基于建构主义和翻转课堂的教学改革初探

2018-04-17洪连环高延峰刘晓波

电气电子教学学报 2018年6期

洪连环，高延峰，刘晓波，方平，肖洁

(南昌航空大学航空制造工程学院，江西南昌 330063)

0 引言

“微机原理及应用”课程是我院一门公共专业基础课。该课程的培养目标是使学生了解微机控制系统的基本组成和工作原理，掌握微机控制系统的硬件设计和软件编程方法，培养其综合利用所学知识以发现和解决问题的能力。然而，在实际教学中，这门课却是典型的“教师难教、学生难学”的课程[1]。

大机械专业学生的电类课程基础比较薄弱且习惯了机械类课程的形象思维方式，面对知识点抽象且繁杂的该课程时，容易产生厌烦心理。之前的以教师为中心、教材为中心和课堂为中心的传统教学模式难以调动学生学习的积极性和自主性，更谈不上培养创新能力了[2]。

本文针对该课程和学生特点，围绕“以学生为中心”，以建构主义学习理论为指导，以翻转课堂为主要教学手段，有机结合支架式教学、抛锚式教学和随即通达教学模式，开展了课程教学改革，启发学生从不同角度循序渐进地掌握微机原理的基本知识，逐渐掌握设计简单微机控制系统的所需的思维能力和设计能力。一年多的教改激发了学生的学习兴趣，提高了学生的学习积极性，培养了学生分析和解决问题的能力及创新创业能力。

1 建构主义和翻转课堂教学模式

建构主义学习理论对学习和教学做出了新的解释[3～4]。翻转课堂教学方式则延伸了教学的时空，学生可在课下自主安排时间观看MOOC、SPOC或教师提供的视频等资料，在课堂上与教师讨论，获得对知识更深的理解[5～6]。

建构主义学习理论和翻转课堂在学习观和教学观上有一定的共性[7]。基于现实的教学设计需要综合应用多课程(甚至是多学科)的内容，从多角度来分析问题，具有综合性和开放性的特点。为了在限定的课时内完成某个“意义建构”，学生在课前或课下需要在认真学习教师提供资料的前提下查阅大量的资料，积极开展或参与各种形式的讨论活动，节省某些知识点课堂讨论及教师讲解的时间。

2 建构主义和翻转课堂的教学设计

常见的建构主义教学方法有支架式教学、抛锚式教学和随机进入教学三种[4]。“微机原理及应用”课程改革整体的思路是在建构主义学习理论的指导下，以翻转课堂为主要手段，有机选择以上三种教学方式。

2.1 支架式整合课程学习内容

基于建构主义学习理论的支架式教学法的教学思想来源于维果斯基“最邻近发展区”理论。支架式教学应为学生跨越“最邻近发展区”提供概念框架，利用一些合适的问题情境，给学生提供适当的、小步调的提示(支架)，让学生通过这些支架逐步攀升，逐渐发现和解决学习中的问题，最后实现在无教师的协助下自主完成学习，以此来培养学生的解决问题能力和自主学习能力[4]。

为了培养学生设计简单微机控制系统的能力，针对“微机原理及应用”课程知识点分散且抽象、实践性强的特点，按照支架式循序渐进的教学过程，以应用为导向来整合课程学习内容。在有限的课时中，按照“简化基础理论、注重简单应用、强化综合设计”的教学思路将课程学习任务分解为以下模块：①课程基础知识(微型计算机基础、单片机内部结构、单片机引脚、汇编语言程序设计);②特殊功能模块(中断系统、定时器T/计数器C、串行口);③系统扩展模块(存储器扩展技术、I/O接口扩展技术);④课程大项目设计。

课程大项目设计布置在开课之初,让学生一开始便有一个明确的学习目标，在课程学习期间通过不定期地检查进度以督促学生能及时利用所学进行模块设计，在课程结束之后再答辩验收以给学生充裕的时间来优化设计和书写报告。

在理论和实践教学的处理上，摒弃传统的理论和实验分离的模式，采用理论和实验教学一体化模式。在实施过程中，结合翻转课堂方法，将教学的时空延伸到课前和教学结束之后。课前教师根据阶段性的学习目标来设计教学项目，并给学生提供以视频为主的学习资料，即为搭脚手架。班级学生分组组建3-4人的学习小组，以小组为单位开展课前自主学习、交流和讨论。在课堂上，教师组织小组学生评述和讨论，再根据学生学习情况总结主要的理论知识点，然后进一步提出教学项目的设计要求，最后在实验教学中实现该模块教学项目的最终目标。课程结束后，要求学生利用模块化设计思想优化课程大项目设计，这是对课程的总体学习效果的主要检测和评价手段之一。课程各个模块学习中，作为学生学习活动的指导者，教师在支架式教学中作用应逐渐减弱，以减少学生对教师的依赖。教学项目设计越来越综合和开放，以提升学生自主学习能力，培养创造性思维能力。

2.2 随机进入式开展基础部分教学

课程的基础部分主要有微机基础知识、单片机内部结构、单片机引脚、汇编语言指令及程序设计。对大机械专业学生而言，如果按照教材的顺序，教师按部就班地讲授以上基础知识，学生会面对大量计算类专业术语和概念，往往不易记住和无法理解、跟不上教师讲课思路，容易产生厌学情绪。“简化基础理论”的实质是在学习之初将重点放在基本应用上，基础理论够用就可以了，然后通过中后期的应用训练，使学生不断加深对基础理论的理解，直至达到融会贯通。为此，我们以应用为导向引入了随机通达教学(Random Access Instruction)法。随机通达教学法是斯皮罗等人针对高级学习，在认识灵活性理论的指导下提出的。它的核心思想是对同一内容的学习，要在不同时间、有意安排的情景下、带着不同目的以及从不同的角度多次进行，以此达到高级知识获得的目标。

例如，汇编语言指令是“微机原理及应用”课程主要内容和教学难点之一，对后续的汇编语言程序设计有着重要的影响。但按照传统的教学计划，教师逐条讲解指令的格式、功能和纯算法的应用举例后，学生仍然不会编写简单的程序。其中主要的原因有：①机械类的学生设计思路不清晰，对程序设计存在畏惧心理，不敢写程序；②学生对所学的指令一知半解，不知道在程序中怎么灵活应用；③和实际应用脱节的理论知识太枯燥和抽象，学生容易丧失学习兴趣。

为了解决“指令难学，程序难写”的问题，根据随机进入教学思想，我们把汇编语言指令及程序设计化整为零，避免抽象地教指令的格式、功能和一般运用，而是把指令具体到一个实例中，并与具体情境联系起来。按照课程模块教学安排，指令分为四个阶段来学习。第一阶段，以延时子程序的设计为学习目标，掌握汇编语言源程序结构、伪指令等基本概念及部分简单指令的应用。在此阶段，学生通过设计不同时间段的延时子程序，理解分支程序、循环程序和子程序结构，掌握常用的指令控制转移类指令(如CJNE、DJNZ、CALL、RET等)、指令周期等抽象的理论和内容。第二阶段，在外部中断、定时器/计数器和串行通信等特殊功能模块学习中，重点掌握位操作类(如SETB、CLR、CPL、JB/JNB等)指令和中断服务子程序的设计方法。第三阶段，在存储器和I/O接口扩展模块，重点学习MOVX和MOVC等指令。最后，综合利用所学指令完成课程大项目的程序优化设计，使得学生在综合设计中熟练掌握指令及应用。这样，通过从简单应用到综合实例对不同类型指令的应用训练，学生在理解的基础上掌握指令的基本功能，逐渐提高程序设计所需的严谨的逻辑思维方式，逐步提升微机控制系统的设计能力。

2.3 抛锚式开展应用部分教学

为了提高学生的学习兴趣，帮助学生了解微机控制在机电一体化系统中的作用，课程的简单应用部分教学采用基于翻转课堂的抛锚式教学方式。

抛锚式教学(Anchored Instruction)，要求学生在实际环境中感受和体验问题，而不是听教师的间接介绍和讲解。这种教学方式非常适合强调应用的“微机原理及应用”课程教学。经过“金工实习”、“机械原理”和“机械设计”等课程学习之后，机械专业大三的学生已经掌握了进给机构的机械结构及其传动比，但还未了解步进电机的转速如何控制。在学习定时器/计数器时，以学生熟知的数控机床“步进电机-滚珠丝杠”进给机构中的进给速度控制为教学项目。教师在课前给学生一定的提示，明确学习目标，并提供必要的学习资料。学生接到任务后，按照教师的提示，小组成员分工合作去查阅资料、学习及讨论，梳理理论知识和实际应用之间的关系，提出初步设计方案，并制作PPT以备课堂讨论。这样学生带着明确的学习任务和初步的学习所得进入课堂讨论，可以有效地提高课堂效果。课堂上，首先由小组学生代表利用课前准备好的PPT来讲解本次课堂所需的理论知识，分享知识点的应用成果。接着，听课学生向讲课的学生提出问题或者补充他们对知识点的认识。然后，教师根据学生讨论情况，再次补充知识点的理论及应用、纠正学生对知识点认识的偏差、总结课程知识点等。最后，根据课堂讨论实际情况，可对教学项目提出进一步的要求，如增加正/反转、升降速等控制、电机启停等功能。由于理论课堂时间有限，更高要求的教学项目则在课后及实验教学中展开。在实验中，设置基础部分、提高部分和扩展部分三个层次，学生根据自身的水平选择相应的层次内容。

综合应用部分要求小组学生根据教师指定的题目或自己选择经教师同意的题目来设计一个微机控制系统，以此来验证是否实现课程的总体教学目标。学生自定具体设计内容和要求，实现控制系统的软件硬件联调，书写设计报告，指出与目前市场上相关产品的性能差距，并制作PPT答辩。

这种探究式的学习方式经过课前、理论课堂讨论、实验教学和课程大项目设计等环节，学生在不断应用中掌握了抽象、零散的知识点，提高了个人的学习能力，锻炼了他们创新的思维能力。课前，学生带着和专业相关的任务去查阅资料，可以培养学生发现问题和解决问题的能力。在课堂上来阐述自己的学习成果，锻炼了学生的书面(PPT制作)表达能力和演讲能力。在和小组成员的交流和讨论中，和其它小组及教师的探讨中，可培养学生的团队协助能力、团队精神和沟通能力。

3 教学成果及挑战

在建构主义学习理论及翻转课堂的基础上，我们对“微机原理及应用”课程做了全面改革。修订了理论和实验的教学大纲，改进了教学方式，改革了考核方式。

学生对在平时成绩(占总成绩的10%)的基础上，降低期末考试成绩比例(占总成绩的40%)、提高实验成绩分值(占总成绩的20%)、增加课程大项目成绩(占总成绩的30%)的新的考核方式非常认可。学生能积极参与到教学的各个环节，在教学中逐渐形成了“比学赶帮超”的学习氛围。在创新创业教育背景下，学生不断优化课程大项目设计，去参加“挑战杯”、“互联网+”等创新创业项目。

在教学改革实践中，对全体师生都提出了全新的教学要求。

(1)在教师方面，教师由传统教学中的“主导者”变成了学生学习过程的“指导者”和“监督人”，他们在课前的教学项目设计、教学资料的准备、课程教学网络平台的建设、通过网络给学生答疑等工作上都需要投入大量的时间和精力。其次，对他们的学科知识架构水平和先进信息技术运用能力提出了更高的要求。教学项目设计要和专业紧密结合，有一定的实用性和可行性才能激发学生探究的兴趣。视频资料的制作要充分考虑在一定时间内保证知识的完整性。最后，课程学习内容很多通过课外自学来完成，教师如何监督学生的学习情况、课堂讨论如何组织、如何发挥学生学习的自主性等都考验着教师与学生的沟通能力和心理素养。

(2)在学生方面，学生由教学的“被动者”变成了知识建构的主动者，学习不再是混学分，而是主动地接受新的学习方式，积极地投入到教学的各个环节中。首先，学生需要在课前投入大量的时间查找资料、整理、讨论和总结，才能在课堂讨论上有所收获。这就需要学生有自我管理和约束的能力。第二，学生需要做好教学的各个环节，才能取得课程总评的好成绩。这就要求学生勇于接受挑战，具备良好的心理素质，具有一定的批判性和创造性思维。最后，学生需要有一定的合作精神和沟通能力，才能实现最终的知识建构。