凌青華,韓 飛,王長寶
(1.江蘇科技大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003;2.江蘇大學(xué) 計算機科學(xué)與通信工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)
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翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式在《計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)》課程中應(yīng)用初探
凌青華1,韓飛2,王長寶1
(1.江蘇科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江212003;2.江蘇大學(xué)計算機科學(xué)與通信工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江212013)
“計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)”是工科非計算機專業(yè)開設(shè)的計算機硬件類的專業(yè)基礎(chǔ)課,知識點多,難理解,課時有限,需要有效的教學(xué)方法和教學(xué)模式,解決目前教學(xué)實踐中存在的學(xué)生興趣不高、教學(xué)效果不太理想等主要問題。本文試圖從翻轉(zhuǎn)課堂出發(fā),探討一種適用于本課程的教學(xué)模式,實現(xiàn)“以學(xué)生為中心”,培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性,在課后完成規(guī)定知識的學(xué)習(xí),而課堂變成了老師學(xué)生之間和學(xué)生與學(xué)生之間互動的場所,從而有效地提高本課程的教學(xué)效果和學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。
翻轉(zhuǎn)課堂;計算機硬件技術(shù);教學(xué)模式
高等教育的教學(xué)目的是潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、探索研究能力、自主學(xué)習(xí)能力,而合理、有效的教學(xué)模式則無疑是實現(xiàn)這一目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)。在教學(xué)內(nèi)容上,我國與發(fā)達(dá)國家的差距并不明顯,差距主要體現(xiàn)在教學(xué)模式上。因此,探索適用于我國高等教育現(xiàn)狀的課程教學(xué)模式,如何提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、科研創(chuàng)新的能力,值得高校教師深入研究。
《計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)》課程是普通高等學(xué)校理工科專業(yè)的一門重要的計算機技術(shù)基礎(chǔ)課程,也是理工科非計算機專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握計算機硬件基礎(chǔ)知識、匯編語言程序設(shè)計及常用接口技術(shù)的主要課程[1]。本課程的任務(wù)是使學(xué)生從理論和實踐上掌握數(shù)字電子技術(shù)與邏輯設(shè)計的基本理論,現(xiàn)代微機的基本組成、工作原理及典型接口技術(shù),建立微機系統(tǒng)的整體概念,對基本的微機硬件接口電路進(jìn)行分析與設(shè)計,使學(xué)生具有運用現(xiàn)代微機技術(shù)進(jìn)行軟、硬件開發(fā)的初步能力。
在《計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)》課程的教學(xué)實踐中,主要挑戰(zhàn)表現(xiàn)在以下幾個方面[2-4]:
1. 課程內(nèi)容知識點雜碎、難理解,課時少
課程涉及的知識和內(nèi)容較多,包括數(shù)字邏輯的基礎(chǔ)知識,微處理器的基本原理,匯編語言程序設(shè)計,總線的原理,存儲器基本原理,常用接口的基本原理與應(yīng)用等。學(xué)生既要掌握原理,又要學(xué)會一定的應(yīng)用能力。從學(xué)生學(xué)習(xí)過程的情況反應(yīng)來看,普遍感覺入門較慢,課程內(nèi)容雜碎、抽象。同時,本課程介紹的是由人發(fā)明的一個裝置,裝置最初也是由人設(shè)計的,而且這個原理也是沒有證明的,難以理解。學(xué)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(shè)計的!”并且,隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展,課程涵蓋的知識點和技術(shù)要點越來越多,而教學(xué)計劃的課程學(xué)時卻不增反減。所以不更新教學(xué)理念和教學(xué)模式,根本無法完成教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)任務(wù)。
2.難以保證內(nèi)容先進(jìn)性與教學(xué)適用性的統(tǒng)一
“計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)”課程已在國內(nèi)理工科高校開設(shè)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(shù)發(fā)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(xué)被動地跟著“新技術(shù)”跑的局面,如何面對學(xué)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(chǔ)課程究竟應(yīng)如何適應(yīng)計算機技術(shù)的飛速發(fā)展? 如何做到內(nèi)容先進(jìn)性與教學(xué)適用性的統(tǒng)一?
3.驗證性實驗達(dá)不到學(xué)生應(yīng)用設(shè)計能力培養(yǎng)的目標(biāo)
在硬件接口芯片的實驗上,實驗室一般都是采用廠家生產(chǎn)并且封裝好的微機原理教學(xué)實驗裝置,學(xué)生在PC機上對芯片進(jìn)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(xué)生的動手能力,印象也不深;設(shè)計性實驗對于二類院校大部分學(xué)生又不易完成。
“計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)”是一門實驗性、實踐性、操作性都非常強的學(xué)科,需要一種“以學(xué)生為中心”的教學(xué)方法和教學(xué)模式,而傳統(tǒng)的“以教師為中心”的教學(xué)模式顯然難以滿足要求。本文試圖從翻轉(zhuǎn)課堂出發(fā),探討一種適合非計算機專業(yè)“計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)模式,實現(xiàn)“以學(xué)生為中心”,培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力,解決教學(xué)中的主要問題。
傳統(tǒng)的教學(xué)模式是老師在課堂上講課,布置家庭作業(yè),讓學(xué)生回家練習(xí)。與傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式不同,在翻轉(zhuǎn)課堂式教學(xué)模式下,學(xué)生在課外完成知識的學(xué)習(xí),而課堂變成了老師學(xué)生之間和學(xué)生與學(xué)生之間互動的場所,包括答疑解惑、知識的運用等,從而達(dá)到更好的教育效果[5]。
翻轉(zhuǎn)課堂,顧名思義就是將這一過程翻轉(zhuǎn)過來,由學(xué)生在課外借助網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行視頻學(xué)習(xí),而將課堂轉(zhuǎn)變?yōu)橛懻摗⒕毩?xí)和答疑解惑的場所。翻轉(zhuǎn)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(xué)習(xí)的促進(jìn)者和指導(dǎo)者。學(xué)生自主完成知識的學(xué)習(xí),在需要的時候由教師提供幫助和指導(dǎo),即課堂學(xué)習(xí)的中心由教師轉(zhuǎn)換為學(xué)生。同時,學(xué)生由被動接受轉(zhuǎn)換為主動學(xué)習(xí)。利用教學(xué)視頻,學(xué)生能根據(jù)自身情況安排和控制自己的學(xué)習(xí)。由于視頻可以反復(fù)多次觀看,學(xué)生在學(xué)習(xí)中可以不必因擔(dān)心遺漏或跟不上節(jié)奏而精神緊張,完全由自己掌握學(xué)習(xí)節(jié)奏,對不懂的問題可以通過課堂討論、網(wǎng)上答疑甚至聊天軟件等多種方式尋求解決。
利用網(wǎng)絡(luò)的各種資源輔助教學(xué),時間靈活,內(nèi)容針對性強,有效克服了全部集中課堂學(xué)習(xí)方式學(xué)習(xí)效果差,學(xué)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(zhuǎn)換為師生。在傳統(tǒng)課堂上,基本是由教師一個人“唱獨角戲”,與學(xué)生的互動只是一個輔助環(huán)節(jié),但在翻轉(zhuǎn)課堂上,更多的時間和機會將留給學(xué)生,由學(xué)生主持討論、交流、提問等,而教師則主要扮演推進(jìn)的作用。
學(xué)生角色的轉(zhuǎn)變,使得學(xué)生對枯燥的知識更加感興趣,主動探索因課程學(xué)時的限制,課堂集中教學(xué)無法涉及的諸多計算機硬件領(lǐng)域的“新技術(shù)”。
互聯(lián)網(wǎng)的普及和計算機技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用,使翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式變得可行和現(xiàn)實。學(xué)生可以通過互聯(lián)網(wǎng)去使用優(yōu)質(zhì)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(fā)生了變化。老師更多的責(zé)任是去理解學(xué)生的問題和引導(dǎo)學(xué)生去運用知識[2]。
計算機硬件技術(shù)的很多內(nèi)容,純粹靠學(xué)生自主學(xué)習(xí)很難掌握,所以需要采用傳統(tǒng)教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂結(jié)合的混合教學(xué)模式,對教學(xué)內(nèi)容精心設(shè)計才可以充分發(fā)揮翻轉(zhuǎn)課堂優(yōu)勢的同時,完成課程的教學(xué)目標(biāo)。
江蘇科技大學(xué)計算機硬件技術(shù)課程,是面向物聯(lián)網(wǎng)工程等專業(yè)開設(shè)的,計劃學(xué)時72學(xué)時,其中課堂講授56學(xué)時,實驗16學(xué)時。課程選擇的是清華大學(xué)出版社,李繼燦編著的《計算機硬件技術(shù)基礎(chǔ)》(第三版)。為了能在傳統(tǒng)課堂教學(xué)的基礎(chǔ)上,增加課下在線學(xué)習(xí),課堂自主討論,網(wǎng)絡(luò)互動交流等環(huán)節(jié),同時又不改變總體教學(xué)計劃,需要對教學(xué)內(nèi)容按主題規(guī)劃,并重新組織和設(shè)計,如確定哪些內(nèi)容作為課堂講授,哪些用于課下學(xué)習(xí)、課堂練習(xí)的內(nèi)容和討論主題等,具體安排如下表所示。
視頻學(xué)習(xí)內(nèi)容的選擇原則是各章節(jié)的重點知識,以及老師在課堂上系統(tǒng)講授一遍學(xué)生仍然較難理解的難點知識,包括計算機運算基礎(chǔ)中有符號數(shù)的原碼、反碼、補碼的表示;數(shù)字邏輯中邏輯函數(shù)的表示方法以及組合邏輯電路的分析與設(shè)計;8086操作數(shù)的尋址方式以及常見指令的應(yīng)用;匯編語言程序設(shè)計等??紤]到視頻線下學(xué)習(xí)的可行性,視頻時間過長學(xué)生容易半途而廢,借鑒微課視頻學(xué)習(xí)的經(jīng)驗,一般視頻錄制都是一個固定的主題并控制在0.5學(xué)時,即20-25分鐘左右,少部分內(nèi)容包括組合邏輯電路的分析與設(shè)計,不同程序結(jié)構(gòu)的匯編語言程序設(shè)計等,因為內(nèi)容較多,邏輯性也較強,學(xué)生的興趣度較高,視頻時間為1學(xué)時,即45分鐘左右。本課程的學(xué)習(xí)視頻根據(jù)章節(jié)內(nèi)容,總共安排10次。
根據(jù)課程內(nèi)容以及多屆學(xué)生的反饋,將課程內(nèi)容按章節(jié)劃分,重點章節(jié)安排課堂討論,討論主題由任課老師提前發(fā)布,學(xué)生自己主持。主題選擇的原則為:①計算機硬件領(lǐng)域最新發(fā)展技術(shù),包括最新的微處理器,存儲介質(zhì)的發(fā)展等;②課程教學(xué)中的重點和難點,包括內(nèi)存物理地址、邏輯地址、段地址、偏移地址的概念等;③對學(xué)生未來的專業(yè)學(xué)習(xí)和研究有較大意義的概念,包括接口芯片的綜合設(shè)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(xué)時。
由于計算機硬件技術(shù)課程內(nèi)容的特殊性,內(nèi)容多而散碎,超過50%翻轉(zhuǎn)比例,其教學(xué)效果將會很差。下表中,集中授課時間我們設(shè)置為40學(xué)時,視頻學(xué)習(xí)時間8.5學(xué)時,主題討論時間為3.5學(xué)時,習(xí)題討論課時間為4學(xué)時,翻轉(zhuǎn)課堂的時間比率約為26.8%。
表 翻轉(zhuǎn)課堂模式下課程教學(xué)安排
集中授課時間我們要求學(xué)生課外1∶1復(fù)習(xí),即40學(xué)時的課堂時間,學(xué)生課外需要安排40學(xué)時的復(fù)習(xí)和作業(yè)時間。視頻學(xué)習(xí)時間我們要求學(xué)生1∶2進(jìn)行消化鞏固,即每個視頻原則上學(xué)生課堂上學(xué)習(xí)一遍,課外分別消化學(xué)習(xí)一遍,鞏固學(xué)習(xí)一遍,8.5學(xué)時的視頻時間,學(xué)生課外需要安排17學(xué)時的時間。主題討論需要學(xué)生課外花較多時間查閱文獻(xiàn),并需要總結(jié)、組織和展示,要求小組內(nèi)每個同學(xué)課內(nèi)課外時間比按照1∶3安排時間,即課內(nèi)3.5學(xué)時的主題討論,課外需要10.5學(xué)時的準(zhǔn)備工作。4學(xué)時的課堂習(xí)題討論課僅在重點章節(jié)進(jìn)行了安排,8學(xué)時的在線論壇是課外和學(xué)生互動答疑的平臺。另外考慮學(xué)習(xí)的客觀規(guī)律,要求學(xué)生每次課前準(zhǔn)備10分鐘左右預(yù)習(xí)時間,56學(xué)時,每兩學(xué)時一次課,28次課大約需要6.5學(xué)時的時間。所以56學(xué)時的課堂時間,學(xué)生課外需要安排的總時間大約為82學(xué)時,課內(nèi)課外時間比例約為1∶1.5。這樣的課內(nèi)課外時間比既符合了學(xué)習(xí)的客觀規(guī)律,在占用學(xué)生的課外時間方面,也在學(xué)生的接受范圍內(nèi)。
視頻內(nèi)容的消化鞏固提高了學(xué)生復(fù)習(xí)的有效性,在線論壇的討論提高了學(xué)生完成作業(yè)的積極性,盡可能降低學(xué)生因為作業(yè)不會做而放棄或抄襲作業(yè)的概率,小組選定主題集體準(zhǔn)備的過程中,既增強了學(xué)生對相關(guān)知識的理解,同時提供學(xué)生彼此團(tuán)結(jié)合作的平臺,也提供給部分學(xué)生展示的機會。上表的時間安排,我們力爭將學(xué)習(xí)的效果盡可能做到了最優(yōu)化。
課程內(nèi)容知識點雜碎、難理解,對于包括CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu),指令的執(zhí)行流程,對存儲在內(nèi)存中的指令和數(shù)據(jù)的讀寫等比較抽象的知識點,錄制微視頻來加深學(xué)生的理解。同時視頻可以反復(fù)播放,課后學(xué)生復(fù)習(xí)時,理解消化書本知識的基礎(chǔ)上,重復(fù)觀看視頻,有效解決了學(xué)生感覺入門困難,內(nèi)容抽象的問題。另一方面,因為視頻都是經(jīng)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(fù)某些內(nèi)容,有效提高了課堂效率。
對于學(xué)生“現(xiàn)在都8核64位了,學(xué)1978年的單核16位intel8086有什么用?”的抱怨,雖然可以解釋為現(xiàn)在計算機都能完成萬億位的計算了,我們學(xué)數(shù)學(xué)還是得從1+1學(xué)起;而且學(xué)8086不是為了開發(fā)大型CPU,而是為了使用微型CPU來設(shè)計微型智能系統(tǒng);同時8核64bit的編程語言,編程方法,編程思路,其數(shù)字電子物理結(jié)構(gòu)等都是相通的,一口吃不成胖子,要想學(xué)更先進(jìn)、更深奧的,就得從最基本的學(xué)起。但是如何做到內(nèi)容先進(jìn)性與教學(xué)適用性的統(tǒng)一始終是本課程的挑戰(zhàn)。而在翻轉(zhuǎn)課堂模式下,通過設(shè)置主題,諸如“微機硬件技術(shù)的發(fā)展特點”,“微處理器的發(fā)展與新技術(shù)”等,通過學(xué)生課前自行查閱最新的計算機硬件技術(shù)的前沿技術(shù)和最新發(fā)展概況,準(zhǔn)備演示PPT;通過學(xué)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(xué)生一起進(jìn)行探討并做最后的總結(jié)。充分發(fā)揮學(xué)生的主導(dǎo)地位,從而使學(xué)生對相關(guān)內(nèi)容有了較為深入的理解。
對于實驗,計算機硬件技術(shù)課程的實驗主要分為兩大部分:簡單匯編語言程序設(shè)計以及接口實驗。簡單的程序設(shè)計實驗中,通過采用可視化軟件DEBUG,使用單步運行等調(diào)試手段,使學(xué)生更易理解標(biāo)志位、內(nèi)存地址、內(nèi)存數(shù)據(jù)、寄存器數(shù)據(jù)等方面的內(nèi)容。對于可視化軟件DEBUG的功能和使用,講解指令系統(tǒng)時通過視頻演示給學(xué)生,學(xué)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(xué)習(xí)與理解[6]。
而硬件接口芯片的實驗,江蘇科技大學(xué)實驗室采用的是廠家生產(chǎn)并且封裝好的教學(xué)實驗裝置,學(xué)生在PC機上對芯片進(jìn)行編程,按照實驗步驟在實驗裝置上連線,完成實驗。實驗側(cè)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(xué)生的動手能力,也不能深刻理解實驗原理;而若是安排為設(shè)計性實驗,對于二類院校大部分學(xué)生不易完成。實踐中,一般采用視頻教學(xué)完成一個演示性實驗或者讓學(xué)生先做一個驗證性實驗,然后修改實驗要求做一個內(nèi)容與前面演示性實驗或驗證性實驗相似的設(shè)計性實驗。例如, 8255可編程并行接口實驗:學(xué)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(xué)實驗裝置自帶的開關(guān)控制發(fā)光二極管,完成撥動開關(guān)到數(shù)據(jù)燈的數(shù)據(jù)傳輸。學(xué)生驗證完成后,則提高要求:要求學(xué)生實現(xiàn)數(shù)據(jù)流水燈的實驗,即使得8255的A口和B口均為輸出,數(shù)據(jù)燈D7-D0由左向右,每次僅亮一個燈,循環(huán)顯示;而數(shù)據(jù)燈D15-D8則由右向左循環(huán)顯示。這樣,學(xué)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(shè)計性實驗,通過學(xué)生思考問題、動手解決問題,從而既鍛煉了學(xué)生匯編程序的設(shè)計能力,又提高了接口的綜合應(yīng)用能力。
應(yīng)試教育使得我們的學(xué)生習(xí)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(shù)的課程由于概念多,涉及知識面廣,教學(xué)內(nèi)容形式松散,傳統(tǒng)教學(xué)模式使學(xué)生很難理解透徹,學(xué)生普遍存在理論與實踐脫節(jié)現(xiàn)象,不少學(xué)生修完課程,拿到高分,但對于計算機硬件技術(shù)的理論知識認(rèn)識并不深刻,在實際應(yīng)用中不能學(xué)以致用。
翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的引入,一是增加了學(xué)生對核心知識點的關(guān)注度和理解;二是讓學(xué)生作為主動參與者,提高了學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)興趣,更重要的是使得學(xué)生通過一定的課下學(xué)習(xí)和研究環(huán)節(jié),增強了對問題的自主探索能力、獨立設(shè)計能力和研究能力。最后,學(xué)生作為討論的主持者,也部分鍛煉了組織、協(xié)調(diào)能力和團(tuán)隊合作精神。
當(dāng)然在主題設(shè)置、視頻錄制方面必須關(guān)注學(xué)生的興趣度,同時線下學(xué)習(xí)和主題準(zhǔn)備應(yīng)考慮不能占用學(xué)生過多的業(yè)余時間。連續(xù)兩年的實際教學(xué)實踐證明,在計算機硬件技術(shù)課程學(xué)習(xí)中適當(dāng)引入翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式不僅可行,而且教學(xué)效果有明顯改進(jìn),學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣明顯提高,期末考核的優(yōu)良率由15%穩(wěn)步提升到40%。課程結(jié)束后在大三參加全國計算機等級考試(三級偏硬)的人數(shù)由5%明顯增加至20%左右,而且一次性通過率達(dá)到60%左右。
(責(zé)任編輯:梁京章)
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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(zhèn)江人,講師,研究方向為智能信息處理。
2016-04-26
2016-05-27