学习金字塔理论在翻转课堂教学模式中的应用

2018-04-12田会峰刘永良

电气电子教学学报 2018年1期

田会峰，刘永良，赵　丽

(江苏科技大学电气与信息工程学院，江苏张家港 215600)

0　引言

如何激发学生的学习积极性，提高学习效率，加强学生的实践能力成为当前高校需要解决的问题之一。学习金字塔理论主要研究被动学习与主动学习之间的学习效果差异。

近年来， “翻转课堂”教学正在兴起，它创造了一种混合使用技术和亲自动手活动的教学环境。在翻转课堂中，典型的课题讲解时间由实验和课内讨论等活动所代替，而课堂讲解内容则以视频等其他媒介形式由学生在课外活动时间完成。其作为一种国际化创新型教学模式，有着传统教学所无法比拟的独特优势[1-2]。

在我国高校工科专业中，已普遍开设了单片机及其相关课程。因此，将学习金字塔理论与翻转课堂教学模式应用于实践性很强的单片机课堂教学中，有利于培养学生的综合素质和提高学习效果。

1　单片机课程教学存在的问题

现在我国大多数高校的单片机课程教学内容较为单一，工程背景不强、综合训练程度不够，造成学生对单片机技术理解不透彻、实践动手能力普遍较弱[3]。具体来讲，单片机教学主要存在以下三个方面的问题。

1.1　学时设置的问题

一般工科院校设置的单片机课程分为两大类，一类是电类专业，另一类是非电类专业。电类专业一般在学单片机之前，都会先学“微机原理与接口技术”这门课，该课程学时较多。以我校电气工程及其自动化专业为例，“微机原理与接口技术”为72学时，“单片机原理及应用”为48学时，相对说来后者少了一些；而我校非电类专业，比如机械电子工程专业，没有开设“微机原理与接口技术”课程，因此，这些专业的“单片机原理及应用”为72学时。这些课时中实验课时只占理论课时的1/2，甚至更少。

单片机是电类专业核心课程，理论学时的不足，决定了该课程不能按照传统的教学方式进行教学，而实践学时少也不能满足学生实践能力的锻炼。

1.2　教学方法的问题

单片机的传统教学方式是按照知识结构体系，将课程理论教学与实践教学分开，课堂教学以理论为主，实践教学一般采用单片机实验箱进行验证性实验[4]。

教学方式也是教师讲授为主，学生静侯听讲，再安排一定学时的实验。由于单片机课程具有很强的实践性，学生如果不亲手实践，仅仅是做几个课内实验，很难真正学好这门课程。

1.3　实验设计的问题

目前的单片机实验，一般都是课内实验，学时较少。实验设备一般是带有源程序的实验箱或开发板，学生做实验时不需要自己独立编程，只是简单地用导线把硬件连接起来，然后将源程序下载到单片机内，运行调试，查看结果。这些操作使学生无法深刻理解和掌握单片机的内部结构以及使用C语言编程实现系统要求[5]。

因此，针对单片机总课时少，实践学时所占比小等问题，我们在学习金字塔理论的基础上，提出了翻转课堂与CDIO理念相结合的单片机教学方法。

2　学习金字塔理论与翻转课堂模型

2.1　学习金字塔理论

学习金字塔理论是美国学者艾德加˙戴尔在1946年提出的，该理论用金字塔模型和具体数字直观地展示了采用不同学习方式的学习者在两周以后还能记住学习内容的比例[6-7]。

学习金字塔自顶向底共有七层组成，每层是一类学习方式，其组成结构及学习效果对比示于表1。

表1　学习金字塔理论不同方式的学习效果

在金字塔的最顶端的学习方式是“听讲”，这是我们最常用的学习方式，学习效果也是最差的，两周后学习内容的平均保存率仅有5%。这是一种被动学习类型，学习的参与度是最低的。第一层到第四层都是被动学习，学生的参与度都很低，学习的保存率都没有高于30%。第五层学习方式是“讨论”，这种学习方式，学生积极参与，能把学习的内容更深入的理解，由被动学习变为了主动学习，因此学习效果比较好，能到达50%。第六层学习方式是“实践”，也就是“做中学”或“实际演练”，这正是在国内外广泛流行的CDIO理念学习方式，其学习保存率可达75%。最后一层即底端是“应用”，这种学习方式是“教授给他人”或“马上使用”，是让学生把所学内容立即应用，或是让学习者能够把所学知识传授给他人。要想把所学知识应用或传授给他人，必须要求学习者对所学内容有更加深入地理解和掌握，因此这种学习方式是最好的，其学习保存率高达90%。

2.2　设计自主学习任务

单片机内容主要包括：单片机内核、汇编语言编程、存储器、定时器/计数器、中断系统、I/O接口、串行口、A/D和D/A等。此外，还需要让学生自主学习Keil uVision集成开发环境和C51语言编程。

教师要根据单片机课程教学内容制定学生自主学习任务，让学生在课外时间观看教学视频或教学课件进行自主学习。同时教师还需要制作微视频和提出设计项目，让学生以团队形式自主学习，这样既可以相互帮助解决遇到的学习问题，又可以锻炼学生相互协作的团队精神。

2.3　翻转课堂教学

翻转课堂是运用现代技术实现知识传授与知识内化的颠倒式教学模式，是一种师生互动、激发学习兴趣的有力手段，真正体现“以学生为中心”的教育理念[8-10]。翻转课堂教学模式能够让学生充分利用课外时间，以此弥补课堂时间的不足。

CDIO理念是由美国麻省理工学院和瑞典皇家工学院等4所大学经历4年的探索最后创立的工程教育理念[11]，它强调在加强基础教育的同时，加强实践环节，以项目实践教学完成了CDIO模式的整个过程[12-13]。图1所示的正是翻转课堂教学模型。

图1　翻转课程教学模型

在学习金字塔理论的基础上，采用翻转课程与CDIO理念相结合的方式组织教学，教师与学生角色互换，教师不再是知识的唯一传授者，学生之间也可以相互学习，这对师生都提出了更高的要求[14]。

2.4　翻转课堂具体实施

在翻转课堂具体实施的过程中，将课程内容分为知识重难点的讨论、知识应用的讨论以及知识深化的讨论。

(1)知识重难点的讨论主要是针对课程的重点和难点开展的课堂讨论。比如单片机课程中关于存储器、定时器/计数器、中断等知识点开展讨论，加强学生对这些知识的深入理解。其他相关知识点，由教师引导学生在课余时间进行自主学习，针对学习中不理解的知识，教师在课堂上集中讲解。这种针对具体知识点的讲解和讨论能充分激发学生学习热情。

(2)知识应用的讨论是指以项目驱动形式开展知识点应用的讨论，针对像单片机这种实践性很强的课程，真正实现“理论+实践”的教学模式。学生将课外时间做项目遇到的实际问题在课前提交给教师，教师总结分类后，选择共性的或有代表性的问题在课堂上与学生讨论，其他的个性化问题，教师在课后单独辅导。

(3)知识深化的讨论一般放在课程结束前由教师组织一次关于课程的全面综合讨论以及今后如何继续学习的辅导。比如，单片机课程结束后，如何进一步学习32位高端单片机以及32位单片机的应用进行一次讨论。

课堂讨论主要注意课前收集问题，并对其进行分类和提取典型问题；其次是组织讨论要以具体问题为中心，教师引导每组学生积极参与，记录学生讨论情况，作为考核指标之一；最后是课堂讨论的总结，对课程知识难点与重点以及知识应用遇到的问题及时总结。

在每次课堂讨论中，教师记录每个学生对知识点的掌握情况。课程是以项目团队的形式组织讨论，教师重点关注每个团队中每次讨论不积极或对知识点掌握不深入的学生，单独对其进行辅导。

2.5　转变课程考核模式

目前单片机课程的考核方式大多采用闭卷考试，学生死记硬背硬件内容和软件指令，考完后很快就会忘掉，但开发单片机应用系统的能力却没有得到任何提高[15]。这种考核的弊端却在于仅仅以一次考试就决定学生的学习效果，不能充分考查出学生的能力，显然不是最优的考查方式。

为了克服这种传统的考核方式，我们在实际教学过程中，将单片机整体内容分解成若干个设计项目，每个项目要考核3-4个知识点，也就是让学生完成3-4个任务。在对项目检查时，记录每个学生的成绩。结合平时的小项目以及最终的综合项目成绩，这样在整个课程结束时，大约有8-10个项目的成绩，从而形成最终的课程成绩。这种综合型考核方式，能有效避免学生因特殊原因导致成绩不符合实际的偶然性。

单片机课程的实践性很强，而且在实际工业和生活中应用非常广泛，很容易设计出各种不同的综合项目选题。表2所示为学生部分综合项目选题。

在单片机课程的教学过程中，根据学习金字塔理论，融合多种学习方式，构建阶梯式学习模式。将课程内容分为三大部分：第一部分是需要理解和记忆的基础知识，如单片机内部结构、工作原理、汇编指令等；第二部分是单片机各功能模块的应用，如存储器应用、I/O接口应用、定时器/计数器应用、中断系统应用、串行口应用、A/D和D/A等。第三部分是各功能模块的综合应用。

针对第一部分，主要采取阅读相关内容、观看微视频；第二部分的学习采用讨论和做中学的方法。每块内容都设计几个项目，让学生以学习小组的形式组成“敏捷岛”，每个“敏捷岛”由3-4个学生组成，分为项目负责人、硬件工程师、软件工程师和技术支持等。大家在完成项目过程中，相互讨论项目技术路线，技术难点等。第三部分的学习是让学生做一个综合的应用系统，充分利用学习金字塔理论中最后的学习方式——“应用”。在学习完单片机基础知识以及各个功能模块的应用之后，让学生以团队形式完成一个综合的应用系统，才能使学生真正掌握单片机的应用。

表2　部分综合项目选题

3　教学效果

翻转课堂教学模式的实施，激发了学生对单片机学习的兴趣。以前大部分学生学习该课程都是为了拿到课程的学分，现在大多数学生都真正体验到了自己独立完成一个有实际应用价值的单片机系统的乐趣，从而使得学生由被动学习变为主动学习。另一方面，由于学生学习积极性提高了，参加相关的竞赛活动的学生数每年都在增加，诸如：全国大学生电子设计竞赛、“恩智浦杯”全国大学生智能汽车竞赛、“赛佰特杯”全国大学生物联网创新应用设计大赛、“TI杯”全国大学生物联网设计竞赛、“蓝桥杯”全国软件和信息技术专业人才大赛等，每年在省级、华东赛区和全国总决赛均有获奖，取得了优异的成绩。