计算机组成原理翻转课堂的混合教育模式研究与实践

蔡静

摘 要：针对传统教学模式下计算机组成原理课程存在的教学模式过于单一、教学视野过于狭窄、学生学习兴趣缺失等问题，研究翻转课堂的线上线下混合教学模式；依托多元化学习平台，探索并实践“线上+线下”有机结合、“课内+课外”深度互补、“理论+实践”紧密联系的解决之道；教学实践表明，该模式有助于告别传统满堂灌、强化课程内容有机衔接、建立整体知识框架、激发学生学习主动性。

关键词：翻转课堂；混合教学模式；计算机组成原理

中图分类号：TB     文献标识码：A      doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.23.087

0 引言

计算机组成原理的课程重要性毋庸置疑，因为它既是计算机科学与技术专业的专业基础必修课，对后续课程的学习影响深远，又是计算机专业研究生入学考试的课程之一，对后续研究工作的顺利开展奠定基础。然而，计算机组成原理课程教学中存在若干制约因素：

（1）教学模式过于单一。传统线下课堂教学组织往往具有满堂灌输、单向传授、教师主动等特征，使得学习流程无法实现闭环迭代、学习效果无法及时反馈，最终导致教学效果欠理想。

（2）教学视野过于狭窄。教师对于课程的延展性理解不够，对后续课程缺乏深刻理解或者仅限于完成本门课程的教学任务，未能将本课程与其它课程之间的内容有机衔接，使得学生难以真正意义上理解计算机组成原理的诸多抽象概念，无法逐步形成系统大局观。

（3）学生学习兴趣缺失。课堂上大学生多是机不离手的“低头族”，与新奇刺激的短视频相比，课程内容过于枯燥抽象，使得学生们的课堂学习内容不连贯，再加上课后缺乏对所学知识的及时回顾或深度思考，只满足于期末考核应付过关，最终无法构建完备的课程知识体系，课程教学目标自然无法达成。

随着新一代信息技术的快速迭代和迅猛发展，数字化、信息化、智能化手段的全过程介入使得课堂教学实现颠覆性创新。无论是教学环境、教学资源，还是学习模式、课程评价，均已发生深刻的变革。教师传播知识的途径也从单一的课堂填鸭式教育，到线上线下传播模式混合；信息过载使得教师的教学视野越来越宽阔，不再拘泥于本课程的一亩三分地。基于这种环境，借助于信息技术的闭环赋能进行课堂翻转，为提高学生学习兴趣、达成课程教学目标等提供了可能。基于上述认知，本研究立足于计算机组成原理的一线教学实践，以线上线下混合教学模式取代“填鸭式”单向传输式教学模式；从整体知识的建构角度出发，注重本课程与其它课程内容之间的有机衔接；以提升学生内驱力为目标，激发并培植学生的学习兴趣。通过本课程的教学研究和实践，不仅有利于促进学生对计算机组成原理的基本原理的理解和掌握，提升课程整体教学效果，还有利于以强化理性思维、提升综合能力为抓手培养学生跨学科学习意识和建立整体知识框架，更有利于教学相长提升师资力量，加快民办高校一流课程的建设步伐。

1 混合教学模式設计

教学模式是在教与学理论指导下，利用学习环境、学习资源和学习工具，确定教与学活动中各个要素之间的稳定关系，设计教与学活动开展的进程，最终形成稳定的教学活动程序或者构型。基于混合教学模式的基本思想，本研究教学基础环境为SPOC+腾讯会议+QQ群+课堂+实验室，采用“线上+线下”有机结合、“课内+课外”深度互补、“理论+实践”紧密联系的教学模式：“线上”以SPOC为依托助力学生完成自主学习，积极拓展与其他课程的内在联系，侧重于“理论”知识的“宽基础”，重点考核学生自主学习能力；“线下”以课堂为场景实现师生协同探究和良性互动，侧重于“实践”技能的“活运用”，重点关注学生动手实操能力。课前，通过发布自制教学视频或者利用网络视频、学习资料等线上资源，教师引导学生课前预习、自主学习，在此基础上进行问题凝练，并针对性地完成课堂教学设计；课中，通过面对面交流进行问题解答、理论探究与实践指导，帮助学生实现知识内化、构建整体知识体系；课后，紧盯复习测验结果、跟踪学生学习动态、收集整理学生学习反馈结果，结合不同教学内容和不同授课对象完成课程反思，具体的混合教学模式的总体框图如图1所示。

2 计算机组成原理课程教学实践

笔者在实际的教学过程中，在计算机组成原理课程内部展开混合式教学的实践研究，并与其他课程微机接口技术、操作系统等课程深度互补，SPOC、腾讯会议和QQ作为翻转课堂教学的线上载体，理论课与实践课紧密联系。混合式教学理念的灵活实践，使得计算机组成原理中知识点从枯燥、晦涩、抽象变得形象、直观、具体，易于学生接受；翻转课堂的落地实施，使得课堂中师生之间、学生之间的协同探究富有针对性，沟通交流更加直接高效，有利于以强化理性思维、提升综合能力为抓手培养学生跨学科学习意识和建立整体知识框架。

2.1 “线上+线下”有机结合

计算机组成原理作为一门计算机硬件基础课程，介绍了计算机单处理机系统的基本结构、组成和工作原理，侧重阐述处理器、存储器、地址空间、指令系统、程序控制、指令周期、寄存器、I/O 系统、外围设备等计算机硬件基础知识，在先导课程和后续课程之间起着承上启下的作用。在设计教学任务时，切忌用割裂的、机械的观点看待每个模块，而应把握章节内容独立性和课程知识整体性之间的平衡。

依托线上平台构建学习资料时，学习引导单是课前自主学习材料中必不可少的内容，让学生主动学习、独自探究课程各知识模块提供一条可行路径；设计学习引导单的关键在于，根据教学任务、学习进度、学生特点，为不同程度的学生“量身打造”一份合适的学习引导单，对于培养学生的课程大局观至关重要。例如准备讲述计算机组成原理中的中央处理器内容，课前先给学生提供一份8086微处理器的组成及其结构图和相关视频预习。

“线下”在课堂上讲述计算机组成原理中的中央处理器的组成内容时候，通过师生互动式学习的方式，强化和加深CPU内部各寄存器的概念及其作用等，要求学生在课后画出该模块的知识结构图即CPU的基本组成图，讲解一条指令的存取操作并录制视频，使得学生不仅掌握了计算机组成原理的CPU模块知识，也加强两门课程之间的联系。从而真正站在学生角度，以学生发展为中心，构建学生的知识体系，而不仅仅站在老师单独讲授一门课程的角度。从学生的讲述中，可以窥探学生的逻辑思路和表述能力，老师思考在下次线上课堂如何因材施教。

2.2 “课内+课外”深度互补

“课内”不仅要加强计算机组成原理课程模块间的整体结合性，“课外”还要与其他课程比如数字逻辑、微机原理及接口技术、操作系统等课程的关联性，强调课程以及课程体系全局观。比如计算机组成原理到操作系统的课程学习是从计算机硬件资源学习到如何进行系统资源管理的学习，不但是跃进式的课程内容跨越，而且是学生一次跳跃式思维的跨越。这种从硬件资源过渡到对硬件资源的软件管理思维是一次硬件到软件的大跨越思维活动，而操作系统恰好实现了对计算机资源的抽象，包括计算机硬件资源，因此这两门课程之间存在一种基于计算思维的内在关系。

通过“线上”SPOC平台让学生提前预习和了解操作系统这门课程的具体内容，先有一个感性认识，尤其与计算机组成原理知识重叠性高的部分，比如操作系统的处理器管理功能、外设管理功能、存储器管理功能，虚拟存储器管理等内容，绘制课程间的联系，如图2所示，激发学生认真学习计算机组成原理课程的兴趣，也为后续操作系统课程打下坚实的理论基础。

2.3 “理论+实践”紧密联系

在“线下”的“理论”课堂教学中老师不能完全介绍书本上的纯理论，不强调死记硬背，而是给出学生自我发挥的空间。此外，时刻注意强调“理论+实践”的紧密联系，鼓励学生将所学理论用于实践之中，建立理论与实践之间的桥梁，让课本的知识不再空洞，以“学有所用”激发其学习兴趣。

比如在讲解存储器这个模块前，“线上”在SPOC中以通知的形式把理论知识的自学视频和实验操作视频下发给同学们自主学习，设置了一些自学测验题目了解学生预习的程度，以帮助教师设计“实践”课堂。“线下”“实践”课堂中采取任务式、讨论式，鼓励学生主动发言，同学们都可以畅所欲言。比如有同学对存储器写入数据和读取数据这两个问题的想法有出入，因此我们交给学生去讨论，各抒己见。通过讨论式教学，学生可互相激励、探讨问题，增加了学生的参与度，使其全身心地投入到学习中去，充分调动了学生的学习热情，开发了其自身的潜能，提高了教学效率。最后通过“实践”的实验示例存储器与总线结合，如从地址23H开始的存储器单元写入10个数。首先设置写模式，然后设置存储器地址，通过地址总线传输存储器地址，再向存储器写入数据，即数据通过数据总线传输后写入上步存储器的地址中，再连续写入10个数字，最后再从23H连续读出10个数字。通过这个示例讲解和总结，使得学生清楚各章节之间的联系，从而构建课程的整体框架知识。

3 教学效果

2020年2～6月，在新冠肺炎疫情期间通过SPOC“线上学习-直播答疑”融合授課教学初探，同时直播课程通过腾讯会议进行，教学效果较好，深受2018级计科专业的学生们的好评。2022年2月-至今在“超星”平台试行“线上课前预习-课堂讨论”和线下传统课堂的融合授课模式教学，教师提前发出问题，学生通过线上资源预习，由老师课堂以“引导+重难点点拨”模式为主，以学生为中心，老师为主体的翻转式混合式教学。经过几个学期的实践，通过成绩分析、问卷调查、师生座谈等方式，对教学效果进行了整体分析，如图3和图4所示。课程成绩的显著提高，能最为直观地体现教学质量的改革，如表1所示。在引导学生在掌握计算机组成原理课程的知识点，引导学生了解其他后续课程学习，促进学生自主思维和创新能力提高。同时，翻转课堂教学方法对老师也提出了更高的要求，在教学内容设计、教学方法研究等各个方面的能力也得到了提升。

4 结语

以“线上+线下”有机结合、“课内+课外”深度互补、“理论+实践”紧密联系的教学模式，破解教学实践中教学模式过于单一、教学视野过于狭窄、学生学习兴趣缺失等现实问题，告别传统满堂灌，探索实践混合教学模式；注重课程之间有机衔接，培养学生大局观，从根本上提升其学习素养；激发学生学习主动性，网络平台和在线交流工具使其学习方式富于多样化，动态测评方式使其考核极具针对性。学生课前通过学习线上教学视频，完成知识点预习。线下授课过程仍然以学习者为中心，强化学生学习体验。以剖析式、引导式强化线上学习内容、注重解决问题的方法和思维的引导，加强学生进一步掌握知识、提高技能。

基于翻转课堂的混合教学模式也是顺应了时代的需求，这些灵活多样的教学手段能够大大提高学生的学习兴趣，调动学生的积极性，提升教学质量，达到更好的教学效果。从课程改革角度看，本课程改革的教学模式和具体实施方案，其经验适用于其他课程的改革；从学生就业角度看，课程内容以社会具体需求为牵引，有利于提高学生的就业竞争能力；从人才培养模式看，本项目有利于形成民办高校特色课程，实现民办高校创新型人才培养的新途径。

参考文献

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[2]陈樾，顾晖，梁惺彦.基于SPOC的混合教学模式研究与实践——以计算机组成原理课程为例[J].计算机教育，2021（4）：2427，31.

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[5]陈思裕，李雪杨，李劲廷.设计软件类课程线上线下混合教学模式探讨[J].教育教学论坛，2022（47）：169172.