計(jì)算機(jī)組成原理翻轉(zhuǎn)課堂的混合教育模式研究與實(shí)踐

蔡靜

摘?要：針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式下計(jì)算機(jī)組成原理課程存在的教學(xué)模式過于單一、教學(xué)視野過于狹窄、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣缺失等問題，研究翻轉(zhuǎn)課堂的線上線下混合教學(xué)模式；依托多元化學(xué)習(xí)平臺(tái)，探索并實(shí)踐“線上+線下”有機(jī)結(jié)合、“課內(nèi)+課外”深度互補(bǔ)、“理論+實(shí)踐”緊密聯(lián)系的解決之道；教學(xué)實(shí)踐表明，該模式有助于告別傳統(tǒng)滿堂灌、強(qiáng)化課程內(nèi)容有機(jī)銜接、建立整體知識(shí)框架、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

關(guān)鍵詞：翻轉(zhuǎn)課堂；混合教學(xué)模式；計(jì)算機(jī)組成原理

中圖分類號(hào)：TB?????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.23.087

0?引言

計(jì)算機(jī)組成原理的課程重要性毋庸置疑，因?yàn)樗仁怯?jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)必修課，對(duì)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)影響深遠(yuǎn)，又是計(jì)算機(jī)專業(yè)研究生入學(xué)考試的課程之一，對(duì)后續(xù)研究工作的順利開展奠定基礎(chǔ)。然而，計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)中存在若干制約因素：

（1）教學(xué)模式過于單一。傳統(tǒng)線下課堂教學(xué)組織往往具有滿堂灌輸、單向傳授、教師主動(dòng)等特征，使得學(xué)習(xí)流程無(wú)法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)迭代、學(xué)習(xí)效果無(wú)法及時(shí)反饋，最終導(dǎo)致教學(xué)效果欠理想。

（2）教學(xué)視野過于狹窄。教師對(duì)于課程的延展性理解不夠，對(duì)后續(xù)課程缺乏深刻理解或者僅限于完成本門課程的教學(xué)任務(wù)，未能將本課程與其它課程之間的內(nèi)容有機(jī)銜接，使得學(xué)生難以真正意義上理解計(jì)算機(jī)組成原理的諸多抽象概念，無(wú)法逐步形成系統(tǒng)大局觀。

（3）學(xué)生學(xué)習(xí)興趣缺失。課堂上大學(xué)生多是機(jī)不離手的“低頭族”，與新奇刺激的短視頻相比，課程內(nèi)容過于枯燥抽象，使得學(xué)生們的課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容不連貫，再加上課后缺乏對(duì)所學(xué)知識(shí)的及時(shí)回顧或深度思考，只滿足于期末考核應(yīng)付過關(guān)，最終無(wú)法構(gòu)建完備的課程知識(shí)體系，課程教學(xué)目標(biāo)自然無(wú)法達(dá)成。

隨著新一代信息技術(shù)的快速迭代和迅猛發(fā)展，數(shù)字化、信息化、智能化手段的全過程介入使得課堂教學(xué)實(shí)現(xiàn)顛覆性創(chuàng)新。無(wú)論是教學(xué)環(huán)境、教學(xué)資源，還是學(xué)習(xí)模式、課程評(píng)價(jià)，均已發(fā)生深刻的變革。教師傳播知識(shí)的途徑也從單一的課堂填鴨式教育，到線上線下傳播模式混合；信息過載使得教師的教學(xué)視野越來(lái)越寬闊，不再拘泥于本課程的一畝三分地?；谶@種環(huán)境，借助于信息技術(shù)的閉環(huán)賦能進(jìn)行課堂翻轉(zhuǎn)，為提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、達(dá)成課程教學(xué)目標(biāo)等提供了可能?；谏鲜稣J(rèn)知，本研究立足于計(jì)算機(jī)組成原理的一線教學(xué)實(shí)踐，以線上線下混合教學(xué)模式取代“填鴨式”單向傳輸式教學(xué)模式；從整體知識(shí)的建構(gòu)角度出發(fā)，注重本課程與其它課程內(nèi)容之間的有機(jī)銜接；以提升學(xué)生內(nèi)驅(qū)力為目標(biāo)，激發(fā)并培植學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過本課程的教學(xué)研究和實(shí)踐，不僅有利于促進(jìn)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理的基本原理的理解和掌握，提升課程整體教學(xué)效果，還有利于以強(qiáng)化理性思維、提升綜合能力為抓手培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科學(xué)習(xí)意識(shí)和建立整體知識(shí)框架，更有利于教學(xué)相長(zhǎng)提升師資力量，加快民辦高校一流課程的建設(shè)步伐。

1?混合教學(xué)模式設(shè)計(jì)

教學(xué)模式是在教與學(xué)理論指導(dǎo)下，利用學(xué)習(xí)環(huán)境、學(xué)習(xí)資源和學(xué)習(xí)工具，確定教與學(xué)活動(dòng)中各個(gè)要素之間的穩(wěn)定關(guān)系，設(shè)計(jì)教與學(xué)活動(dòng)開展的進(jìn)程，最終形成穩(wěn)定的教學(xué)活動(dòng)程序或者構(gòu)型?；诨旌辖虒W(xué)模式的基本思想，本研究教學(xué)基礎(chǔ)環(huán)境為SPOC+騰訊會(huì)議+QQ群+課堂+實(shí)驗(yàn)室，采用“線上+線下”有機(jī)結(jié)合、“課內(nèi)+課外”深度互補(bǔ)、“理論+實(shí)踐”緊密聯(lián)系的教學(xué)模式：“線上”以SPOC為依托助力學(xué)生完成自主學(xué)習(xí)，積極拓展與其他課程的內(nèi)在聯(lián)系，側(cè)重于“理論”知識(shí)的“寬基礎(chǔ)”，重點(diǎn)考核學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力；“線下”以課堂為場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)師生協(xié)同探究和良性互動(dòng)，側(cè)重于“實(shí)踐”技能的“活運(yùn)用”，重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生動(dòng)手實(shí)操能力。課前，通過發(fā)布自制教學(xué)視頻或者利用網(wǎng)絡(luò)視頻、學(xué)習(xí)資料等線上資源，教師引導(dǎo)學(xué)生課前預(yù)習(xí)、自主學(xué)習(xí)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行問題凝練，并針對(duì)性地完成課堂教學(xué)設(shè)計(jì)；課中，通過面對(duì)面交流進(jìn)行問題解答、理論探究與實(shí)踐指導(dǎo)，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識(shí)內(nèi)化、構(gòu)建整體知識(shí)體系；課后，緊盯復(fù)習(xí)測(cè)驗(yàn)結(jié)果、跟蹤學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)、收集整理學(xué)生學(xué)習(xí)反饋結(jié)果，結(jié)合不同教學(xué)內(nèi)容和不同授課對(duì)象完成課程反思，具體的混合教學(xué)模式的總體框圖如圖1所示。

2?計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)實(shí)踐

筆者在實(shí)際的教學(xué)過程中，在計(jì)算機(jī)組成原理課程內(nèi)部展開混合式教學(xué)的實(shí)踐研究，并與其他課程微機(jī)接口技術(shù)、操作系統(tǒng)等課程深度互補(bǔ)，SPOC、騰訊會(huì)議和QQ作為翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的線上載體，理論課與實(shí)踐課緊密聯(lián)系。混合式教學(xué)理念的靈活實(shí)踐，使得計(jì)算機(jī)組成原理中知識(shí)點(diǎn)從枯燥、晦澀、抽象變得形象、直觀、具體，易于學(xué)生接受；翻轉(zhuǎn)課堂的落地實(shí)施，使得課堂中師生之間、學(xué)生之間的協(xié)同探究富有針對(duì)性，溝通交流更加直接高效，有利于以強(qiáng)化理性思維、提升綜合能力為抓手培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科學(xué)習(xí)意識(shí)和建立整體知識(shí)框架。

2.1?“線上+線下”有機(jī)結(jié)合

計(jì)算機(jī)組成原理作為一門計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課程，介紹了計(jì)算機(jī)單處理機(jī)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、組成和工作原理，側(cè)重闡述處理器、存儲(chǔ)器、地址空間、指令系統(tǒng)、程序控制、指令周期、寄存器、I/O?系統(tǒng)、外圍設(shè)備等計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)知識(shí)，在先導(dǎo)課程和后續(xù)課程之間起著承上啟下的作用。在設(shè)計(jì)教學(xué)任務(wù)時(shí)，切忌用割裂的、機(jī)械的觀點(diǎn)看待每個(gè)模塊，而應(yīng)把握章節(jié)內(nèi)容獨(dú)立性和課程知識(shí)整體性之間的平衡。

依托線上平臺(tái)構(gòu)建學(xué)習(xí)資料時(shí)，學(xué)習(xí)引導(dǎo)單是課前自主學(xué)習(xí)材料中必不可少的內(nèi)容，讓學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、獨(dú)自探究課程各知識(shí)模塊提供一條可行路徑；設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)引導(dǎo)單的關(guān)鍵在于，根據(jù)教學(xué)任務(wù)、學(xué)習(xí)進(jìn)度、學(xué)生特點(diǎn)，為不同程度的學(xué)生“量身打造”一份合適的學(xué)習(xí)引導(dǎo)單，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的課程大局觀至關(guān)重要。例如準(zhǔn)備講述計(jì)算機(jī)組成原理中的中央處理器內(nèi)容，課前先給學(xué)生提供一份8086微處理器的組成及其結(jié)構(gòu)圖和相關(guān)視頻預(yù)習(xí)。

“線下”在課堂上講述計(jì)算機(jī)組成原理中的中央處理器的組成內(nèi)容時(shí)候，通過師生互動(dòng)式學(xué)習(xí)的方式，強(qiáng)化和加深CPU內(nèi)部各寄存器的概念及其作用等，要求學(xué)生在課后畫出該模塊的知識(shí)結(jié)構(gòu)圖即CPU的基本組成圖，講解一條指令的存取操作并錄制視頻，使得學(xué)生不僅掌握了計(jì)算機(jī)組成原理的CPU模塊知識(shí)，也加強(qiáng)兩門課程之間的聯(lián)系。從而真正站在學(xué)生角度，以學(xué)生發(fā)展為中心，構(gòu)建學(xué)生的知識(shí)體系，而不僅僅站在老師單獨(dú)講授一門課程的角度。從學(xué)生的講述中，可以窺探學(xué)生的邏輯思路和表述能力，老師思考在下次線上課堂如何因材施教。

2.2?“課內(nèi)+課外”深度互補(bǔ)

“課內(nèi)”不僅要加強(qiáng)計(jì)算機(jī)組成原理課程模塊間的整體結(jié)合性，“課外”還要與其他課程比如數(shù)字邏輯、微機(jī)原理及接口技術(shù)、操作系統(tǒng)等課程的關(guān)聯(lián)性，強(qiáng)調(diào)課程以及課程體系全局觀。比如計(jì)算機(jī)組成原理到操作系統(tǒng)的課程學(xué)習(xí)是從計(jì)算機(jī)硬件資源學(xué)習(xí)到如何進(jìn)行系統(tǒng)資源管理的學(xué)習(xí)，不但是躍進(jìn)式的課程內(nèi)容跨越，而且是學(xué)生一次跳躍式思維的跨越。這種從硬件資源過渡到對(duì)硬件資源的軟件管理思維是一次硬件到軟件的大跨越思維活動(dòng)，而操作系統(tǒng)恰好實(shí)現(xiàn)了對(duì)計(jì)算機(jī)資源的抽象，包括計(jì)算機(jī)硬件資源，因此這兩門課程之間存在一種基于計(jì)算思維的內(nèi)在關(guān)系。

通過“線上”SPOC平臺(tái)讓學(xué)生提前預(yù)習(xí)和了解操作系統(tǒng)這門課程的具體內(nèi)容，先有一個(gè)感性認(rèn)識(shí)，尤其與計(jì)算機(jī)組成原理知識(shí)重疊性高的部分，比如操作系統(tǒng)的處理器管理功能、外設(shè)管理功能、存儲(chǔ)器管理功能，虛擬存儲(chǔ)器管理等內(nèi)容，繪制課程間的聯(lián)系，如圖2所示，激發(fā)學(xué)生認(rèn)真學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)組成原理課程的興趣，也為后續(xù)操作系統(tǒng)課程打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

2.3?“理論+實(shí)踐”緊密聯(lián)系

在“線下”的“理論”課堂教學(xué)中老師不能完全介紹書本上的純理論，不強(qiáng)調(diào)死記硬背，而是給出學(xué)生自我發(fā)揮的空間。此外，時(shí)刻注意強(qiáng)調(diào)“理論+實(shí)踐”的緊密聯(lián)系，鼓勵(lì)學(xué)生將所學(xué)理論用于實(shí)踐之中，建立理論與實(shí)踐之間的橋梁，讓課本的知識(shí)不再空洞，以“學(xué)有所用”激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣。

比如在講解存儲(chǔ)器這個(gè)模塊前，“線上”在SPOC中以通知的形式把理論知識(shí)的自學(xué)視頻和實(shí)驗(yàn)操作視頻下發(fā)給同學(xué)們自主學(xué)習(xí)，設(shè)置了一些自學(xué)測(cè)驗(yàn)題目了解學(xué)生預(yù)習(xí)的程度，以幫助教師設(shè)計(jì)“實(shí)踐”課堂?！熬€下”“實(shí)踐”課堂中采取任務(wù)式、討論式，鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)發(fā)言，同學(xué)們都可以暢所欲言。比如有同學(xué)對(duì)存儲(chǔ)器寫入數(shù)據(jù)和讀取數(shù)據(jù)這兩個(gè)問題的想法有出入，因此我們交給學(xué)生去討論，各抒己見。通過討論式教學(xué)，學(xué)生可互相激勵(lì)、探討問題，增加了學(xué)生的參與度，使其全身心地投入到學(xué)習(xí)中去，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，開發(fā)了其自身的潛能，提高了教學(xué)效率。最后通過“實(shí)踐”的實(shí)驗(yàn)示例存儲(chǔ)器與總線結(jié)合，如從地址23H開始的存儲(chǔ)器單元寫入10個(gè)數(shù)。首先設(shè)置寫模式，然后設(shè)置存儲(chǔ)器地址，通過地址總線傳輸存儲(chǔ)器地址，再向存儲(chǔ)器寫入數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線傳輸后寫入上步存儲(chǔ)器的地址中，再連續(xù)寫入10個(gè)數(shù)字，最后再?gòu)?3H連續(xù)讀出10個(gè)數(shù)字。通過這個(gè)示例講解和總結(jié)，使得學(xué)生清楚各章節(jié)之間的聯(lián)系，從而構(gòu)建課程的整體框架知識(shí)。

3?教學(xué)效果

2020年2～6月，在新冠肺炎疫情期間通過SPOC“線上學(xué)習(xí)-直播答疑”融合授課教學(xué)初探，同時(shí)直播課程通過騰訊會(huì)議進(jìn)行，教學(xué)效果較好，深受2018級(jí)計(jì)科專業(yè)的學(xué)生們的好評(píng)。2022年2月-至今在“超星”平臺(tái)試行“線上課前預(yù)習(xí)-課堂討論”和線下傳統(tǒng)課堂的融合授課模式教學(xué)，教師提前發(fā)出問題，學(xué)生通過線上資源預(yù)習(xí)，由老師課堂以“引導(dǎo)+重難點(diǎn)點(diǎn)撥”模式為主，以學(xué)生為中心，老師為主體的翻轉(zhuǎn)式混合式教學(xué)。經(jīng)過幾個(gè)學(xué)期的實(shí)踐，通過成績(jī)分析、問卷調(diào)查、師生座談等方式，對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行了整體分析，如圖3和圖4所示。課程成績(jī)的顯著提高，能最為直觀地體現(xiàn)教學(xué)質(zhì)量的改革，如表1所示。在引導(dǎo)學(xué)生在掌握計(jì)算機(jī)組成原理課程的知識(shí)點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生了解其他后續(xù)課程學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生自主思維和創(chuàng)新能力提高。同時(shí)，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法對(duì)老師也提出了更高的要求，在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、教學(xué)方法研究等各個(gè)方面的能力也得到了提升。

4?結(jié)語(yǔ)

以“線上+線下”有機(jī)結(jié)合、“課內(nèi)+課外”深度互補(bǔ)、“理論+實(shí)踐”緊密聯(lián)系的教學(xué)模式，破解教學(xué)實(shí)踐中教學(xué)模式過于單一、教學(xué)視野過于狹窄、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣缺失等現(xiàn)實(shí)問題，告別傳統(tǒng)滿堂灌，探索實(shí)踐混合教學(xué)模式；注重課程之間有機(jī)銜接，培養(yǎng)學(xué)生大局觀，從根本上提升其學(xué)習(xí)素養(yǎng)；激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和在線交流工具使其學(xué)習(xí)方式富于多樣化，動(dòng)態(tài)測(cè)評(píng)方式使其考核極具針對(duì)性。學(xué)生課前通過學(xué)習(xí)線上教學(xué)視頻，完成知識(shí)點(diǎn)預(yù)習(xí)。線下授課過程仍然以學(xué)習(xí)者為中心，強(qiáng)化學(xué)生學(xué)習(xí)體驗(yàn)。以剖析式、引導(dǎo)式強(qiáng)化線上學(xué)習(xí)內(nèi)容、注重解決問題的方法和思維的引導(dǎo)，加強(qiáng)學(xué)生進(jìn)一步掌握知識(shí)、提高技能。

基于翻轉(zhuǎn)課堂的混合教學(xué)模式也是順應(yīng)了時(shí)代的需求，這些靈活多樣的教學(xué)手段能夠大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，提升教學(xué)質(zhì)量，達(dá)到更好的教學(xué)效果。從課程改革角度看，本課程改革的教學(xué)模式和具體實(shí)施方案，其經(jīng)驗(yàn)適用于其他課程的改革；從學(xué)生就業(yè)角度看，課程內(nèi)容以社會(huì)具體需求為牽引，有利于提高學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力；從人才培養(yǎng)模式看，本項(xiàng)目有利于形成民辦高校特色課程，實(shí)現(xiàn)民辦高校創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的新途徑。

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