，重點關注學生動手實操能力。課前，通過發布自制教學視頻或者利用網絡視頻、學習資料等線上資源，教師引導學生課前預習、自主學習，在此基礎上進行問題凝練，并針對性地完成課堂教學設計；課中，通過面對面交流進行問題解答、理論探究與實踐指導，幫助學生實現知識內化、構建整體知識體系；課后，緊盯復習測驗結果、跟蹤學生學習動態、收集整理學生學習反饋結果，結合不同教學內容和不同授課對象完成課程反思，具體的混合教學模式的總體框圖如圖1所示。

2?計算機組成原理課程教學實踐

筆者在實際的教學過程中，在計算機組成原理課程內部展開混合式教學的實踐研究，并與其他課程微機接口技術、操作系統等課程深度互補，SPOC、騰訊會議和QQ作為翻轉課堂教學的線上載體，理論課與實踐課緊密聯系。混合式教學理念的靈活實踐，使得計算機組成原理中知識點從枯燥、晦澀、抽象變得形象、直觀、具體，易于學生接受；翻轉課堂的落地實施，使得課堂中師生之間、學生之間的協同探究富有針對性，溝通交流更加直接高效，有利于以強化理性思維、提升綜合能力為抓手培養學生跨學科學習意識和建立整體知識框架。

2.1?“線上+線下”有機結合

計算機組成原理作為一門計算機硬件基礎課程，介紹了計算機單處理機系統的基本結構、組成和工作原理，側重闡述處理器、存儲器、地址空間、指令系統、程序控制、指令周期、寄存器、I/O?系統、外圍設備等計算機硬件基礎知識，在先導課程和后續課程之間起著承上啟下的作用。在設計教學任務時，切忌用割裂的、機械的觀點看待每個模塊，而應把握章節內容獨立性和課程知識整體性之間的平衡。

依托線上平臺構建學習資料時，學習引導單是課前自主學習材料中必不可少的內容，讓學生主動學習、獨自探究課程各知識模塊提供一條可行路徑；設計學習引導單的關鍵在于，根據教學任務、學習進度、學生特點，為不同程度的學生“量身打造”一份合適的學習引導單，對于培養學生的課程大局觀至關重要。例如準備講述計算機組成原理中的中央處理器內容，課前先給學生提供一份8086微處理器的組成及其結構圖和相關視頻預習。

“線下”在課堂上講述計算機組成原理中的中央處理器的組成內容時候，通過師生互動式學習的方式，強化和加深CPU內部各寄存器的概念及其作用等，要求學生在課后畫出該模塊的知識結構圖即CPU的基本組成圖，講解一條指令的存取操作并錄制視頻，使得學生不僅掌握了計算機組成原理的CPU模塊知識，也加強兩門課程之間的聯系。從而真正站在學生角度，以學生發展為中心，構建學生的知識體系，而不僅僅站在老師單獨講授一門課程的角度。從學生的講述中，可以窺探學生的邏輯思路和表述能力，老師思考在下次線上課堂如何因材施教。

2.2?“課內+課外”深度互補

“課內”不僅要加強計算機組成原理課程模塊間的整體結合性，“課外”還要與其他課程比如數字邏輯、微機原理及接口技術、操作系統等課程的關聯性，強調課程以及課程體系全局觀。比如計算機組成原理到操作系統的課程學習是從計算機硬件資源學習到如何進行系統資源管理的學習，不但是躍進式的課程內容跨越，而且是學生一次跳躍式思維的跨越。這種從硬件資源過渡到對硬件資源的軟件管理思維是一次硬件到軟件的大跨越思維活動，而操作系統恰好實現了對計算機資源的抽象，包括計算機硬件資源，因此這兩門課程之間存在一種基于計算思維的內在關系。

通過“線上”SPOC平臺讓學生提前預習和了解操作系統這門課程的具體內容，先有一個感性認識，尤其與計算機組成原理知識重疊性高的部分，比如操作系統的處理器管理功能、外設管理功能、存儲器管理功能，虛擬存儲器管理等內容，繪制課程間的聯系，如圖2所示，激發學生認真學習計算機組成原理課程的興趣，也為后續操作系統課程打下堅實的理論基礎。

2.3?“理論+實踐”緊密聯系

在“線下”的“理論”課堂教學中老師不能完全介紹書本上的純理論，不強調死記硬背，而是給出學生自我發揮的空間。此外，時刻注意強調“理論+實踐”的緊密聯系，鼓勵學生將所學理論用于實踐之中，建立理論與實踐之間的橋梁，讓課本的知識不再空洞，以“學有所用”激發其學習興趣。

比如在講解存儲器這個模塊前，“線上”在SPOC中以通知的形式把理論知識的自學視頻和實驗操作視頻下發給同學們自主學習，設置了一些自學測驗題目了解學生預習的程度，以幫助教師設計“實踐”課堂。“線下”“實踐”課堂中采取任務式、討論式，鼓勵學生主動發言，同學們都可以暢所欲言。比如有同學對存儲器寫入數據和讀取數據這兩個問題的想法有出入，因此我們交給學生去討論，各抒己見。通過討論式教學，學生可互相激勵、探討問題，增加了學生的參與度，使其全身心地投入到學習中去，充分調動了學生的學習熱情，開發了其自身的潛能，提高了教學效率。最后通過“實踐”的實驗示例存儲器與總線結合，如從地址23H開始的存儲器單元寫入10個數。首先設置寫模式，然后設置存儲器地址，通過地址總線傳輸存儲器地址，再向存儲器寫入數據，即數據通過數據總線傳輸后寫入上步存儲器的地址中，再連續寫入10個數字，最后再從23H連續讀出10個數字。通過這個示例講解和總結，使得學生清楚各章節之間的聯系，從而構建課程的整體框架知識。

3?教學效果

2020年2～6月，在新冠肺炎疫情期間通過SPOC“線上學習-直播答疑”融合授課教學初探，同時直播課程通過騰訊會議進行，教學效果較好，深受2018級計科專業的學生們的好評。2022年2月-至今在“超星”平臺試行“線上課前預習-課堂討論”和線下傳統課堂的融合授課模式教學，教師提前發出問題，學生通過線上資源預習，由老師課堂以“引導+重難點點撥”模式為主，以學生為中心，老師為主體的翻轉式混合式教學。經過幾個學期的實踐，通過成績分析、問卷調查、師生座談等方式，對教學效果進行了整體分析，如圖3和圖4所示。課程成績的顯著提高，能最為直觀地體現教學質量的改革，如表1所示。在引導學生在掌握計算機組成原理課程的知識點，引導學生了解其他后續課程學習，促進學生自主思維和創新能力提高。同時，翻轉課堂教學方法對老師也提出了更高的要求，在教學內容設計、教學方法研究等各個方面的能力也得到了提升。

4?結語

以“線上+線下”有機結合、“課內+課外”深度互補、“理論+實踐”緊密聯系的教學模式，破解教學實踐中教學模式過于單一、教學視野過于狹窄、學生學習興趣缺失等現實問題，告別傳統滿堂灌，探索實踐混合教學模式；注重課程之間有機銜接，培養學生大局觀，從根本上提升其學習素養；激發學生學習主動性，網絡平臺和在線交流工具使其學習方式富于多樣化，動態測評方式使其考核極具針對性。學生課前通過學習線上教學視頻，完成知識點預習。線下授課過程仍然以學習者為中心，強化學生學習體驗。以剖析式、引導式強化線上學習內容、注重解決問題的方法和思維的引導，加強學生進一步掌握知識、提高技能。

基于翻轉課堂的混合教學模式也是順應了時代的需求，這些靈活多樣的教學手段能夠大大提高學生的學習興趣，調動學生的積極性，提升教學質量，達到更好的教學效果。從課程改革角度看，本課程改革的教學模式和具體實施方案，其經驗適用于其他課程的改革；從學生就業角度看，課程內容以社會具體需求為牽引，有利于提高學生的就業競爭能力；從人才培養模式看，本項目有利于形成民辦高校特色課程，實現民辦高校創新型人才培養的新途徑。

參考文獻

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