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)課堂有很多常見的術(shù)語，如“顛倒課堂”或 “反轉(zhuǎn)課堂”，它最初是從英語“Flipped Class Model”或“Inverted Classroom”翻譯過來的[1]。傳統(tǒng)上課模式是教師課上教授知識，學(xué)生負(fù)責(zé)聽，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知識的學(xué)習(xí)，課上再通過小組協(xié)作和教師互動（答疑解惑、探究、游戲等）對知識進(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，課堂上通過解決問題、小組協(xié)作及師生共探等活動進(jìn)行知識深化。這樣使學(xué)生能夠在一個輕松自由的環(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，使教師能及時給學(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)平臺和豐富的教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)了資源共享和互動交流。在翻轉(zhuǎn)課堂中，教師課前把教學(xué)視頻、微視頻、測試題等各種學(xué)習(xí)資源共享到學(xué)習(xí)平臺上，學(xué)生可以隨時隨地進(jìn)行在線學(xué)習(xí)；而且在觀看學(xué)習(xí)視頻的過程中，遇到不明白的問題可以隨時向老師進(jìn)行反饋，老師則會在線予以答復(fù)，這樣能防止學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中停滯，從而達(dá)到一個融會貫通的目的。

1.2.2翻轉(zhuǎn)課堂的意義

（1）翻轉(zhuǎn)課堂能夠使學(xué)生真正做到個性化的學(xué)習(xí)。學(xué)生通過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；通過聊天軟件或翻轉(zhuǎn)平臺等求助老師和同學(xué)，真正達(dá)到個性化學(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在線討論，通過課前的深度學(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)，這樣會促進(jìn)師生的交流互動；而教師也會針對每個學(xué)生不同的情況進(jìn)行逐一指導(dǎo)，輕松愉快地共同對知識進(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)時間。學(xué)習(xí)期間，學(xué)校的各種事情眾多繁雜，而有的時候?qū)W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(xué)生可以課后學(xué)習(xí)，這樣學(xué)生再也不用擔(dān)心活動與課程沖突了。

（4）翻轉(zhuǎn)課堂改變了課堂氛圍。在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，老師需要管理課堂紀(jì)律，這就會影響正常的課堂進(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)作中積極主動地出主意，辯解爭論，這樣，不喜歡學(xué)習(xí)的學(xué)生也都被吸引過來一起探究。

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)好這門課的重點(diǎn)，因此，針對傳統(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；在深入的過程中，學(xué)生會產(chǎn)生很多的疑問，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)模式中是一個創(chuàng)新，由于每一門課的內(nèi)容難易程度不一樣，所以把那些相對容易自學(xué)的部分交付給學(xué)生，這樣既可以讓他們主動地去思考問題，了解整個章節(jié)的概況，對所學(xué)的部分有一個很好的預(yù)習(xí)，又能鍛煉學(xué)生的能力，既對自己所講的內(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、存儲器等部件細(xì)化到芯片級別，直觀地呈現(xiàn)在游戲畫面中，讓學(xué)生可以從硬件底層對芯片操作，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，再到整個系統(tǒng)的過程，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，首先會看到一個沒有連接好的實(shí)驗(yàn)電路圖，學(xué)生只有成功地連接了這個電路圖才能進(jìn)行到下一關(guān)，這樣會激發(fā)他們的挑戰(zhàn)心理。在連接線路的過程中，如果連接錯誤或操作不當(dāng)，就會發(fā)出紅色警告，挑戰(zhàn)失敗，就要從頭開始，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，用開關(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，并在數(shù)據(jù)總線DBUS上顯示出來。這里可以設(shè)計(jì)成進(jìn)入這一關(guān)卡時，每個學(xué)生變成一個弓箭手，通過自己手中的箭向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。接下來驗(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，會有兩條岔路，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，指示燈會亮起，則會出現(xiàn)一個更高級別的怪獸，打敗這個怪獸，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)是一個非?；A(chǔ)的實(shí)驗(yàn)，但是通過翻轉(zhuǎn)課堂這樣一個實(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，而且能夠使他們在游戲的樂趣中學(xué)到知識，大大降低了學(xué)習(xí)硬件實(shí)驗(yàn)的難度，從而提高了對硬件實(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，每講解完一個部分，教師對學(xué)生進(jìn)行提問。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)生給出一個指令格式結(jié)構(gòu)，分析其尋址方式等。這時學(xué)生應(yīng)就問題在線上平臺進(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)，而且對所回答問題的速度會進(jìn)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(dāng)整個教學(xué)視頻結(jié)束后，教師對所學(xué)內(nèi)容做總結(jié)，并對學(xué)生進(jìn)行在線測試，對測試成績比較好的進(jìn)行獎勵。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，并且通過提問的方式，鞭策學(xué)生認(rèn)真地學(xué)習(xí)視頻教學(xué)，通過排名獎勵以及獲取通關(guān)所需要的道具來提高學(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)教師提問與學(xué)生發(fā)言的分析。在翻轉(zhuǎn)課堂中，學(xué)生通過教師的提問能主動思考問題，捕捉問題重點(diǎn)，而且一些開放性的問題能很好地鍛煉學(xué)生的思維能力；而在傳統(tǒng)課堂中，學(xué)生主動發(fā)言的機(jī)會很少，主要原因是教師需要在規(guī)定時間內(nèi)完成知識的講授。

（2)教師語言作用的分析。在傳統(tǒng)的教學(xué)中，教師往往會對所教授的內(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，對學(xué)生的行為、回答進(jìn)行鼓勵和肯定，并充實(shí)學(xué)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(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，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)生的對話溝通，利于以啟發(fā)式教學(xué)的方法來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。讓學(xué)生進(jìn)行積極地探討，并通過提問的方式來引起學(xué)生對某一問題的思考，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，而且能夠充實(shí)和發(fā)展他們的意見，使全體學(xué)生接受到更加完整和清楚的信息。

4　結(jié)　語

計(jì)算機(jī)組成原理的課堂教學(xué)改革是未來教育的發(fā)展趨勢，這樣的教學(xué)模式也會越來越成熟。面對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，或許會對信息化時代教育學(xué)產(chǎn)生深刻的影響。

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（編輯：郭田珍）

第一作者簡介：林克正，男，教授，研究方向?yàn)閳D像處理與機(jī)器視覺，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）。

中圖分類號：G642

文章編號：1672-5913(2016)04-0117-04