基于SPOC的《计算机组成原理》翻转课堂教学模式研究

杨磊 黄沛杰 吴理华 肖克辉 江晓庆

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2012-5640-1448

摘  要：为了提高《计算机组成原理》的教学效果，实现人才培养的目标，针对该课程传统教学中存在的问题，以建构主义学习理论为指导，通过设计基于SPOC的《计算机组成原理》翻转课堂新型教学模式，研发并集成多元化学习平台，精心制作教学资源，将线上和线下教学紧密结合。实践教学表明，该新型教学模式激发了学生的学习兴趣，提高了学生学习的积极性，并取得了很好的教学效果。

关键词：SPOC  翻转课堂  计算机组成原理  教学模式

中图分类号：TP301-1;G434           文献标识码：A                  文章编号：1674-098X（2021）03（c）-0208-05

Research on the Flipped Classroom Teaching Mode of "Principles of Computer System"Based on SPOC

YANG Lei1  HUANG Peijie1  WU Lihua1  XIAO Kehui1  JIANG Xiaoqing2

（1.Mathematics and Informatics College， South China Agricultural University，Guangzhou， Guangdong Province，510642 China; 2. Modern Educational Technology Center， South China Agricultural University， Guangzhou， Guangdong Province， 510642 China）

Abstract： In order to improve the teaching effect of "Principles of Computer System" and achieve the goal of talent training， In view of the main problems existing in the traditional teaching of this course， guided by constructivism learning theory， through the design of a new flipped classroom teaching mode of "Principles of Computer System" based on SPOC， the diversified learning platform is developed and integrated， and the teaching resources are elaborately produced， Online and offline teaching is closely combined.Practical teaching shows that this new teaching model not only improves students' learning enthusiasm and interest， but also achieves better teaching effect.

Key Words： SPOC; Flipped classroom; Principles of computer system; Teaching mode

1  引言

教育部《教育信息化2.0行動计划》提出：“以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，坚持信息技术与教育教学深度融合的核心理念，以信息化引领构建以学习者为中心的全新教育生态。”[1]。随着我国教育信息化的不断纵深，课堂教学模式和学生学习方式出现了新的特点，基于信息技术的教学模式改革在教学质量提升、优秀人才培养及教育强国建设等方面发挥着重要的作用。

本文设计了基于SPOC的《计算机组成原理》翻转课堂教学模式并进行教学实践，通过微课和微实验等SPOC学习资源的制作以及移动学习工具的研发，创设泛在学习环境激发学生学习兴趣和主动性，实现学生对所学知识的意义建构，解决了《计算机组成原理》传统教学模式存在的主要问题。

2  基于SPOC的翻转课堂教学模式

2013年加州大学福克斯教授提出了SPOC（Small Private Online Course），认为SPOC用于课堂教学能够增强教师的指导作用、学生掌握知识程度以及参与度，SPOC将授课、视频等要素融合，赋予学生深入学习体验提升自主学习的效果。翻转课堂（Flipping Classroom）起源于2007年美国的乔纳森·伯尔曼和亚伦·萨姆斯，翻转课堂中教师由知识拥有者演变为教学活动的指导者和促进者，学生知识的获取也由被动接受转变为主动参与。基于SPOC的翻转课堂得到许多学者的关注，卢锋等[2]对基于SPOC的翻转课堂实验教学进行了行动研究，实验效果表明，学生对实验教学的翻转课堂持肯定态度，对“教师”维度最满意;柳春艳等[3]对贫困地区的基础教育SPOC翻转课堂应用路径进行了研究;钟华美[4]从资源、平台、学校、教师和学生五个方面提出基于SPOC的翻转课堂教学模式的优化应用对策，以便更好地完善教学;丁永刚等[5]对基于SPOC的翻转课堂2.0教学模式进行了研究;郭牧[6]对基于蓝墨云班课的SPOC翻转教学效果进行了验证与评价。

借助于SPOC实现《计算机组成原理》课程的“翻转课堂”，构建基于“双主”型教学新模式并进行探索性教学实践，既保证学生作为学习对象的主体性，又发挥教师的主导作用，从而提高课程的教学质量，进一步优化教学效果。

3  基于SPOC的《计算机组成原理》翻转课堂教学模式设计

3.1 《计算机组成原理》教学存在的问题

笔者以华南农业大学《计算机组成原理》课程为例，通过问卷调查、访谈等方式了解目前该门课程的授课现状，发现该门课程的教学并没有达到预期的教学效果，当前主要存在以下几个方面的问题。

3.1.1 传统教学无法满足学生个性化学习的需要

该课程采用大班授课制，教师讲授为主，由于课程概念性、原理性知识较多，学生缺乏学习兴趣，很难满足其个性化学习的需求，使预期教学目标难以实现。

3.1.2 教学方法单一，师生间缺乏协作互动

该课程理论教学在课堂上使用多媒体PPT课件结合板书的方式进行教学，由于课程内容抽象，计算机部件原理复杂，学生很难将所学知识完全理解透彻，教师忙于教授学习内容，师生之间难以建立有效的协作互动。

3.1.3 理论课与实验课没有无缝融合

该课程理论课为48学时，实验课为16学时，理论与实验分开进行，实验课上学生根据实验教材按部就班完成实验操作，并没有完全理解计算机的工作原理。分析原因，一方面是因为学生对理论课学习的相关部件基本原理没有理解透彻;另一方面理论和实验脱节，没有好的教学策略激发学生探究实验的兴趣。

3.1.4 师生期望改变传统教学模式

课程组希望能够利用SPOC、微课、微实验及翻转课堂来提高教学效果;同时在华南农业大学计算机专业中选取了6个班级做问卷调查，发放问卷180份，收回有效问卷179份，其中针对“你是否愿意接受基于SPOC的翻转课堂新型教学模式”，有158位学生选择愿意，大概有88%的学生希望改变传统教学，赞成基于SPOC的翻转课堂作为新型教学模式。

3.2 基于SPOC的《计算机组成原理》翻转课堂教学模式设计

SPOC注重知识的建构与生成，制作丰富的教学资源并随时随地提供给学生，SPOC资源为翻转课堂提供了知识获取的强力保障;翻转课堂则可以让学生在课前利用教师精心制作的微视频学习新的概念和知识，课堂上通过自主探究、小组协作等方式完成知识的深度内化和应用。笔者以《计算机组成原理》这门课程为例，设计了基于SPOC的《计算机组成原理》翻转课堂教学模式，该教学模式分为课前、课中和课后阶段，其结构如图1所示。

3.2.1 课前

分为规划阶段、准备阶段和导学阶段。规划阶段包括：学习需要分析，多元化学习平台无缝集成;准备阶段包括：学习资源设计与制作，课程思政融入;课前导学阶段教师创设泛在學习环境指导帮助学生课前学习。

（1）学生学习需要分析：分析学生学习需要可以了解其当前的学习状况与期望达到的学习状况之间的差距，为教师制作学习内容、设计教学活动及进行教学评价等提供真实的依据。

（2）多元化学习平台无缝集成：《计算机组成原理》SPOC学习资源部署在在线教育综合平台上，平台能够及时收集学生学习过程遇到的问题，跟踪学生的学习轨迹，根据学习反馈分析学生对知识的掌握情况，以便有针对性进行课堂教学活动;设计开发了《计算机组成原理》的移动学习工具，具有知识点呈现、视频观看、移动答疑、作业考试及测试等功能模块，同时设计了弹幕功能，便于课前导学的生生互动，移动学习工具和管理后台无缝集成，能够最大限度地满足学生“泛在学习”的需要。

（3）学习资源设计与制作：根据《计算机组成原理》的教学大纲和课程标准要求，将课程知识点录制为微课，便于学生课前预习、课中学习、课后复习，考虑到学生的学习需要，知识点由简入难，循序渐进，以此强化学生的学习动机，并激发他们的学习兴趣。课程重点难点主要包括：运算方法和运算器、存储器容量的扩展、CACHE存储器的基本原理、指令及数据的寻址方式、CPU的工作原理、微程序控制器的工作原理、总线仲裁、磁盘存储设备的工作原理、程序中断等。笔者将SPOC微视频长度控制在10min左右，通过采用Screenbits、SnagIt、Premiere、Goldwave等软件制作而成，同时将抽象知识点设计为动画，微视频讲解主要的理论及概念，动画展示部件的工作原理。根据教学大纲的要求，《计算机组成原理》的实验内容主要包括：VHDL语言及TEC-CA平台、加法器实现、运算器ALU的VHDL的实现、存储器ROM和RAM的VHDL的实现、通用寄存器组的VHDL的实现、设计8位及16位CPU等，笔者制作了微实验视频及虚拟实验视频，便于同学们随时学习实验知识，分析实验原理，了解实验步骤，认真完成实验。

（4）课程思政的融入：坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人，努力开创我国高等教育事业发展新局面[7]。《计算机组成原理》课程中蕴含着丰富的思政育人资源，如在计算机系统的发展史知识点，融入思政内容，我国超级计算机发展迅速，2019年神威太湖之光排名世界第二;在CPU发展知识点，引入华为公司的发展案例，华为的麒麟5G技术已经领先世界，激发同学们的爱国热情。通过课程思政的融入，可以把同学们的“专业梦”和“中国梦”的理想信念有效结合，产生课程思政的协同育人效应。

（5）课前导学：设计导学大纲，课前提供给同学们，导学大纲以知识点为基础，标注知识点的先后关系以满足不同学生的学习需求，通过课前导学学生可以在已有知识的基础上，进一步学习新知识，同时在导学的过程中，学生也可以通过弹幕、留言、评论和点赞等方式与教师和其他学生进行交流互动，导学过程中遇见问题记录下来，以待课中与教师、同学交流互动解决。

3.2.2 课中

基于SPOC的《计算机组成原理》翻转课堂在课中主要体现在教学活动上，涵盖学生自主探索、协作探究，师生、生生之间互动交流，学习成果展示汇报、知识巩固与拓展提升等多个环节。

（1）学生自主探究、协作探究：教师可以根据学生的学习需要及教学内容特点，用心设计问题情境，为学生的独立探究和协作探究搭建情境舞台;学生可以根据自己的认知特点、能力、水平选择适合自己的学习路径，通过自主探究，学生更加专注于自身知识点的内化，通过协作探究，小组成员的智慧和思维就可被共享，共同完成对所学知识的意义建构。

（2）师生、生生互动交流：《计算机组成原理》课程教学“以学生为主体，以教师为主导”，除了传统的线下课堂中师生、生生交流互动外，还设计了基于SPOC平台的线上虚拟学习社区和移动学习工具，加入了“在线弹幕”“在线留言”“在線测试”等功能，同时还可以利用QQ、微信等移动教学终端，重构课堂教学互动新布局，教学互动的时空得以无限扩充。

（3）学习成果展示汇报：针对《计算机组成原理》理论课程中的案例和问题以及实验课程中的每个实验，采用小组协作的方式来完成，分组讨论相关问题，完成报告，并进行讨论成果的展示与汇报，该方法不仅可以提高学生独立思考的能力，还可以提升学生团队协作的能力，也能够进一步提升学生对有效信息获取的能力以及语言逻辑组织能力，增加学生成就感，进一步激发学习动机，完成知识的进一步内化过程。

（4）知识巩固与拓展提升：知识巩固是对所学知识的进一步加深，为后续学习做好知识准备，《计算机组成原理》理论课程每章最后都有一个知识巩固的模块，完成一个与本章难点重点相关的一个巩固案例;拓展提升则是一个更高级的内化学习，为学生提供深化学习的途径，如实验最后要求学生完成一个“16位CPU的设计，编码与调试运行”。通过该阶段学生可以将所学知识点融会贯通，并知道如何去应用所学知识去解决一个具体问题。

3.2.3 课后

主要完成学习效果的评价和创新性学习思维的培养。

（1）学习效果评价：设计形成性评价+总结性评价相配合的方式对学生学习进行考查，考核方式采取“30%+40%+30%”结构，泛在学习平台学习占比30%，包括《计算机组成原理》在线学习平台和移动学习工具的知识点学习档案记录等;课中学习情况占比40%，主要是线下课堂出勤、课上重点难点解析及小组汇报等综合表现;课后期终考试和拓展提升占比30%。形成性评价主要是对学生学习活动的考查，通过教师评价+学生自评+生生互评来完成;期终考试作为总结性评价的参考依据，可以给学生适当压力，有助于学生知识的准确深度内化。

（2）创新型学习思维培养：关注学生学习思维，培养学生的创新素养和创造性思维能力，可以培养符合“大众创业，万众创业”的社会背景的智慧型人才[8]。基于《计算机组成原理》课程的学习活动，进一步培养与课程相关的创客小组，使课程的学习由内化到创意到创造，进一步培养学生的创新型学习思维。

3.3 基于SPOC的《计算机组成原理》翻转课堂教学模式的效果

基于SPOC的《计算机组成原理》翻转课堂教学模式是线上线下混合教学的有效策略和方式，以学生为中心，学生是知识的主动建构者，是认知的主体，教师帮助和促进学生对知识的意义建构和内化。该新型教学模式较传统教学模式在教学效果上有进一步的优化和提升。

（1）学生主动探究的学习能力得到了提升。教师精心设计并制作符合不同学生个性化学习需要的各种教学资源，能够满足学生的自主学习和探索的需要，促进学生自主探究学习能力的形成与提升。

（2）交流协作进一步加强，综合能力得到了全面锻炼。师生、生生之间多维互动的课堂形式，不仅增进了小组团队合作精神，而且培养了学生语言表达、沟通交流、组织协调及问题解决的综合能力。

（3）提供“泛在学习”环境，激发了学生学习兴趣。不少同学反馈说，新型教学模式提供了“泛在”情境，让他们能够更灵活地学习知识，在任何时间、任何地点使用智能终端设备来进行学习，尤其是利用碎片化时间，而且基于知识点的微课、微视频、微实验及动画，将抽象变具体，从一定程度上激发了学生的学习兴趣，能够在不知不觉中学到了很多知识。

（4）学生成绩稳步提升，针对学生《计算机组成原理》课程的课前、课中和课后的多元评价方法，同学们的平均成绩和优秀率有大幅度上升，不及格率有明显的下降。与课程相关的创新创业项目的申报率和命中率也得到了提升。

4  结语

本文以SPOC和翻转课堂为教学工具，以《计算机组成原理》这门课程为研究对象，通过微课和微实验等SPOC学习资源的制作以及移动学习工具的研发，设计了基于SPOC的《计算机组成原理》翻转课堂新型教学模式并进行探索性教学实践，较好地解决了传统教学存在的问题，接下来通过持续的教学实践和反馈评价，不断完善基于SPOC的《计算机组成原理》翻转课堂教学模式，以期进一步优化教学效果，实现新时代创新性人才培养的目标，以此促进我国高校创新教学模式的改革与教育教学质量的提升。

参考文献

[1] 教育部（2018）.教育信息化2.0行动计划[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/ s3342/ 201804/t20180425_334188.html.

[2] 卢锋，马荣炜.基于SPOC的“电视作品编导与制作”翻转课堂实验教学行动研究[J].中国电化教育，2018（4）：111-118.

[3] 柳春艳，傅钢善.基础教育SPOC式翻转课堂应用路径在贫困地区的实践研究[J].电化教育研究， 2018 （6）：107-113.

[4] 钟华美.基于SPOC的翻转课堂教学模侯及在旅游管理专业的应用研究[D].大连：辽宁师范大学，2020.

[5] 丁永刚，金梦甜，张馨，等.基于SPOC的翻转课堂2.0教学模式设计与实施路径[J].中国电化教育，2017 （6）：95-101.

[6] 郭牧.基于蓝墨云班课的SPOC翻转课堂教学设计与实践[D].保定：河北师范大学，2019.

[7] 吴晶，胡浩.习近平在全国高校思想政治工作会议上强调把思想政治工作贯穿教育教学全过程开创我国高等教育事业发展新局面[J].中国高等教育，2016（20）：5-7.

[8] 祝智庭，雷云鹤.翻转课堂2.0：走向创造驱动的智慧学习[J].电化教育研究， 2016，37（3）：5-12.