林克正，劉彥君，金恩海，唐遠(yuǎn)新，陳德運(yùn)（哈爾濱理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080）

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基于翻轉(zhuǎn)課堂理念的計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)研究

林克正，劉彥君，金恩海，唐遠(yuǎn)新，陳德運(yùn)
（哈爾濱理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080）

摘 要：分析計(jì)算機(jī)組成原理課程現(xiàn)階段教學(xué)情況，提出基于翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)理念對(duì)該課程進(jìn)行改進(jìn)的思路和方法。

關(guān)鍵詞：翻轉(zhuǎn)課堂；計(jì)算機(jī)組成原理；教學(xué)改革；自主學(xué)習(xí)

0　引　言

計(jì)算機(jī)專業(yè)的教學(xué)體系包括很多重要的基礎(chǔ)課程，如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)等。在眾多的課程中，計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)內(nèi)容抽象，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容復(fù)雜，極易引起學(xué)習(xí)者厭學(xué)，因此，變革傳統(tǒng)課程教學(xué)模式和教學(xué)結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為眾多教育者關(guān)注的熱點(diǎn)，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的出現(xiàn)為變革傳統(tǒng)教學(xué)注入了新的生命力。

1　翻轉(zhuǎn)課堂的理論基礎(chǔ)

1.1翻轉(zhuǎn)課堂的內(nèi)涵與本質(zhì)

翻轉(zhuǎn)課堂有很多常見(jiàn)的術(shù)語(yǔ)，如“顛倒課堂”或 “反轉(zhuǎn)課堂”，它最初是從英語(yǔ)“Flipped Class Model”或“Inverted Classroom”翻譯過(guò)來(lái)的[1]。傳統(tǒng)上課模式是教師課上教授知識(shí)，學(xué)生負(fù)責(zé)聽(tīng)，剩下的就是課下完成作業(yè)；而翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式卻有著顛覆性的轉(zhuǎn)變。在翻轉(zhuǎn)課堂中，教師會(huì)根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況、學(xué)習(xí)狀態(tài)，將各種課程資源提前準(zhǔn)備好，而學(xué)生需要做的就是自主地完成對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)，課上再通過(guò)小組協(xié)作和教師互動(dòng)（答疑解惑、探究、游戲等）對(duì)知識(shí)進(jìn)行深化，以達(dá)到理解的目的。

1.2翻轉(zhuǎn)課堂的特征及意義

1.2.1翻轉(zhuǎn)課堂的特征

（1）顛倒了傳統(tǒng)的教學(xué)流程，為課堂教學(xué)營(yíng)造輕松自由的學(xué)習(xí)氛圍。學(xué)生在課前進(jìn)行自主學(xué)習(xí)掌握知識(shí)，課堂上通過(guò)解決問(wèn)題、小組協(xié)作及師生共探等活動(dòng)進(jìn)行知識(shí)深化。這樣使學(xué)生能夠在一個(gè)輕松自由的環(huán)境下學(xué)習(xí)，也提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增加了師生互動(dòng)，使教師能及時(shí)給學(xué)生反饋與指導(dǎo)，教學(xué)效果更加顯著。

（2）方便的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和豐富的教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)了資源共享和互動(dòng)交流。在翻轉(zhuǎn)課堂中，教師課前把教學(xué)視頻、微視頻、測(cè)試題等各種學(xué)習(xí)資源共享到學(xué)習(xí)平臺(tái)上，學(xué)生可以隨時(shí)隨地進(jìn)行在線學(xué)習(xí)；而且在觀看學(xué)習(xí)視頻的過(guò)程中，遇到不明白的問(wèn)題可以隨時(shí)向老師進(jìn)行反饋，老師則會(huì)在線予以答復(fù)，這樣能防止學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中停滯，從而達(dá)到一個(gè)融會(huì)貫通的目的。

1.2.2翻轉(zhuǎn)課堂的意義

（1）翻轉(zhuǎn)課堂能夠使學(xué)生真正做到個(gè)性化的學(xué)習(xí)。學(xué)生通過(guò)自身情況觀看微視頻，既可以快進(jìn)也可以倒帶，不懂處也能暫停求教，自由安排自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度；通過(guò)聊天軟件或翻轉(zhuǎn)平臺(tái)等求助老師和同學(xué)，真正達(dá)到個(gè)性化學(xué)習(xí)的目的。

（2）翻轉(zhuǎn)課堂增加了師生的交流，促進(jìn)師生情誼。翻轉(zhuǎn)課堂最顯著的模塊就是有一個(gè)在線討論，通過(guò)課前的深度學(xué)習(xí)，在課堂上學(xué)生積極參與討論，教師觀察小組協(xié)作中學(xué)生的表現(xiàn)，引導(dǎo)他們相互學(xué)習(xí)，這樣會(huì)促進(jìn)師生的交流互動(dòng)；而教師也會(huì)針對(duì)每個(gè)學(xué)生不同的情況進(jìn)行逐一指導(dǎo)，輕松愉快地共同對(duì)知識(shí)進(jìn)行探索，促進(jìn)師生之情。

（3）翻轉(zhuǎn)課堂可以自由分配學(xué)習(xí)時(shí)間。學(xué)習(xí)期間，學(xué)校的各種事情眾多繁雜，而有的時(shí)候?qū)W生會(huì)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(tái)，從而保留下來(lái)，學(xué)生可以課后學(xué)習(xí)，這樣學(xué)生再也不用擔(dān)心活動(dòng)與課程沖突了。

（4）翻轉(zhuǎn)課堂改變了課堂氛圍。在傳統(tǒng)的教學(xué)過(guò)程中，老師需要管理課堂紀(jì)律，這就會(huì)影響正常的課堂進(jìn)度。實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂以后，那些走神的學(xué)生從此失去了伙伴，同學(xué)們都在忙于學(xué)習(xí)，在小組協(xié)作中積極主動(dòng)地出主意，辯解爭(zhēng)論，這樣，不喜歡學(xué)習(xí)的學(xué)生也都被吸引過(guò)來(lái)一起探究。

2　翻轉(zhuǎn)課堂在計(jì)算機(jī)組成原理中的教學(xué)研究

2.1教學(xué)手段和方法設(shè)計(jì)

翻轉(zhuǎn)課堂是以學(xué)生為主體的自主學(xué)習(xí)，怎樣在視頻教學(xué)中引起學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣[2]，引發(fā)學(xué)生思考，是學(xué)好這門(mén)課的重點(diǎn)，因此，針對(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)模式，翻轉(zhuǎn)課堂在教學(xué)方法上做了一些必要的改進(jìn)。

（1）教學(xué)思路設(shè)計(jì)——懸念導(dǎo)入法。有效的導(dǎo)入是教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)，成功的導(dǎo)入能夠承上啟下，引起學(xué)生的注意和興趣，把學(xué)生帶入設(shè)計(jì)好的情境之中，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，為完成教學(xué)任務(wù)創(chuàng)造條件[3]。如在計(jì)算機(jī)組成原理的教學(xué)中，每一章可以看作為一個(gè)大的計(jì)算機(jī)框架，而每一章中的每一節(jié)則可以看作為框架中的重要部件，這樣可以使學(xué)生在計(jì)算機(jī)大框架的基礎(chǔ)上，一步一步地深入；在深入的過(guò)程中，學(xué)生會(huì)產(chǎn)生很多的疑問(wèn)，從而激發(fā)求知欲望，一步一步地了解到計(jì)算機(jī)的工作原理。

（2）模擬教學(xué)法——學(xué)生講課。學(xué)生講課在翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式中是一個(gè)創(chuàng)新，由于每一門(mén)課的內(nèi)容難易程度不一樣，所以把那些相對(duì)容易自學(xué)的部分交付給學(xué)生，這樣既可以讓他們主動(dòng)地去思考問(wèn)題，了解整個(gè)章節(jié)的概況，對(duì)所學(xué)的部分有一個(gè)很好的預(yù)習(xí)，又能鍛煉學(xué)生的能力，既對(duì)自己所講的內(nèi)容有更深刻的理解，又能提高自身的整體素質(zhì)。

2.2實(shí)驗(yàn)課設(shè)計(jì)——使學(xué)生愛(ài)上實(shí)驗(yàn)課

翻轉(zhuǎn)課堂與傳統(tǒng)的教學(xué)模式相比，從根本上進(jìn)行了改進(jìn)。計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)中，為了讓學(xué)生更直觀、深入地了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，更有興趣地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，教師在網(wǎng)上將實(shí)驗(yàn)的部分做成游戲的模式，比如將硬件系統(tǒng)如控制器、寄存器、存儲(chǔ)器等部件細(xì)化到芯片級(jí)別，直觀地呈現(xiàn)在游戲畫(huà)面中，讓學(xué)生可以從硬件底層對(duì)芯片操作，看到計(jì)算機(jī)內(nèi)部的運(yùn)行方式；然后，每一個(gè)芯片一步一步地?cái)U(kuò)大組建，看到從芯片到單元，再到整個(gè)系統(tǒng)的過(guò)程，這樣，大大降低了學(xué)生學(xué)習(xí)硬件實(shí)驗(yàn)的難度[4]，也提高了學(xué)生對(duì)于課程實(shí)驗(yàn)部分的興趣。

比如實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)算器組成實(shí)驗(yàn)，當(dāng)學(xué)生進(jìn)入到翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中時(shí)，首先會(huì)看到一個(gè)沒(méi)有連接好的實(shí)驗(yàn)電路圖，學(xué)生只有成功地連接了這個(gè)電路圖才能進(jìn)行到下一關(guān)，這樣會(huì)激發(fā)他們的挑戰(zhàn)心理。在連接線路的過(guò)程中，如果連接錯(cuò)誤或操作不當(dāng)，就會(huì)發(fā)出紅色警告，挑戰(zhàn)失敗，就要從頭開(kāi)始，這樣就間接地培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。接下來(lái)，用開(kāi)關(guān)SW7-SW0向通用寄存器堆RF內(nèi)的R0-R3寄存器置數(shù)，將R0-R3的內(nèi)容讀取出來(lái)，并在數(shù)據(jù)總線DBUS上顯示出來(lái)。這里可以設(shè)計(jì)成進(jìn)入這一關(guān)卡時(shí)，每個(gè)學(xué)生變成一個(gè)弓箭手，通過(guò)自己手中的箭向R0-R3寄存器置數(shù)，其中讀取R0-R3的內(nèi)容即為消滅的敵人數(shù)量，這樣間接地使學(xué)生在游戲中學(xué)到了知識(shí)。接下來(lái)驗(yàn)證ALU的邏輯運(yùn)算與算術(shù)運(yùn)算的功能，進(jìn)入到這一關(guān)卡時(shí)，會(huì)有兩條岔路，左側(cè)是M=0的情況下，右側(cè)是M=1的情況下，分別進(jìn)入兩個(gè)岔路，消滅敵人；若在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)進(jìn)位的情況，指示燈會(huì)亮起，則會(huì)出現(xiàn)一個(gè)更高級(jí)別的怪獸，打敗這個(gè)怪獸，得到運(yùn)算的結(jié)果，完成實(shí)驗(yàn)。

雖然運(yùn)算器組成實(shí)驗(yàn)是一個(gè)非?；A(chǔ)的實(shí)驗(yàn)，但是通過(guò)翻轉(zhuǎn)課堂這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)形式，不僅能夠培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，而且能夠使他們?cè)谟螒虻臉?lè)趣中學(xué)到知識(shí)，大大降低了學(xué)習(xí)硬件實(shí)驗(yàn)的難度，從而提高了對(duì)硬件實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興趣[5]。

2.3視頻課程教學(xué)設(shè)計(jì)

在計(jì)算機(jī)組成原理的視頻教學(xué)中，教師將課程內(nèi)容分塊，逐步深入地進(jìn)行講解，每講解完一個(gè)部分，教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行提問(wèn)。比如課程講解的是指令和數(shù)據(jù)的尋址方式，講解完這部分內(nèi)容后，就要求學(xué)生給出一個(gè)指令格式結(jié)構(gòu)，分析其尋址方式等。這時(shí)學(xué)生應(yīng)就問(wèn)題在線上平臺(tái)進(jìn)行回答，只有回答正確才能繼續(xù)進(jìn)行下面的視頻教學(xué)，而且對(duì)所回答問(wèn)題的速度會(huì)進(jìn)行排名，所排的名次在后面的在線測(cè)試成績(jī)中占有一定的比重。當(dāng)整個(gè)教學(xué)視頻結(jié)束后，教師對(duì)所學(xué)內(nèi)容做總結(jié)，并對(duì)學(xué)生進(jìn)行在線測(cè)試，對(duì)測(cè)試成績(jī)比較好的進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)。這樣的教學(xué)形式將視頻教學(xué)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容關(guān)聯(lián)起來(lái)，并且通過(guò)提問(wèn)的方式，鞭策學(xué)生認(rèn)真地學(xué)習(xí)視頻教學(xué)，通過(guò)排名獎(jiǎng)勵(lì)以及獲取通關(guān)所需要的道具來(lái)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

綜上所述，教學(xué)流程圖如圖1所示。

圖1　計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)流程圖

3　基于翻轉(zhuǎn)課堂模式的計(jì)算機(jī)組成原理課堂效果研究

對(duì)比傳統(tǒng)教學(xué)模式的情況，基于翻轉(zhuǎn)課堂模式下的計(jì)算機(jī)組成原理有很好的教學(xué)效果。

（1)教師提問(wèn)與學(xué)生發(fā)言的分析。在翻轉(zhuǎn)課堂中，學(xué)生通過(guò)教師的提問(wèn)能主動(dòng)思考問(wèn)題，捕捉問(wèn)題重點(diǎn)，而且一些開(kāi)放性的問(wèn)題能很好地鍛煉學(xué)生的思維能力；而在傳統(tǒng)課堂中，學(xué)生主動(dòng)發(fā)言的機(jī)會(huì)很少，主要原因是教師需要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成知識(shí)的講授。

（2)教師語(yǔ)言作用的分析。在傳統(tǒng)的教學(xué)中，教師往往會(huì)對(duì)所教授的內(nèi)容間接地插入自己的想法，而且希望學(xué)生能夠遵從自己的想法，這樣做有礙于學(xué)生思維的健康發(fā)展，反而束縛了本該發(fā)散創(chuàng)新的思維；而在翻轉(zhuǎn)課堂中，教師以平和的心態(tài)接納學(xué)生的感受，對(duì)學(xué)生的行為、回答進(jìn)行鼓勵(lì)和肯定，并充實(shí)學(xué)生的意見(jiàn)或想法，更傾向于通過(guò)情感交流、溝通的方式來(lái)教育學(xué)生。

（3)實(shí)驗(yàn)課效果分析。在翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)的可操作性很強(qiáng)，比傳統(tǒng)的教學(xué)方式更有創(chuàng)新，更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的欲望和學(xué)習(xí)興趣。對(duì)于這種新模式下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，更能夠幫助學(xué)生深入地理解理論知識(shí)，提高分析能力和操作能力，使學(xué)生不再懼怕硬件實(shí)驗(yàn)課，從而愛(ài)上實(shí)驗(yàn)課。

（4)教學(xué)效果比較分析。在翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)中，教師注重與學(xué)生的對(duì)話溝通，利于以啟發(fā)式教學(xué)的方法來(lái)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。讓學(xué)生進(jìn)行積極地探討，并通過(guò)提問(wèn)的方式來(lái)引起學(xué)生對(duì)某一問(wèn)題的思考，這種教學(xué)模式有很好的課堂氣氛，教師能肯定、接納學(xué)生的意見(jiàn)，而且能夠充實(shí)和發(fā)展他們的意見(jiàn)，使全體學(xué)生接受到更加完整和清楚的信息。

4　結(jié)　語(yǔ)

計(jì)算機(jī)組成原理的課堂教學(xué)改革是未來(lái)教育的發(fā)展趨勢(shì)，這樣的教學(xué)模式也會(huì)越來(lái)越成熟。面對(duì)教育信息化的迅速發(fā)展，翻轉(zhuǎn)課堂正順應(yīng)著教學(xué)模式改革的潮流，或許會(huì)對(duì)信息化時(shí)代教育學(xué)產(chǎn)生深刻的影響。

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（編輯：郭田珍）

第一作者簡(jiǎn)介：林克正，男，教授，研究方向?yàn)閳D像處理與機(jī)器視覺(jué)，link@hrbust.edu.cn。

基金項(xiàng)目：黑龍江省教育廳教改項(xiàng)目“基于翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)研究與實(shí)踐”（JG2014010798）。

中圖分類(lèi)號(hào)：G642

文章編號(hào)：1672-5913(2016)04-0117-04