“FPGA”課程中爭論式教學(xué)的研究和實踐

朱贇

摘? ?要：翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法是在信息技術(shù)的支持下讓學(xué)生在課外學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識、課堂中教師在以學(xué)生為中心的教學(xué)活動中引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)高階思維的認(rèn)知過程。FPGA的廣泛運(yùn)用使“FPGA”課程的重要性日益凸顯。這門課程要求學(xué)生在FPGA器件上進(jìn)行應(yīng)用和開發(fā)，既需要理論基礎(chǔ)，又需要實踐能力。文章分析了翻轉(zhuǎn)課堂的目標(biāo)以及理想的話語環(huán)境，敘述了筆者在“FPGA”課堂上的實踐，說明有效的知識加工方式能促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)和實踐的深入進(jìn)行。利用師生互動性話題、開放性話題，推動反省性思維、創(chuàng)造性思維和批判性思維的拓展，使學(xué)生負(fù)責(zé)任地學(xué)習(xí)、主動地學(xué)習(xí)，走上自主發(fā)展之路。

關(guān)鍵詞：翻轉(zhuǎn)課堂;高階思維;“FPGA”

現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，成為現(xiàn)代電子工程師需要掌握的重要器件之一，很多院校都在加強(qiáng)“FPGA”課程的建設(shè)[1]。這門課程要求學(xué)生在FPGA器件上進(jìn)行應(yīng)用和開發(fā)，既需要理論基礎(chǔ)，又需要實踐能力[2]。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法是在信息技術(shù)的支持下讓學(xué)生在課外學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識、課堂中教師在以學(xué)生為中心的教學(xué)活動中引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)高階思維的認(rèn)知過程。學(xué)習(xí)科學(xué)是在真實情景下探究學(xué)生學(xué)習(xí)的過程，并以此為依據(jù)設(shè)計學(xué)習(xí)環(huán)境，促進(jìn)有效的學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生培養(yǎng)高階能力，是推動教育深層變革中研究和實踐相統(tǒng)一的跨學(xué)科領(lǐng)域[3]。本文旨在探究翻轉(zhuǎn)課堂中課堂互動的方式以及在“FPGA”教學(xué)實踐中的運(yùn)用。

1? ? “FPGA”課程的特點(diǎn)

1.1? FPGA器件

FPGA器件可實現(xiàn)并行運(yùn)算，大大加快了信號處理的速度，擴(kuò)大了容量，具有在現(xiàn)場可重復(fù)編程的特性，開發(fā)靈活、升級方便，使用IP的開發(fā)更加快捷、高效且成本低廉。隨著通用處理器以軟核形式靈活地移植到FPGA中，F(xiàn)PGA器件擁有了較強(qiáng)的運(yùn)算和控制功能。FPGA的廣泛運(yùn)用使“FPGA”課程的重要性日益凸顯。

1.2? 課程特點(diǎn)

“FPGA”課程涉及數(shù)字邏輯基礎(chǔ)、電子系統(tǒng)設(shè)計、器件和EDA開發(fā)工具等內(nèi)容，基礎(chǔ)理論和實踐性并重，課程教學(xué)方法多樣。開發(fā)過程包括設(shè)計、編程、仿真、硬件調(diào)試等多個環(huán)節(jié)，整體實驗時間較長。因此鼓勵學(xué)生利用課外時間動手實驗，加強(qiáng)對實驗的預(yù)習(xí)，事先編寫FPGA實驗的軟件代碼并進(jìn)行必要的仿真。在課內(nèi)實驗中，學(xué)生可以直接進(jìn)行相關(guān)的硬件和軟件調(diào)試，從而節(jié)約實驗時間，并且能夠在課堂上及時就預(yù)習(xí)時發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行討論。

2? ? 翻轉(zhuǎn)課堂的特點(diǎn)

2.1? 以學(xué)生主體

與傳統(tǒng)課堂內(nèi)容比較，翻轉(zhuǎn)課堂內(nèi)容發(fā)生了變化，認(rèn)知類的學(xué)習(xí)被安排在課前。學(xué)生在課前通過預(yù)習(xí)等方式完成學(xué)習(xí)準(zhǔn)備，課堂上在教師設(shè)置的理想環(huán)境中進(jìn)行討論、練習(xí)，推動思維拓展，在自身認(rèn)知基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)新知識。不同于傳統(tǒng)課堂，翻轉(zhuǎn)課堂的主體是學(xué)生。學(xué)生在教學(xué)模式中從被動的角色轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥慕巧?，這樣的模式有助于學(xué)習(xí)的深入進(jìn)行，這是翻轉(zhuǎn)課堂可貴的地方。學(xué)生主動參與課堂內(nèi)容，自主地獲取學(xué)習(xí)資源和教師指導(dǎo)，因此學(xué)習(xí)的效率更高。

2.2? 培養(yǎng)高階思維

記憶、理解、應(yīng)用等低階思維多見于傳統(tǒng)課堂，當(dāng)利用技術(shù)手段把這些內(nèi)容安排到課前，而把分析、評價、創(chuàng)造這些高階思維的學(xué)習(xí)活動安排在翻轉(zhuǎn)課堂內(nèi)，學(xué)生在課堂上進(jìn)行的學(xué)習(xí)就有了質(zhì)的變化。以學(xué)生為主體的思考討論，是培養(yǎng)高階思維的方式。在課堂上，通過師生互動性話題、開放性話題，推動反省性思維、創(chuàng)造性思維和批判性思維的培養(yǎng)[4]，從而使學(xué)生負(fù)責(zé)任地學(xué)習(xí)、主動地學(xué)習(xí)，走上自主發(fā)展之路，這才是高校教育的初心。

3? ? 爭論式教學(xué)

當(dāng)今社會，爭論能力成為教育目標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)。亞里士多德認(rèn)為，爭論有說明式、說服式和辯證式。說明式爭論就是陳述觀點(diǎn)，是爭論者和聽眾之間的對話，目的是使他人相信爭論者的主張。辯證式爭論是在對話游戲或討論期間多位提案者之間的對話，目的是解決多個觀點(diǎn)之間的差異。

3.1? 爭論式教學(xué)有助于培養(yǎng)高階思維

知識加工涉及對新的信息元素進(jìn)行組織、重構(gòu)、關(guān)聯(lián)、整合等，存在于協(xié)作學(xué)習(xí)的討論中。翻轉(zhuǎn)課堂的教育目的是促進(jìn)學(xué)生自己把握學(xué)習(xí)的節(jié)奏，從以教師為中心的教學(xué)向以學(xué)習(xí)者為中心轉(zhuǎn)變。在課內(nèi)，教師作為學(xué)習(xí)的促進(jìn)者和協(xié)調(diào)者，可以利用小組學(xué)習(xí)、答疑、同伴討論等方式促進(jìn)學(xué)習(xí)者對知識的深度加工，實現(xiàn)高階思維的培養(yǎng)。爭論式教學(xué)能促進(jìn)學(xué)生更有效地進(jìn)行知識加工。

3.2? 爭論式教學(xué)支架

圖爾敏的爭論模型是說服式爭論，由主張、依據(jù)、辯解、支持辯解的證據(jù)、反駁、模型適用性幾個元素組成[5]。根據(jù)圖爾敏模型，爭論包括對反觀點(diǎn)的反駁，但沒有強(qiáng)調(diào)形成較強(qiáng)的或多個反對觀點(diǎn)。沃爾頓的爭論模型包含一系列批判性問題及正反方觀點(diǎn)和論據(jù)的整合，強(qiáng)調(diào)的是辯證性的推理。

4? ? “FPGA”教學(xué)實踐

“FPGA”課堂實踐性很強(qiáng)，引入翻轉(zhuǎn)課堂的概念，有利于幫助學(xué)生在課前完成預(yù)習(xí)，對課程內(nèi)容有一定了解，完成初步的程序設(shè)計。在課堂內(nèi)通過實踐、討論、爭論的形式完成知識的加工及實踐。先由一方提出觀點(diǎn)，并陳述證據(jù)和辯解，然后由另一方提出反觀點(diǎn)，在爭論中，由學(xué)生雙方提出各自的證據(jù)和辯解。這樣的形式對于培養(yǎng)學(xué)生觀點(diǎn)陳述方面的能力有很大幫助。

“FPGA”的設(shè)計實踐可以是同一種問題有多種解題思路。因此，在課堂中引入爭論式教學(xué)，讓同學(xué)們自己分辨哪種解題思路更好，學(xué)生發(fā)現(xiàn)了不同實現(xiàn)方法的工作效率、容錯能力是不同的，從而對設(shè)計方案有更深入的理解。HDL代碼描述硬件功能的時候，主要有結(jié)構(gòu)化描述方式、數(shù)據(jù)流描述方式和行為級描述方式3種基本描述方式。在課堂中也采用爭論式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生自行收集資料，為不同模式的程序辯論。在爭論中，學(xué)生生動地比較了3種模式，有同學(xué)還發(fā)現(xiàn)不同模式的描述綜合生成的電路有差別，由此對知識點(diǎn)有更深入的思考。這樣的課堂組織形式，為同一主題爭取了更多角度的思考，能幫助學(xué)生養(yǎng)成勤思考的習(xí)慣，在動手的同時又有思考、論述、發(fā)現(xiàn)和探索的過程，而以前的實踐課堂只有老師講、學(xué)生做的形式，新的教學(xué)實踐帶來了更豐富的思路。