翻轉課堂在《計算機硬件技術基礎》實驗教學中的應用實踐

王長寶　凌青華

摘要：《計算機硬件技術基礎》是全面介紹微型計算機的體系結構、工作原理和應用技術的工科非計算機專業的基礎課，是學生信息化素質培養課程體系核心課程之一，旨在培養學生學習能力、實踐能力、創新能力。而實驗教學卻主要是驗證性實驗，缺少獨立思考的過程，缺乏設計與應用。本文試圖從翻轉課堂出發，探討一種適用于本課程的實驗教學模式，實現“以學生為中心”，培養學生學習的主動性，通過實踐環節改進，課后自主學習環節的引導以及綜合性課程設計的安排，有效地提高本課程的實驗教學效果和學生的自主學習能力和創新能力。

關鍵詞：翻轉課堂；《計算機硬件技術基礎》；實踐能力；創新能力；自主學習

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

一、引言

《計算機硬件技術基礎》課程是學生信息化素質培養課程體系核心課程之一，實驗教學作為理論教學的輔助環節，重點要求學生通過相應課內實驗，學習指令系統和匯編語言程序設計，并了解接口技術應用的相關知識，加強學生計算機應用能力，培養學生實際動手能力和實驗研究能力。而實際實驗教學運行過程中，只是對理論教學內容的解釋和驗證，對于實驗的內容、環節及結果，教師做出非常全面的指導，學生的學習能力、實踐能力和創新能力等方面的培養效果甚微。翻轉課堂是近幾年教學模式的教學改革的重要方面之一，我們將翻轉課堂應用到本課程的實驗和課程設計的安排中，主要從三方面入手：首先將實驗分為驗證性實驗、設計性實驗兩部分，在學生自主學習，教師指導的基礎上完成課堂驗證性實驗，然后對實驗內容進行拓寬或延伸，完成設計性實驗，循序漸進地培養學生思考問題和動手操作的能力；其次，同于理論教學翻轉課堂的改革要求，對實驗教學的課內課外時間配比同于理論教學的1∶2，即課內1小時，課外2小時，課內實驗結束后，學生課外通過模擬仿真軟件EMU8086和Proteus VSM for 8086等進一步對課內實驗內容進行深化和拓展，調動學生的積極性，強化課堂實踐效果。

二、課內開放實驗

匯編語言程序設計是本課程的重要組成部分，也是學生認識并理解微機系統的重要基礎。實驗教學中，通過采用DEBUG調試軟件，使用單步運行等手段，使學生更易理解物理地址、邏輯地址、標志寄存器、段寄存器及偏移地址等方面的內容。將DEBUG軟件的功能和使用方法制作成微課，指令系統課程內容結束后播放，學生通過實驗對傳送指令、運算指令、轉移控制指令等的驗證，全面掌握指令的格式和功能。

硬件接口芯片的實驗，本校實驗室采用的是封裝好的教學實驗儀器，學生在個人電腦上對接口芯片進行編程，按照實驗指導書給定的實驗步驟在實驗儀器上連線、調試、運行并完成實驗。實踐中，我們將演示性驗證實驗設計成微視頻，課前要求學生自主學習，并在驗證性實驗微課的基礎上，修改實驗內容，學生提前預習、思考和設計。隨后的實驗課堂中要求學生完成相應的設計、編程、連線與調試，教師在課堂中給予適當指導。

1.驗證性實驗。演示性或驗證性實驗可以讓學生以較高的效率盡快熟悉實驗裝置和實驗內容，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。因為計算機是人類的設計成果，很多知識點無法理論驗證和邏輯性理解，很多設計的結構，包括完成輸入輸出操作的接口芯片，其引腳的定義、工作方式的設計與選擇等，學生較難理解，因此通過微視頻，按步驟完成進行硬件連接和程序的編寫、裝載、調試，讓學生得到最直接的認識。此類實驗包括簡單I/O接口擴展、基本輸入輸出實驗等，從而讓學生深入理解計算機中的微處理器、存儲器、輸入輸出接口及設備，通過總線連接，完成程序控制與實現的底層工作原理。

2.設計性實驗。設計性實驗是驗證性實驗的深化，一方面可以在單個接口芯片模塊驗證的基礎上，更改設計要求；另一方面也可以組合多個單元接口模塊，擴展實驗內容。學生課前完成基本輸入輸出的驗證性實驗的微課視頻或者自己動手在實驗室驗證，在充分理解相應工作原理的基礎上，要求學生實現數據流水燈的實驗。實驗內容要求為：使其中八個數據燈，如（D7—D0）由左向右，每次僅亮一個燈，循環顯示；而另外八個數據燈D15—D8則反方向循環顯示。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計，需要學生在前一個實驗的基礎上，充分理解芯片的工作原理并完成實驗的重新設計、編程與實現。在設計性實驗中，教師要充分給予學生機會，僅提供基本的設計思路的引導，不建議提供具體的連線設計與代碼，學生（或小組形式）獨立思考，獨立設計實驗方案、修改實驗程序，并對實驗結果進行分析，以達到培養學生獨立思考能力、實踐動手能力和創新能力的目的。

三、課外自主實驗

1.匯編語言部分。課內實驗模式下所采用的實驗手段是MASM匯編環境和Debug調試工具，Debug調試工具基于命令行，對于熟悉“所見即所得”操作環境的學生來說，掌握有點難度，學習效率也不高，為了強化實驗效果，在課內微視頻介紹EMU8086調試工具的基礎上，引導學生課外自主學習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，學生可以實時直接查看指令的執行過程，微處理器內部寄存器的動態變化，并且可以查看每條指令反匯編后生成的機器碼和在內存中的物理地址，從而學生對理論授課的關于微型計算機的組成與工作原理，微處理器的內部功能結構等知識點有了最直觀的理解。同時也可以提高學生學習的興趣度與成就感，提高學習的主動性和探索知識的欲望。

2.可編程接口實驗部分。由于傳統實驗平臺的限制，接口部分的實驗大部分學生很難深度參與到實驗的設計過程中，同時也不能利用課余時間隨時隨地拓展實驗項目，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確仿真的因特爾8086處理器，通過一個總線驅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，從而為計算機硬件技術基礎課程接口部分的實驗提供了有利條件。基于Proteus VSM for 8086平臺，學生可以選擇電路元件、設計電路、下載程序、分析實驗結果等。若實驗效果不理想，可以反復修改，不會因為某個實際硬件芯片的損壞或者連線錯誤，而導致實驗結果出錯；也不用擔心芯片引腳因為反復插拔而損壞；同時不會因為下課而導致實驗過程半途而廢……學生具有充分的實驗時間和選擇實驗內容和實驗對象的自主性，進一步提高學生學習的興趣度和成就感。

四、綜合性實驗的設計與實現

在課內實驗和課外自主實驗的基礎上，教師做一定的引導，學生分組完成一個較為復雜的綜合應用系統的設計與實現，作為后續計算機硬件課程設計的任務。這部分連續時間的課程設計既能培養學生綜合性應用系統設計、連線與調試的能力，也能鍛煉學生的團隊合作能力。實驗教師在做指導時首先對學生所選課題進行把關，盡量保證課題的實用性和新穎性，從而適應微型計算機硬件技術的發展趨勢和實際工程應用的需求，其次是對于系統的設計原則和方法，實驗教師要給學生以充分的指導，通過相應的參考資料和設計案例，使學生掌握計算機硬件工程技術的相關基礎知識。

五、結論

隨著互聯網技術的飛速發展與全面普及，大學教育的教學目標、教學模式與手段、教學過程與角色等都需要與時俱進。翻轉課堂教學模式的引入，增加了學生對課程的重點和難點的理解；同時學生作為學習過程的主題，主動積極參與到學習過程中，提高了學生對課程的學習興趣，更重要的是實現學生學習能力、實踐能力、創新能力的全面提升。

參考文獻：

[1]吳寧.微機原理與接口技術課程混合教學模式探索[J].計算機教育，2014，（19）：17-20.

[2]凌青華，韓飛，王長寶.翻轉課堂教學模式在《計算機硬件技術基礎》課程中應用初探[J].高教論壇，2016，（8）：62-65.