張 磊， 劉 熹， 郭 曉， 吳澤民， 張劍峰

(解放軍理工大學 通信工程學院, 江蘇 南京 210007)

匯編語言教學中翻轉課堂的運用與實踐

張 磊， 劉 熹， 郭 曉， 吳澤民， 張劍峰

(解放軍理工大學 通信工程學院, 江蘇 南京 210007)

本文針對匯編語言教學效果不佳的現(xiàn)狀，探討了開展翻轉課堂教學實踐的可行性。首先結合C語言課程的先修內容，部署了學生自主學習階段的內容。然后，結合計算機系統(tǒng)的運轉機理，闡述了如何在課堂內化階段與學生展開深入探討和研究。最后，總結了本次教學改革實踐的一些經(jīng)驗和教訓。

翻轉課堂;匯編;C語言;自主學習

0 引言

“計算機與通信硬件基礎”是我校通信工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎課，也是首個軟硬件相結合的課程。該課程的學習，對于理解系統(tǒng)概念和軟硬件結合的基本原理具有重要的作用?；趚86的匯編語言教學占據(jù)了本課程40%的教學時間，但是從以往的教學實踐來看，無論是從學生實際編程能力還是考試的成績來看，教學效果都不盡人意。這反映出該課程的教學模式、教學理念存在一定的問題。

近年來，翻轉課堂已成為一種重要的創(chuàng)新教學模式[1]。它是一種全新的、深層次的混合學習模式，該模式不僅是傳統(tǒng)課堂教學與在線學習在形式、手段、內容上的深度融合，更是教學理念、教學模式的一種革新。翻轉課堂徹底擺脫了“課堂知識傳授+課下知識內化”的傳統(tǒng)教學形式的束縛，將兩者實施的順序顛倒過來，采用自主學習的方式讓學生選擇學習資源，自定學習步驟在課前完成知識傳授，課堂上則在教師的引導下，開展相應的學習活動，幫助學生完成知識內化。

我們期望在“計算機與通信硬件基礎”課程中逐步引入翻轉課堂的教學模式，充分體現(xiàn)學生為主體、教師為主導的教改理念。為此,我們首先審視了本課程學生的先修課程，與本課程知識結構緊密關聯(lián)的有“計算機文化基礎”、“數(shù)字邏輯電路”和“C語言程序設計”三門課程。通過這三門課程的學習，學生對計算機的基本原理和使用都有了初步的掌握, 同時，也具備了良好的計算機語言概念，只是對計算機底層原理缺乏更深層次上的理解。完全有能力進行“計算機與通信硬件基礎”課前的自主學習。據(jù)此，我們認為在x86匯編語言教學階段進行翻轉課堂的運用與實踐是可行的。

1 自主學習階段

翻轉課堂的典型特征是學習者的自主學習[2]。學習歸根結底是由學習者自己去完成，學習者可以決定自己的學習過程、學習進度及采用的學習方法等。這些舉措讓學生充分地享受學習權利，成為學習的主人。

學生確定了自主學習的方式后，就要選擇合適的學習內容，枯燥的指令從何入手呢？既然是學習語言，最好的辦法是針對先修過“C語言程序設計”的情況，溫故而知新。我們指導學生以對比方式進行自主學習。

1.1 數(shù)據(jù)類型的學習

數(shù)據(jù)類型是語言的基本元素，作為高級語言的C語言，存在典型的“char”、“short”、“l(fā)ong”和對應的指針類型等，通過它們表達對物理世界的基本映射。但是匯編語言中，大都是直接以存儲單元為指向，幾乎無類型而言。為此，課前自主學習階段我們要求學生從兩個方面入手，一個是從宏匯編提供的數(shù)據(jù)定義偽指令和操作符入手，對比變量類型定義和使用的異同，形成了如表1的對比結果。

表1 數(shù)據(jù)類型的對比

另一個是從指令入手，講解CMP、ADD、SUB等指令時如何區(qū)分數(shù)據(jù)類型的，這里的重點是如何區(qū)別對待“unsigned”、“signed”數(shù)據(jù)類型的這個難點。進一步深入變量使用中與各類標志符號(OF、SF以及CF)的關系。

課內階段則深入討論8位與16位數(shù)據(jù)的一些訪問機制，從底層硬件的BHE信號、指令中的字節(jié)/字的顯式或隱式的應用場景，直到宏匯編的“EVEN”偽指令定義的對齊操作。

1.2 循環(huán)和跳轉指令的學習

循環(huán)和跳轉指令是編程過程中重要的流程控制指令，C語言有典型的“for”、“do{}while”、“while{}”等指令，首先引導學生在自主學習階段找出匯編中對應常用的“LOOP”、“LOOPZ”、“LOOPNZ”、“JXCZ”等指令，用這些指令與CX寄存器的賦值指令和自減指令“DEC”結合，實現(xiàn)C語言中常用流程。表2是循環(huán)處理簡單的對應表格。

表2 循環(huán)類型的對應

學生在自學階段，不僅是對比學習，還需要深入思考一些問題，例如：如果我們常用的是加法循環(huán)變量怎么辦？如果我們要實現(xiàn)常用的 “break”和“continue”等循環(huán)中的異常處理怎么辦？這些問題的深入討論將在課堂內化階段展開。

字符串處理常常要用到循環(huán)，而后面會提到的特殊的循環(huán)也完全可以用串操作指令來完成。

1.3 數(shù)據(jù)傳送與尋址方式的定義

數(shù)據(jù)傳送是最簡單的指令，但配合出現(xiàn)的七種尋址方式又成為學生以往學習的困難之處。翻轉課堂教學可以較好地解決這一難題。為此，我們首先引導學生在自主學習階段觀看我們自行錄制的微課視頻“RISC和CISC”，了解兩種處理器結構的歷史淵源，充分了解x86系統(tǒng)在設計時對復雜指令集的指標取向，以及采用的“少量寄存器、大量內存空間”的背景，進而對于復雜尋址方式這個難題有所感悟。其次，通過課前觀看“馮諾依曼結構和哈佛結構”的微課視頻，學生可重點理解數(shù)據(jù)傳送中可能存在的性能瓶頸問題。

課內階段，教師一方面直接和學生一起討論常用數(shù)據(jù)結構的存儲實現(xiàn)，尤其是一維數(shù)組、二維數(shù)組以及典型的表格等，從而深入理解“變址”、“相對”等命名的含義，以及它們在訪問這些數(shù)據(jù)結構中的作用，另一方面，探討XCHG指令的原子性的意義，為有興趣進一步選修“計算機操作系統(tǒng)”的學生奠定信號量的基礎。

1.4 串處理指令

串處理指令是匯編語言中比較復雜的指令，但是對比C語言中常用的字符串處理函數(shù)，學生不難理解串處理指令的運用場景，初步的成果如表3所示。同時課前的自主學習也為學生運用串處理指令解決實際問題奠定了扎實的基礎。

表3 字符串操作對比

2 課堂內化階段

在翻轉課堂中，依據(jù)“最近發(fā)展區(qū)”理論，課前學習的基本概念和針對性練習的知識層次是在學生的實際發(fā)展水平之內的，學生只需通過正常的學習就可以完成知識的理解和掌握；而課堂學習活動的問題有一定難度，超出了學生的實際認識水平，學生一般需要通過同伴的協(xié)作幫助、教師指導或相關資料的支撐才能順利完成，這一部分內容的學習培養(yǎng)學生的潛在發(fā)展水平[4]。

在課前學習基本指令的基礎上，再通過課堂內對學習內容進行強化和提升，有利于學生對知識的理解、掌握和進一步深化。為此，一方面通過直接運用指令編程來加深對X86匯編語言知識的內化；另一方面切入難題討論，深入理解計算機系統(tǒng)的運轉機理。比如，針對前述數(shù)據(jù)類型中有無符號數(shù)的概念，我們在課堂直接以編程題的方式要求學生現(xiàn)場完成，圖1代碼序列中192和64的比較、-64和64的比較明確給出相同原始數(shù)據(jù)，不同比較結果的示意。通過編程時補碼的運算、跳轉指令的選擇和動態(tài)調試時各標志的不同變化，使得學生切實理解相關指令的內涵和應用場景。此外，課堂上我們就可直接切入，用補碼的運算來重點說明有符號數(shù)的運算(ADD、SUB)等溢出難題，這里就不做贅述。

在課堂內化階段，我們還考慮了如何激發(fā)學生的編程興趣，讓他們積極開動腦筋，既把枯燥的指令學活，同時又能夠對計算機程序設計的問題有深入思考。例如，我們嘗試從“如何為AX寄存器清零”這個簡單課題入手，發(fā)動學生尋找各種可能方式。

圖1 有無符號數(shù)比較對照圖

通過匯編結果我們引導同學們進行討論。一方面是：這些方法在代碼的空間效率上各有什么不同？答案從圖2的二進制代碼列表就可以一目了然；另一方面是：如何結合我們的總線周期和指令周期來思考代碼的時間效率？進一步引導學生在課后和實踐環(huán)節(jié)利用PROTEUS仿真器或者軟件編程方法做出測量和評估[6]。這樣，也增強了學生的科學探究意識。

圖2 寄存器清零代碼片段圖

3 分析與思考

翻轉課堂模式盡管減少了教師在課堂上知識講授的時間，但是對教師其他方面能力卻提出了更高的要求。

(1)教師要加強對教學內容的選擇與思考，例如：學生不再會利用匯編語言從事大規(guī)模的編程，我們在講授匯編語言的意義后，通過我們的教學應該便于學生們深入學習其它嵌入式系統(tǒng)以及數(shù)字信號處理器，應該幫助學生建立基本的計算機體系結構的知識素養(yǎng)，更快地對程序排錯、調整程序性能。

(2)教師要充分把控課堂，對學生要加強課后輔導，保證中師生、生生之間的觀點能夠產生交流和碰撞。

(張 磊等文)

本次翻轉課堂的運用是筆者的第一次教改嘗試，實踐過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題。

(1)學生課前自主學習的深入度不同，導致少部分學生在課堂上無法參與討論，也就無法獲得翻轉課堂的收益；

(2)從傳統(tǒng)紙質媒介轉向靈活的微課視頻，學生在自主學習階段雖然比較容易接受，但若不配合大量作業(yè)進行鞏固的話，編程階段的內容易懂但難用難鞏固；

(3)如何確定評價體制，目前，翻轉課堂教學試驗班的學生最終還將和同期傳統(tǒng)教學班的學生進行同一試卷庫的考試，是否能夠體現(xiàn)翻轉課堂的價值還有待深入研究。

[1] 何文濤.翻轉課堂及其教學實踐研究[D]. 新鄉(xiāng)：河南師范大學，2014.05.

[2] 曾明星,周清平,蔡國民,等. 軟件開發(fā)類課程翻轉課堂教學模式研究[J]. 上海：實驗室研究與探索,33(2):203-209.

[3] 劉貴軍.自主學習理論下的教學主體相互關系的研究[D]. 石家莊：河北師范大學，2014.02.

[4] 宋五好.有效教學的形成機制探析[J].太原：教學與管理,33(21):2015.07.

[5] 龔奕利 雷迎春 譯 Randal E. Bryant, David O'Hallaron 著,深入理解計算機系統(tǒng)(修訂版)[M]北京：中國電力出版社，2004年。

Application of Flipped Classroom in Teaching of Assembly Language

ZHANG Lei, LIU Xi, GUO Xiao, WU Ze-min, ZHANG Jian-feng

(InstituteofCommunicationEngineering，PLAUniversityofScienceandTechnology，Nanjing210007，China)

In order to deal with unsatisfying result of teaching of assembly language, this paper discusses the practicability of flipped classroom. Firstly the author makes self-study arrangements for students based on prerequisite C programming language. Secondly, this paper explains how to carry out discussion and investigation with students in the course in view of the operation mechanism of computer system. At last, some experience in this teaching reform has been summarized.

flipped classroom;assembly; C programming language; self-study

2016-05-09;

2016-09- 30

張 磊(1972-)，男，工學博士，教授，主要從事計算機軟硬件課程和軍事通信網(wǎng)方面的教學和無線傳感器網(wǎng)絡、嵌入式操作系統(tǒng)、計算機體系結構的研究，E-mail: leizhang@163.com

TP313

A

1008-0686(2017)02-0014-04