翻转课堂在《计算机硬件技术基础》实验教学中的应用实践

王长宝　凌青华

摘要：《计算机硬件技术基础》是全面介绍微型计算机的体系结构、工作原理和应用技术的工科非计算机专业的基础课，是学生信息化素质培养课程体系核心课程之一，旨在培养学生学习能力、实践能力、创新能力。而实验教学却主要是验证性实验，缺少独立思考的过程，缺乏设计与应用。本文试图从翻转课堂出发，探讨一种适用于本课程的实验教学模式，实现“以学生为中心”，培养学生学习的主动性，通过实践环节改进，课后自主学习环节的引导以及综合性课程设计的安排，有效地提高本课程的实验教学效果和学生的自主学习能力和创新能力。

关键词：翻转课堂；《计算机硬件技术基础》；实践能力；创新能力；自主学习

中图分类號：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）17-0156-02

一、引言

《计算机硬件技术基础》课程是学生信息化素质培养课程体系核心课程之一，实验教学作为理论教学的辅助环节，重点要求学生通过相应课内实验，学习指令系统和汇编语言程序设计，并了解接口技术应用的相关知识，加强学生计算机应用能力，培养学生实际动手能力和实验研究能力。而实际实验教学运行过程中，只是对理论教学内容的解释和验证，对于实验的内容、环节及结果，教师做出非常全面的指导，学生的学习能力、实践能力和创新能力等方面的培养效果甚微。翻转课堂是近几年教学模式的教学改革的重要方面之一，我们将翻转课堂应用到本课程的实验和课程设计的安排中，主要从三方面入手：首先将实验分为验证性实验、设计性实验两部分，在学生自主学习，教师指导的基础上完成课堂验证性实验，然后对实验内容进行拓宽或延伸，完成设计性实验，循序渐进地培养学生思考问题和动手操作的能力；其次，同于理论教学翻转课堂的改革要求，对实验教学的课内课外时间配比同于理论教学的1∶2，即课内1小时，课外2小时，课内实验结束后，学生课外通过模拟仿真软件EMU8086和Proteus VSM for 8086等进一步对课内实验内容进行深化和拓展，调动学生的积极性，强化课堂实践效果。

二、课内开放实验

汇编语言程序设计是本课程的重要组成部分，也是学生认识并理解微机系统的重要基础。实验教学中，通过采用DEBUG调试软件，使用单步运行等手段，使学生更易理解物理地址、逻辑地址、标志寄存器、段寄存器及偏移地址等方面的内容。将DEBUG软件的功能和使用方法制作成微课，指令系统课程内容结束后播放，学生通过实验对传送指令、运算指令、转移控制指令等的验证，全面掌握指令的格式和功能。

硬件接口芯片的实验，本校实验室采用的是封装好的教学实验仪器，学生在个人电脑上对接口芯片进行编程，按照实验指导书给定的实验步骤在实验仪器上连线、调试、运行并完成实验。实践中，我们将演示性验证实验设计成微视频，课前要求学生自主学习，并在验证性实验微课的基础上，修改实验内容，学生提前预习、思考和设计。随后的实验课堂中要求学生完成相应的设计、编程、连线与调试，教师在课堂中给予适当指导。

1.验证性实验。演示性或验证性实验可以让学生以较高的效率尽快熟悉实验装置和实验内容，了解常用接口芯片的功能和用法，熟悉汇编语言在接口芯片控制中的编程方式。因为计算机是人类的设计成果，很多知识点无法理论验证和逻辑性理解，很多设计的结构，包括完成输入输出操作的接口芯片，其引脚的定义、工作方式的设计与选择等，学生较难理解，因此通过微视频，按步骤完成进行硬件连接和程序的编写、装载、调试，让学生得到最直接的认识。此类实验包括简单I/O接口扩展、基本输入输出实验等，从而让学生深入理解计算机中的微处理器、存储器、输入输出接口及设备，通过总线连接，完成程序控制与实现的底层工作原理。

2.设计性实验。设计性实验是验证性实验的深化，一方面可以在单个接口芯片模块验证的基础上，更改设计要求；另一方面也可以组合多个单元接口模块，扩展实验内容。学生课前完成基本输入输出的验证性实验的微课视频或者自己动手在实验室验证，在充分理解相应工作原理的基础上，要求学生实现数据流水灯的实验。实验内容要求为：使其中八个数据灯，如（D7—D0）由左向右，每次仅亮一个灯，循环显示；而另外八个数据灯D15—D8则反方向循环显示。而在此要求下，对于端口的工作方式选择以及输入输出的方向设计，需要学生在前一个实验的基础上，充分理解芯片的工作原理并完成实验的重新设计、编程与实现。在设计性实验中，教师要充分给予学生机会，仅提供基本的设计思路的引导，不建议提供具体的连线设计与代码，学生（或小组形式）独立思考，独立设计实验方案、修改实验程序，并对实验结果进行分析，以达到培养学生独立思考能力、实践动手能力和创新能力的目的。

三、课外自主实验

1.汇编语言部分。课内实验模式下所采用的实验手段是MASM汇编环境和Debug调试工具，Debug调试工具基于命令行，对于熟悉“所见即所得”操作环境的学生来说，掌握有点难度，学习效率也不高，为了强化实验效果，在课内微视频介绍EMU8086调试工具的基础上，引导学生课外自主学习EMU8086工具。EMU8086工具集源代码编辑器，汇编/反汇编工具以及Debug的模拟器于一身，直观、生动、形象，学生可以实时直接查看指令的执行过程，微处理器内部寄存器的动态变化，并且可以查看每条指令反汇编后生成的机器码和在内存中的物理地址，从而学生对理论授课的关于微型计算机的组成与工作原理，微处理器的内部功能结构等知识点有了最直观的理解。同时也可以提高学生学习的兴趣度与成就感，提高学习的主动性和探索知识的欲望。

2.可编程接口实验部分。由于传统实验平台的限制，接口部分的实验大部分学生很难深度参与到实验的设计过程中，同时也不能利用课余时间随时随地拓展实验项目，Proteus VSM for 8086仿真模型可以较好地解决这个难题。Proteus仿真平台是一个按指令和总线周期准确仿真的因特尔8086处理器，通过一个总线驱动器和多路输出选择器连接到RAM、ROM和其他不同的接口芯片控制器，从而为计算机硬件技术基础课程接口部分的实验提供了有利条件。基于Proteus VSM for 8086平台，学生可以选择电路元件、设计电路、下载程序、分析实验结果等。若实验效果不理想，可以反复修改，不会因为某个实际硬件芯片的损坏或者连线错误，而导致实验结果出错；也不用担心芯片引脚因为反复插拔而损坏；同时不会因为下课而导致实验过程半途而废……学生具有充分的实验时间和选择实验内容和实验对象的自主性，进一步提高学生学习的兴趣度和成就感。

四、综合性实验的设计与实现

在课内实验和课外自主实验的基础上，教师做一定的引导，学生分组完成一个较为复杂的综合应用系统的设计与实现，作为后续计算机硬件课程设计的任务。这部分连续时间的课程设计既能培养学生综合性应用系统设计、连线与调试的能力，也能锻炼学生的团队合作能力。实验教师在做指导时首先对学生所选课题进行把关，尽量保证课题的实用性和新颖性，从而适应微型计算机硬件技术的发展趋势和实际工程应用的需求，其次是对于系统的设计原则和方法，实验教师要给学生以充分的指导，通过相应的参考资料和设计案例，使学生掌握计算机硬件工程技术的相关基础知识。

五、结论

随着互联网技术的飞速发展与全面普及，大学教育的教学目标、教学模式与手段、教学过程与角色等都需要与时俱进。翻转课堂教学模式的引入，增加了学生对课程的重点和难点的理解；同时学生作为学习过程的主题，主动积极参与到学习过程中，提高了学生对课程的学习兴趣，更重要的是实现学生学习能力、实践能力、创新能力的全面提升。

参考文献：

[1]吴宁.微机原理与接口技术课程混合教学模式探索[J].计算机教育，2014，（19）：17-20.

[2]凌青华，韩飞，王长宝.翻转课堂教学模式在《计算机硬件技术基础》课程中应用初探[J].高教论坛，2016，（8）：62-65.