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

凌青华，韩　飞，王长宝

(1.江苏科技大学　计算机科学与工程学院，江苏　镇江　212003；2.江苏大学　计算机科学与通信工程学院，江苏　镇江　212013)



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

凌青华1，韩飞2，王长宝1

(1.江苏科技大学计算机科学与工程学院，江苏镇江212003；2.江苏大学计算机科学与通信工程学院，江苏镇江212013)

“计算机硬件技术基础”是工科非计算机专业开设的计算机硬件类的专业基础课，知识点多，难理解，课时有限，需要有效的教学方法和教学模式，解决目前教学实践中存在的学生兴趣不高、教学效果不太理想等主要问题。本文试图从翻转课堂出发，探讨一种适用于本课程的教学模式，实现“以学生为中心”，培养学生学习的主动性，在课后完成规定知识的学习，而课堂变成了老师学生之间和学生与学生之间互动的场所，从而有效地提高本课程的教学效果和学生的自主学习能力和创新能力。

翻转课堂；计算机硬件技术；教学模式

一、引言

高等教育的教学目的是潜移默化地培养学生的创新能力、探索研究能力、自主学习能力，而合理、有效的教学模式则无疑是实现这一目标的重要环节。在教学内容上，我国与发达国家的差距并不明显，差距主要体现在教学模式上。因此，探索适用于我国高等教育现状的课程教学模式，如何提高学生的自主学习、科研创新的能力，值得高校教师深入研究。

《计算机硬件技术基础》课程是普通高等学校理工科专业的一门重要的计算机技术基础课程，也是理工科非计算机专业学生学习和掌握计算机硬件基础知识、汇编语言程序设计及常用接口技术的主要课程[1]。本课程的任务是使学生从理论和实践上掌握数字电子技术与逻辑设计的基本理论，现代微机的基本组成、工作原理及典型接口技术，建立微机系统的整体概念，对基本的微机硬件接口电路进行分析与设计，使学生具有运用现代微机技术进行软、硬件开发的初步能力。

二、计算机硬件技术课程的挑战

在《计算机硬件技术基础》课程的教学实践中，主要挑战表现在以下几个方面[2-4]：

1. 课程内容知识点杂碎、难理解，课时少

课程涉及的知识和内容较多，包括数字逻辑的基础知识，微处理器的基本原理，汇编语言程序设计，总线的原理，存储器基本原理，常用接口的基本原理与应用等。学生既要掌握原理，又要学会一定的应用能力。从学生学习过程的情况反应来看，普遍感觉入门较慢，课程内容杂碎、抽象。同时，本课程介绍的是由人发明的一个装置，装置最初也是由人设计的，而且这个原理也是没有证明的，难以理解。学生若问为什么，老师的回答可能就是：“没有什么为什么，就是这样设计的！”并且，随着计算机技术的飞速发展，课程涵盖的知识点和技术要点越来越多，而教学计划的课程学时却不增反减。所以不更新教学理念和教学模式，根本无法完成教学内容和教学任务。

2.难以保证内容先进性与教学适用性的统一

“计算机硬件技术基础”课程已在国内理工科高校开设多年，但至今存在一个尖锐的问题未能得到很好的解决，即计算机技术发展日新月异，新的机种和硬件软件层出不穷，教师如何摆脱课堂教学被动地跟着“新技术”跑的局面，如何面对学生“我在用酷睿，你为什么还给我讲8086/8088”的疑虑? 计算机硬件这门基础课程究竟应如何适应计算机技术的飞速发展? 如何做到内容先进性与教学适用性的统一？

3.验证性实验达不到学生应用设计能力培养的目标

在硬件接口芯片的实验上，实验室一般都是采用厂家生产并且封装好的微机原理教学实验装置，学生在PC机上对芯片进行编程，按照实验步骤在实验装置上连线，完成实验。演示性实验、验证性实验锻炼不了学生的动手能力，印象也不深；设计性实验对于二类院校大部分学生又不易完成。

“计算机硬件技术基础”是一门实验性、实践性、操作性都非常强的学科，需要一种“以学生为中心”的教学方法和教学模式，而传统的“以教师为中心”的教学模式显然难以满足要求。本文试图从翻转课堂出发，探讨一种适合非计算机专业“计算机硬件技术基础”课程的教学模式，实现“以学生为中心”，培养学生的综合能力，解决教学中的主要问题。

三、翻转课堂教学模式

传统的教学模式是老师在课堂上讲课，布置家庭作业，让学生回家练习。与传统的课堂教学模式不同，在翻转课堂式教学模式下，学生在课外完成知识的学习，而课堂变成了老师学生之间和学生与学生之间互动的场所，包括答疑解惑、知识的运用等，从而达到更好的教育效果[5]。

翻转课堂，顾名思义就是将这一过程翻转过来，由学生在课外借助网络进行视频学习，而将课堂转变为讨论、练习和答疑解惑的场所。翻转课堂的主要特征有以下几方面：

1.教师由知识的传授者变成学习的促进者和指导者。学生自主完成知识的学习，在需要的时候由教师提供帮助和指导，即课堂学习的中心由教师转换为学生。同时，学生由被动接受转换为主动学习。利用教学视频，学生能根据自身情况安排和控制自己的学习。由于视频可以反复多次观看，学生在学习中可以不必因担心遗漏或跟不上节奏而精神紧张，完全由自己掌握学习节奏，对不懂的问题可以通过课堂讨论、网上答疑甚至聊天软件等多种方式寻求解决。

利用网络的各种资源辅助教学，时间灵活，内容针对性强，有效克服了全部集中课堂学习方式学习效果差，学生理解困难，入门困难的问题。

2.课堂的主角由单一的教师转换为师生。在传统课堂上，基本是由教师一个人“唱独角戏”，与学生的互动只是一个辅助环节，但在翻转课堂上，更多的时间和机会将留给学生，由学生主持讨论、交流、提问等，而教师则主要扮演推进的作用。

学生角色的转变，使得学生对枯燥的知识更加感兴趣，主动探索因课程学时的限制，课堂集中教学无法涉及的诸多计算机硬件领域的“新技术”。

互联网的普及和计算机技术在教育领域的应用，使翻转课堂教学模式变得可行和现实。学生可以通过互联网去使用优质的教育资源，不再单纯地依赖授课老师去获取知识。而课堂和老师的角色则发生了变化。老师更多的责任是去理解学生的问题和引导学生去运用知识[2]。

四、翻转课堂模式下的课程教学安排

计算机硬件技术的很多内容，纯粹靠学生自主学习很难掌握，所以需要采用传统教学和翻转课堂结合的混合教学模式，对教学内容精心设计才可以充分发挥翻转课堂优势的同时，完成课程的教学目标。

江苏科技大学计算机硬件技术课程，是面向物联网工程等专业开设的，计划学时72学时，其中课堂讲授56学时，实验16学时。课程选择的是清华大学出版社，李继灿编著的《计算机硬件技术基础》(第三版)。为了能在传统课堂教学的基础上，增加课下在线学习，课堂自主讨论，网络互动交流等环节，同时又不改变总体教学计划，需要对教学内容按主题规划，并重新组织和设计，如确定哪些内容作为课堂讲授，哪些用于课下学习、课堂练习的内容和讨论主题等，具体安排如下表所示。

视频学习内容的选择原则是各章节的重点知识，以及老师在课堂上系统讲授一遍学生仍然较难理解的难点知识，包括计算机运算基础中有符号数的原码、反码、补码的表示；数字逻辑中逻辑函数的表示方法以及组合逻辑电路的分析与设计；8086操作数的寻址方式以及常见指令的应用；汇编语言程序设计等。考虑到视频线下学习的可行性，视频时间过长学生容易半途而废，借鉴微课视频学习的经验，一般视频录制都是一个固定的主题并控制在0.5学时，即20-25分钟左右，少部分内容包括组合逻辑电路的分析与设计，不同程序结构的汇编语言程序设计等，因为内容较多，逻辑性也较强，学生的兴趣度较高，视频时间为1学时，即45分钟左右。本课程的学习视频根据章节内容，总共安排10次。

根据课程内容以及多届学生的反馈，将课程内容按章节划分，重点章节安排课堂讨论，讨论主题由任课老师提前发布，学生自己主持。主题选择的原则为：①计算机硬件领域最新发展技术，包括最新的微处理器，存储介质的发展等；②课程教学中的重点和难点，包括内存物理地址、逻辑地址、段地址、偏移地址的概念等；③对学生未来的专业学习和研究有较大意义的概念，包括接口芯片的综合设计等。本课程中，总共安排主题讨论4次，班级分成4组，课堂安排3.5学时。

由于计算机硬件技术课程内容的特殊性，内容多而散碎，超过50%翻转比例，其教学效果将会很差。下表中，集中授课时间我们设置为40学时，视频学习时间8.5学时，主题讨论时间为3.5学时，习题讨论课时间为4学时，翻转课堂的时间比率约为26.8%。

表　翻转课堂模式下课程教学安排

集中授课时间我们要求学生课外1∶1复习，即40学时的课堂时间，学生课外需要安排40学时的复习和作业时间。视频学习时间我们要求学生1∶2进行消化巩固，即每个视频原则上学生课堂上学习一遍，课外分别消化学习一遍，巩固学习一遍，8.5学时的视频时间，学生课外需要安排17学时的时间。主题讨论需要学生课外花较多时间查阅文献，并需要总结、组织和展示，要求小组内每个同学课内课外时间比按照1∶3安排时间，即课内3.5学时的主题讨论，课外需要10.5学时的准备工作。4学时的课堂习题讨论课仅在重点章节进行了安排，8学时的在线论坛是课外和学生互动答疑的平台。另外考虑学习的客观规律，要求学生每次课前准备10分钟左右预习时间，56学时，每两学时一次课，28次课大约需要6.5学时的时间。所以56学时的课堂时间，学生课外需要安排的总时间大约为82学时，课内课外时间比例约为1∶1.5。这样的课内课外时间比既符合了学习的客观规律，在占用学生的课外时间方面，也在学生的接受范围内。

视频内容的消化巩固提高了学生复习的有效性，在线论坛的讨论提高了学生完成作业的积极性，尽可能降低学生因为作业不会做而放弃或抄袭作业的概率，小组选定主题集体准备的过程中，既增强了学生对相关知识的理解，同时提供学生彼此团结合作的平台，也提供给部分学生展示的机会。上表的时间安排，我们力争将学习的效果尽可能做到了最优化。

五、翻转课堂模式下的课程教学实施

课程内容知识点杂碎、难理解，对于包括CPU内部结构，指令的执行流程，对存储在内存中的指令和数据的读写等比较抽象的知识点，录制微视频来加深学生的理解。同时视频可以反复播放，课后学生复习时，理解消化书本知识的基础上，重复观看视频，有效解决了学生感觉入门困难，内容抽象的问题。另一方面，因为视频都是经过精心制作和后期处理的，解释到位的同时，言简意赅，避免老师课堂上重复某些内容，有效提高了课堂效率。

对于学生“现在都8核64位了，学1978年的单核16位intel8086有什么用？”的抱怨，虽然可以解释为现在计算机都能完成万亿位的计算了，我们学数学还是得从1+1学起；而且学8086不是为了开发大型CPU，而是为了使用微型CPU来设计微型智能系统；同时8核64bit的编程语言，编程方法，编程思路，其数字电子物理结构等都是相通的，一口吃不成胖子，要想学更先进、更深奥的，就得从最基本的学起。但是如何做到内容先进性与教学适用性的统一始终是本课程的挑战。而在翻转课堂模式下，通过设置主题，诸如“微机硬件技术的发展特点”，“微处理器的发展与新技术”等，通过学生课前自行查阅最新的计算机硬件技术的前沿技术和最新发展概况，准备演示PPT；通过学生自荐方式确定主持人，由主持人主持整个讨论，教师作为参与者，对部分核心问题与学生一起进行探讨并做最后的总结。充分发挥学生的主导地位，从而使学生对相关内容有了较为深入的理解。

对于实验，计算机硬件技术课程的实验主要分为两大部分：简单汇编语言程序设计以及接口实验。简单的程序设计实验中，通过采用可视化软件DEBUG，使用单步运行等调试手段，使学生更易理解标志位、内存地址、内存数据、寄存器数据等方面的内容。对于可视化软件DEBUG的功能和使用，讲解指令系统时通过视频演示给学生，学生通过上机对指令的验证，可以加深对指令格式和指令功能的学习与理解[6]。

而硬件接口芯片的实验，江苏科技大学实验室采用的是厂家生产并且封装好的教学实验装置，学生在PC机上对芯片进行编程，按照实验步骤在实验装置上连线，完成实验。实验侧重于演示和验证，而演示性的实验和验证性的实验往往并不能锻炼学生的动手能力，也不能深刻理解实验原理；而若是安排为设计性实验，对于二类院校大部分学生不易完成。实践中，一般采用视频教学完成一个演示性实验或者让学生先做一个验证性实验，然后修改实验要求做一个内容与前面演示性实验或验证性实验相似的设计性实验。例如， 8255可编程并行接口实验：学生先做基本输入输出的验证性实验，使8255的A口为输出，B口为输入，利用教学实验装置自带的开关控制发光二极管，完成拨动开关到数据灯的数据传输。学生验证完成后，则提高要求：要求学生实现数据流水灯的实验，即使得8255的A口和B口均为输出，数据灯D7-D0由左向右，每次仅亮一个灯，循环显示；而数据灯D15-D8则由右向左循环显示。这样，学生可以参考已做的验证性实验，修改接线和程序来完成后面的设计性实验，通过学生思考问题、动手解决问题，从而既锻炼了学生汇编程序的设计能力，又提高了接口的综合应用能力。

六、结论

应试教育使得我们的学生习惯于“接受”知识，对课堂上教师的讲授并不通过自己的思考而盲目接受，以至于最后对知识的理解非常肤浅。同时计算机硬件技术的课程由于概念多，涉及知识面广，教学内容形式松散，传统教学模式使学生很难理解透彻，学生普遍存在理论与实践脱节现象，不少学生修完课程，拿到高分，但对于计算机硬件技术的理论知识认识并不深刻，在实际应用中不能学以致用。

翻转课堂教学模式的引入，一是增加了学生对核心知识点的关注度和理解；二是让学生作为主动参与者，提高了学生对课程的学习兴趣，更重要的是使得学生通过一定的课下学习和研究环节，增强了对问题的自主探索能力、独立设计能力和研究能力。最后，学生作为讨论的主持者，也部分锻炼了组织、协调能力和团队合作精神。

当然在主题设置、视频录制方面必须关注学生的兴趣度，同时线下学习和主题准备应考虑不能占用学生过多的业余时间。连续两年的实际教学实践证明，在计算机硬件技术课程学习中适当引入翻转课堂教学模式不仅可行，而且教学效果有明显改进，学生的学习兴趣明显提高，期末考核的优良率由15%稳步提升到40%。课程结束后在大三参加全国计算机等级考试(三级偏硬)的人数由5%明显增加至20%左右，而且一次性通过率达到60%左右。

(责任编辑：梁京章)

[1]樊友洪，邓韧，张敏. 非计算机专业“计算机硬件技术基础”课程教学实践探索[J]. 高教论坛，2009(2):75-77.

[2]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.

[3]何乐生，余鹏飞. 以“微机原理”为核心的嵌入式课程体系建设[J]. 高教论坛，2015(12)：61-64.

[4]张雪征. 微机原理与接口技术课程教学方法探讨[J]. 高等教育研究，2011(3):37-38.

[5]蒋翀，费洪晓. 面向MOOC的新型教学模式探索[J]. 计算机教育，2014(9): 17-20.

[6]金微. 微机原理与接口技术实验教学方法探讨[J]. 无线互联科技，2012(9):165-166.

The Preliminary Study on Flipped Classroom Applied in Computer Hardware Technology Fundamentals Course

LING Qing-hua1，HAN Fei2，WANG Chang-bao1

(1. School of Computer Science and Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang，212003;2. School of Computer Science and Communication Engineering,Jiangsu University，Zhenjiang，212013)

"Computer hardware technology fundamentals" is a specialized basic course which is set up in non computer major in engineering. Because this course has lots of knowledge points and limited class time，and is difficult to understand，students are not interesting in it and learning effect is not ideal. So efficient teaching methods and modes are needed in computer hardware technology fundamentals course. We tried to discuss a new teaching mode from flipped classroom which takes the students as the learning center and cultivates the students' learning initiative. And we tried to turn the flipped classroom to an interactive place of the teacher and students which improved significantly the teaching effect as well as the students' autonomous learning ability and innovative ability.

flipped classroom；computer hardware technology fundamentals；teaching mode

G642

A

1671-9719(2016)8-0062-04

凌青华(1979-)，女，江苏镇江人，讲师，研究方向为智能信息处理。

2016-04-26

2016-05-27