翻轉(zhuǎn)課堂在《計算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐

王長寶　凌青華

摘要：《計算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)》是全面介紹微型計算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)、工作原理和應(yīng)用技術(shù)的工科非計算機(jī)專業(yè)的基礎(chǔ)課，是學(xué)生信息化素質(zhì)培養(yǎng)課程體系核心課程之一，旨在培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力。而實(shí)驗(yàn)教學(xué)卻主要是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，缺少獨(dú)立思考的過程，缺乏設(shè)計與應(yīng)用。本文試圖從翻轉(zhuǎn)課堂出發(fā)，探討一種適用于本課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)“以學(xué)生為中心”，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，通過實(shí)踐環(huán)節(jié)改進(jìn)，課后自主學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)的引導(dǎo)以及綜合性課程設(shè)計的安排，有效地提高本課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果和學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：翻轉(zhuǎn)課堂；《計算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)》；實(shí)踐能力；創(chuàng)新能力；自主學(xué)習(xí)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）17-0156-02

一、引言

《計算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)》課程是學(xué)生信息化素質(zhì)培養(yǎng)課程體系核心課程之一，實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為理論教學(xué)的輔助環(huán)節(jié)，重點(diǎn)要求學(xué)生通過相應(yīng)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)指令系統(tǒng)和匯編語言程序設(shè)計，并了解接口技術(shù)應(yīng)用的相關(guān)知識，加強(qiáng)學(xué)生計算機(jī)應(yīng)用能力，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動手能力和實(shí)驗(yàn)研究能力。而實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)運(yùn)行過程中，只是對理論教學(xué)內(nèi)容的解釋和驗(yàn)證，對于實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容、環(huán)節(jié)及結(jié)果，教師做出非常全面的指導(dǎo)，學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力等方面的培養(yǎng)效果甚微。翻轉(zhuǎn)課堂是近幾年教學(xué)模式的教學(xué)改革的重要方面之一，我們將翻轉(zhuǎn)課堂應(yīng)用到本課程的實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計的安排中，主要從三方面入手：首先將實(shí)驗(yàn)分為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計性實(shí)驗(yàn)兩部分，在學(xué)生自主學(xué)習(xí)，教師指導(dǎo)的基礎(chǔ)上完成課堂驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，然后對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行拓寬或延伸，完成設(shè)計性實(shí)驗(yàn)，循序漸進(jìn)地培養(yǎng)學(xué)生思考問題和動手操作的能力；其次，同于理論教學(xué)翻轉(zhuǎn)課堂的改革要求，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課內(nèi)課外時間配比同于理論教學(xué)的1∶2，即課內(nèi)1小時，課外2小時，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生課外通過模擬仿真軟件EMU8086和Proteus VSM for 8086等進(jìn)一步對課內(nèi)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行深化和拓展，調(diào)動學(xué)生的積極性，強(qiáng)化課堂實(shí)踐效果。

二、課內(nèi)開放實(shí)驗(yàn)

匯編語言程序設(shè)計是本課程的重要組成部分，也是學(xué)生認(rèn)識并理解微機(jī)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過采用DEBUG調(diào)試軟件，使用單步運(yùn)行等手段，使學(xué)生更易理解物理地址、邏輯地址、標(biāo)志寄存器、段寄存器及偏移地址等方面的內(nèi)容。將DEBUG軟件的功能和使用方法制作成微課，指令系統(tǒng)課程內(nèi)容結(jié)束后播放，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)對傳送指令、運(yùn)算指令、轉(zhuǎn)移控制指令等的驗(yàn)證，全面掌握指令的格式和功能。

硬件接口芯片的實(shí)驗(yàn)，本校實(shí)驗(yàn)室采用的是封裝好的教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器，學(xué)生在個人電腦上對接口芯片進(jìn)行編程，按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書給定的實(shí)驗(yàn)步驟在實(shí)驗(yàn)儀器上連線、調(diào)試、運(yùn)行并完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)踐中，我們將演示性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)計成微視頻，課前要求學(xué)生自主學(xué)習(xí)，并在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)微課的基礎(chǔ)上，修改實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生提前預(yù)習(xí)、思考和設(shè)計。隨后的實(shí)驗(yàn)課堂中要求學(xué)生完成相應(yīng)的設(shè)計、編程、連線與調(diào)試，教師在課堂中給予適當(dāng)指導(dǎo)。

1.驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。演示性或驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生以較高的效率盡快熟悉實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，了解常用接口芯片的功能和用法，熟悉匯編語言在接口芯片控制中的編程方式。因?yàn)橛嬎銠C(jī)是人類的設(shè)計成果，很多知識點(diǎn)無法理論驗(yàn)證和邏輯性理解，很多設(shè)計的結(jié)構(gòu)，包括完成輸入輸出操作的接口芯片，其引腳的定義、工作方式的設(shè)計與選擇等，學(xué)生較難理解，因此通過微視頻，按步驟完成進(jìn)行硬件連接和程序的編寫、裝載、調(diào)試，讓學(xué)生得到最直接的認(rèn)識。此類實(shí)驗(yàn)包括簡單I/O接口擴(kuò)展、基本輸入輸出實(shí)驗(yàn)等，從而讓學(xué)生深入理解計算機(jī)中的微處理器、存儲器、輸入輸出接口及設(shè)備，通過總線連接，完成程序控制與實(shí)現(xiàn)的底層工作原理。

2.設(shè)計性實(shí)驗(yàn)。設(shè)計性實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的深化，一方面可以在單個接口芯片模塊驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，更改設(shè)計要求；另一方面也可以組合多個單元接口模塊，擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。學(xué)生課前完成基本輸入輸出的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的微課視頻或者自己動手在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，在充分理解相應(yīng)工作原理的基礎(chǔ)上，要求學(xué)生實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流水燈的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求為：使其中八個數(shù)據(jù)燈，如（D7—D0）由左向右，每次僅亮一個燈，循環(huán)顯示；而另外八個數(shù)據(jù)燈D15—D8則反方向循環(huán)顯示。而在此要求下，對于端口的工作方式選擇以及輸入輸出的方向設(shè)計，需要學(xué)生在前一個實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，充分理解芯片的工作原理并完成實(shí)驗(yàn)的重新設(shè)計、編程與實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計性實(shí)驗(yàn)中，教師要充分給予學(xué)生機(jī)會，僅提供基本的設(shè)計思路的引導(dǎo)，不建議提供具體的連線設(shè)計與代碼，學(xué)生（或小組形式）獨(dú)立思考，獨(dú)立設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案、修改實(shí)驗(yàn)程序，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考能力、實(shí)踐動手能力和創(chuàng)新能力的目的。

三、課外自主實(shí)驗(yàn)

1.匯編語言部分。課內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较滤捎玫膶?shí)驗(yàn)手段是MASM匯編環(huán)境和Debug調(diào)試工具，Debug調(diào)試工具基于命令行，對于熟悉“所見即所得”操作環(huán)境的學(xué)生來說，掌握有點(diǎn)難度，學(xué)習(xí)效率也不高，為了強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)效果，在課內(nèi)微視頻介紹EMU8086調(diào)試工具的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生課外自主學(xué)習(xí)EMU8086工具。EMU8086工具集源代碼編輯器，匯編/反匯編工具以及Debug的模擬器于一身，直觀、生動、形象，學(xué)生可以實(shí)時直接查看指令的執(zhí)行過程，微處理器內(nèi)部寄存器的動態(tài)變化，并且可以查看每條指令反匯編后生成的機(jī)器碼和在內(nèi)存中的物理地址，從而學(xué)生對理論授課的關(guān)于微型計算機(jī)的組成與工作原理，微處理器的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)等知識點(diǎn)有了最直觀的理解。同時也可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣度與成就感，提高學(xué)習(xí)的主動性和探索知識的欲望。

2.可編程接口實(shí)驗(yàn)部分。由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺的限制，接口部分的實(shí)驗(yàn)大部分學(xué)生很難深度參與到實(shí)驗(yàn)的設(shè)計過程中，同時也不能利用課余時間隨時隨地拓展實(shí)驗(yàn)項目，Proteus VSM for 8086仿真模型可以較好地解決這個難題。Proteus仿真平臺是一個按指令和總線周期準(zhǔn)確仿真的因特爾8086處理器，通過一個總線驅(qū)動器和多路輸出選擇器連接到RAM、ROM和其他不同的接口芯片控制器，從而為計算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)課程接口部分的實(shí)驗(yàn)提供了有利條件?；赑roteus VSM for 8086平臺，學(xué)生可以選擇電路元件、設(shè)計電路、下載程序、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果等。若實(shí)驗(yàn)效果不理想，可以反復(fù)修改，不會因?yàn)槟硞€實(shí)際硬件芯片的損壞或者連線錯誤，而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果出錯；也不用擔(dān)心芯片引腳因?yàn)榉磸?fù)插拔而損壞；同時不會因?yàn)橄抡n而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過程半途而廢……學(xué)生具有充分的實(shí)驗(yàn)時間和選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)對象的自主性，進(jìn)一步提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣度和成就感。

四、綜合性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

在課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和課外自主實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，教師做一定的引導(dǎo)，學(xué)生分組完成一個較為復(fù)雜的綜合應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，作為后續(xù)計算機(jī)硬件課程設(shè)計的任務(wù)。這部分連續(xù)時間的課程設(shè)計既能培養(yǎng)學(xué)生綜合性應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計、連線與調(diào)試的能力，也能鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊合作能力。實(shí)驗(yàn)教師在做指導(dǎo)時首先對學(xué)生所選課題進(jìn)行把關(guān)，盡量保證課題的實(shí)用性和新穎性，從而適應(yīng)微型計算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展趨勢和實(shí)際工程應(yīng)用的需求，其次是對于系統(tǒng)的設(shè)計原則和方法，實(shí)驗(yàn)教師要給學(xué)生以充分的指導(dǎo)，通過相應(yīng)的參考資料和設(shè)計案例，使學(xué)生掌握計算機(jī)硬件工程技術(shù)的相關(guān)基礎(chǔ)知識。

五、結(jié)論

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展與全面普及，大學(xué)教育的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)模式與手段、教學(xué)過程與角色等都需要與時俱進(jìn)。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的引入，增加了學(xué)生對課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)的理解；同時學(xué)生作為學(xué)習(xí)過程的主題，主動積極參與到學(xué)習(xí)過程中，提高了學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)興趣，更重要的是實(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的全面提升。

參考文獻(xiàn)：

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