基于翻转课堂理念的计算机组成原理教学研究

2016-05-20林克正刘彦君金恩海唐远新陈德运哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院黑龙江哈尔滨150080

计算机教育 2016年4期

关键词：计算机组成原理自主学习翻转课堂

林克正，刘彦君，金恩海，唐远新，陈德运（哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院，黑龙江哈尔滨 150080）

林克正，刘彦君，金恩海，唐远新，陈德运
（哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院，黑龙江哈尔滨 150080）

摘要：分析计算机组成原理课程现阶段教学情况，提出基于翻转课堂的教学理念对该课程进行改进的思路和方法。

关键词：翻转课堂；计算机组成原理；教学改革；自主学习

0　引　言

计算机专业的教学体系包括很多重要的基础课程，如数据结构、计算机网络、操作系统等。在众多的课程中，计算机组成原理教学内容抽象，实验内容复杂，极易引起学习者厌学，因此，变革传统课程教学模式和教学结构已经成为众多教育者关注的热点，翻转课堂教学模式的出现为变革传统教学注入了新的生命力。

1　翻转课堂的理论基础

1.1翻转课堂的内涵与本质

翻转课堂有很多常见的术语，如“颠倒课堂”或 “反转课堂”，它最初是从英语“Flipped Class Model”或“Inverted Classroom”翻译过来的[1]。传统上课模式是教师课上教授知识，学生负责听，剩下的就是课下完成作业；而翻转课堂的教学模式却有着颠覆性的转变。在翻转课堂中，教师会根据学生的学习情况、学习状态，将各种课程资源提前准备好，而学生需要做的就是自主地完成对知识的学习，课上再通过小组协作和教师互动（答疑解惑、探究、游戏等）对知识进行深化，以达到理解的目的。

1.2翻转课堂的特征及意义

1.2.1翻转课堂的特征

（1）颠倒了传统的教学流程，为课堂教学营造轻松自由的学习氛围。学生在课前进行自主学习掌握知识，课堂上通过解决问题、小组协作及师生共探等活动进行知识深化。这样使学生能够在一个轻松自由的环境下学习，也提高了学生的学习兴趣，增加了师生互动，使教师能及时给学生反馈与指导，教学效果更加显著。

（2）方便的网络平台和丰富的教学资源，实现了资源共享和互动交流。在翻转课堂中，教师课前把教学视频、微视频、测试题等各种学习资源共享到学习平台上，学生可以随时随地进行在线学习；而且在观看学习视频的过程中，遇到不明白的问题可以随时向老师进行反馈，老师则会在线予以答复，这样能防止学生在学习的过程中停滞，从而达到一个融会贯通的目的。

1.2.2翻转课堂的意义

（1）翻转课堂能够使学生真正做到个性化的学习。学生通过自身情况观看微视频，既可以快进也可以倒带，不懂处也能暂停求教，自由安排自己的学习进度；通过聊天软件或翻转平台等求助老师和同学，真正达到个性化学习的目的。

（2）翻转课堂增加了师生的交流，促进师生情谊。翻转课堂最显著的模块就是有一个在线讨论，通过课前的深度学习，在课堂上学生积极参与讨论，教师观察小组协作中学生的表现，引导他们相互学习，这样会促进师生的交流互动；而教师也会针对每个学生不同的情况进行逐一指导，轻松愉快地共同对知识进行探索，促进师生之情。

（3）翻转课堂可以自由分配学习时间。学习期间，学校的各种事情众多繁杂，而有的时候学生会不得已耽误课程，教师把课前录制的视频资源、文档、精品课程等资源上传课程平台，从而保留下来，学生可以课后学习，这样学生再也不用担心活动与课程冲突了。

（4）翻转课堂改变了课堂氛围。在传统的教学过程中，老师需要管理课堂纪律，这就会影响正常的课堂进度。实施翻转课堂以后，那些走神的学生从此失去了伙伴，同学们都在忙于学习，在小组协作中积极主动地出主意，辩解争论，这样，不喜欢学习的学生也都被吸引过来一起探究。

2　翻转课堂在计算机组成原理中的教学研究

2.1教学手段和方法设计

翻转课堂是以学生为主体的自主学习，怎样在视频教学中引起学生学习的兴趣[2]，引发学生思考，是学好这门课的重点，因此，针对传统的教学模式，翻转课堂在教学方法上做了一些必要的改进。

（1）教学思路设计——悬念导入法。有效的导入是教学中的重要环节，成功的导入能够承上启下，引起学生的注意和兴趣，把学生带入设计好的情境之中，充分调动学生的积极性，为完成教学任务创造条件[3]。如在计算机组成原理的教学中，每一章可以看作为一个大的计算机框架，而每一章中的每一节则可以看作为框架中的重要部件，这样可以使学生在计算机大框架的基础上，一步一步地深入；在深入的过程中，学生会产生很多的疑问，从而激发求知欲望，一步一步地了解到计算机的工作原理。

（2）模拟教学法——学生讲课。学生讲课在翻转课堂的教学模式中是一个创新，由于每一门课的内容难易程度不一样，所以把那些相对容易自学的部分交付给学生，这样既可以让他们主动地去思考问题，了解整个章节的概况，对所学的部分有一个很好的预习，又能锻炼学生的能力，既对自己所讲的内容有更深刻的理解，又能提高自身的整体素质。

2.2实验课设计——使学生爱上实验课

翻转课堂与传统的教学模式相比，从根本上进行了改进。计算机组成原理实验中，为了让学生更直观、深入地了解实验内容，更有兴趣地进行实验，教师在网上将实验的部分做成游戏的模式，比如将硬件系统如控制器、寄存器、存储器等部件细化到芯片级别，直观地呈现在游戏画面中，让学生可以从硬件底层对芯片操作，看到计算机内部的运行方式；然后，每一个芯片一步一步地扩大组建，看到从芯片到单元，再到整个系统的过程，这样，大大降低了学生学习硬件实验的难度[4]，也提高了学生对于课程实验部分的兴趣。

比如实验中的运算器组成实验，当学生进入到翻转课堂的实验教学中时，首先会看到一个没有连接好的实验电路图，学生只有成功地连接了这个电路图才能进行到下一关，这样会激发他们的挑战心理。在连接线路的过程中，如果连接错误或操作不当，就会发出红色警告，挑战失败，就要从头开始，这样就间接地培养了学生严谨的科学态度。接下来，用开关SW7-SW0向通用寄存器堆RF内的R0-R3寄存器置数，将R0-R3的内容读取出来，并在数据总线DBUS上显示出来。这里可以设计成进入这一关卡时，每个学生变成一个弓箭手，通过自己手中的箭向R0-R3寄存器置数，其中读取R0-R3的内容即为消灭的敌人数量，这样间接地使学生在游戏中学到了知识。接下来验证ALU的逻辑运算与算术运算的功能，进入到这一关卡时，会有两条岔路，左侧是M=0的情况下，右侧是M=1的情况下，分别进入两个岔路，消灭敌人；若在实验中出现进位的情况，指示灯会亮起，则会出现一个更高级别的怪兽，打败这个怪兽，得到运算的结果，完成实验。

虽然运算器组成实验是一个非常基础的实验，但是通过翻转课堂这样一个实验形式，不仅能够培养学生严谨的科学态度，而且能够使他们在游戏的乐趣中学到知识，大大降低了学习硬件实验的难度，从而提高了对硬件实验的学习兴趣[5]。

2.3视频课程教学设计

在计算机组成原理的视频教学中，教师将课程内容分块，逐步深入地进行讲解，每讲解完一个部分，教师对学生进行提问。比如课程讲解的是指令和数据的寻址方式，讲解完这部分内容后，就要求学生给出一个指令格式结构，分析其寻址方式等。这时学生应就问题在线上平台进行回答，只有回答正确才能继续进行下面的视频教学，而且对所回答问题的速度会进行排名，所排的名次在后面的在线测试成绩中占有一定的比重。当整个教学视频结束后，教师对所学内容做总结，并对学生进行在线测试，对测试成绩比较好的进行奖励。这样的教学形式将视频教学内容与实验课程内容关联起来，并且通过提问的方式，鞭策学生认真地学习视频教学，通过排名奖励以及获取通关所需要的道具来提高学生的学习兴趣。

综上所述，教学流程图如图1所示。

图1　计算机组成原理教学流程图

3　基于翻转课堂模式的计算机组成原理课堂效果研究

对比传统教学模式的情况，基于翻转课堂模式下的计算机组成原理有很好的教学效果。

（1)教师提问与学生发言的分析。在翻转课堂中，学生通过教师的提问能主动思考问题，捕捉问题重点，而且一些开放性的问题能很好地锻炼学生的思维能力；而在传统课堂中，学生主动发言的机会很少，主要原因是教师需要在规定时间内完成知识的讲授。

（2)教师语言作用的分析。在传统的教学中，教师往往会对所教授的内容间接地插入自己的想法，而且希望学生能够遵从自己的想法，这样做有碍于学生思维的健康发展，反而束缚了本该发散创新的思维；而在翻转课堂中，教师以平和的心态接纳学生的感受，对学生的行为、回答进行鼓励和肯定，并充实学生的意见或想法，更倾向于通过情感交流、沟通的方式来教育学生。

（3)实验课效果分析。在翻转课堂的教学中，实验的可操作性很强，比传统的教学方式更有创新，更能激发学生学习的欲望和学习兴趣。对于这种新模式下的实验教学，更能够帮助学生深入地理解理论知识，提高分析能力和操作能力，使学生不再惧怕硬件实验课，从而爱上实验课。

（4)教学效果比较分析。在翻转课堂的教学中，教师注重与学生的对话沟通，利于以启发式教学的方法来激发学生学习的兴趣。让学生进行积极地探讨，并通过提问的方式来引起学生对某一问题的思考，这种教学模式有很好的课堂气氛，教师能肯定、接纳学生的意见，而且能够充实和发展他们的意见，使全体学生接受到更加完整和清楚的信息。