基于SPOC的《計算機組成原理》翻轉課堂教學模式研究

楊磊 黃沛杰 吳理華 肖克輝 江曉慶

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2012-5640-1448

摘? 要：為了提高《計算機組成原理》的教學效果，實現人才培養的目標，針對該課程傳統教學中存在的問題，以建構主義學習理論為指導，通過設計基于SPOC的《計算機組成原理》翻轉課堂新型教學模式，研發并集成多元化學習平臺，精心制作教學資源，將線上和線下教學緊密結合。實踐教學表明，該新型教學模式激發了學生的學習興趣，提高了學生學習的積極性，并取得了很好的教學效果。

關鍵詞：SPOC? 翻轉課堂? 計算機組成原理? 教學模式

中圖分類號：TP301-1;G434 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）03（c）-0208-05

Research on the Flipped Classroom Teaching Mode of "Principles of Computer System"Based on SPOC

YANG Lei1? HUANG Peijie1? WU Lihua1? XIAO Kehui1? JIANG Xiaoqing2

（1.Mathematics and Informatics College， South China Agricultural University，Guangzhou， Guangdong Province，510642 China; 2. Modern Educational Technology Center， South China Agricultural University， Guangzhou， Guangdong Province， 510642 China）

Abstract： In order to improve the teaching effect of "Principles of Computer System" and achieve the goal of talent training， In view of the main problems existing in the traditional teaching of this course， guided by constructivism learning theory， through the design of a new flipped classroom teaching mode of "Principles of Computer System" based on SPOC， the diversified learning platform is developed and integrated， and the teaching resources are elaborately produced， Online and offline teaching is closely combined.Practical teaching shows that this new teaching model not only improves students' learning enthusiasm and interest， but also achieves better teaching effect.

Key Words： SPOC; Flipped classroom; Principles of computer system; Teaching mode

1? 引言

教育部《教育信息化2.0行動計劃》提出：“以習近平新時代中國特色社會主義思想為指導，堅持信息技術與教育教學深度融合的核心理念，以信息化引領構建以學習者為中心的全新教育生態?！盵1]。隨著我國教育信息化的不斷縱深，課堂教學模式和學生學習方式出現了新的特點，基于信息技術的教學模式改革在教學質量提升、優秀人才培養及教育強國建設等方面發揮著重要的作用。

本文設計了基于SPOC的《計算機組成原理》翻轉課堂教學模式并進行教學實踐，通過微課和微實驗等SPOC學習資源的制作以及移動學習工具的研發，創設泛在學習環境激發學生學習興趣和主動性，實現學生對所學知識的意義建構，解決了《計算機組成原理》傳統教學模式存在的主要問題。

2? 基于SPOC的翻轉課堂教學模式

2013年加州大學福克斯教授提出了SPOC（Small Private Online Course），認為SPOC用于課堂教學能夠增強教師的指導作用、學生掌握知識程度以及參與度，SPOC將授課、視頻等要素融合，賦予學生深入學習體驗提升自主學習的效果。翻轉課堂（Flipping Classroom）起源于2007年美國的喬納森·伯爾曼和亞倫·薩姆斯，翻轉課堂中教師由知識擁有者演變為教學活動的指導者和促進者，學生知識的獲取也由被動接受轉變為主動參與?；赟POC的翻轉課堂得到許多學者的關注，盧鋒等[2]對基于SPOC的翻轉課堂實驗教學進行了行動研究，實驗效果表明，學生對實驗教學的翻轉課堂持肯定態度，對“教師”維度最滿意;柳春艷等[3]對貧困地區的基礎教育SPOC翻轉課堂應用路徑進行了研究;鐘華美[4]從資源、平臺、學校、教師和學生五個方面提出基于SPOC的翻轉課堂教學模式的優化應用對策，以便更好地完善教學;丁永剛等[5]對基于SPOC的翻轉課堂2.0教學模式進行了研究;郭牧[6]對基于藍墨云班課的SPOC翻轉教學效果進行了驗證與評價。

借助于SPOC實現《計算機組成原理》課程的“翻轉課堂”，構建基于“雙主”型教學新模式并進行探索性教學實踐，既保證學生作為學習對象的主體性，又發揮教師的主導作用，從而提高課程的教學質量，進一步優化教學效果。

3? 基于SPOC的《計算機組成原理》翻轉課堂教學模式設計

3.1 《計算機組成原理》教學存在的問題

筆者以華南農業大學《計算機組成原理》課程為例，通過問卷調查、訪談等方式了解目前該門課程的授課現狀，發現該門課程的教學并沒有達到預期的教學效果，當前主要存在以下幾個方面的問題。

3.1.1 傳統教學無法滿足學生個性化學習的需要

該課程采用大班授課制，教師講授為主，由于課程概念性、原理性知識較多，學生缺乏學習興趣，很難滿足其個性化學習的需求，使預期教學目標難以實現。

3.1.2 教學方法單一，師生間缺乏協作互動

該課程理論教學在課堂上使用多媒體PPT課件結合板書的方式進行教學，由于課程內容抽象，計算機部件原理復雜，學生很難將所學知識完全理解透徹，教師忙于教授學習內容，師生之間難以建立有效的協作互動。

3.1.3 理論課與實驗課沒有無縫融合

該課程理論課為48學時，實驗課為16學時，理論與實驗分開進行，實驗課上學生根據實驗教材按部就班完成實驗操作，并沒有完全理解計算機的工作原理。分析原因，一方面是因為學生對理論課學習的相關部件基本原理沒有理解透徹;另一方面理論和實驗脫節，沒有好的教學策略激發學生探究實驗的興趣。

3.1.4 師生期望改變傳統教學模式

課程組希望能夠利用SPOC、微課、微實驗及翻轉課堂來提高教學效果;同時在華南農業大學計算機專業中選取了6個班級做問卷調查，發放問卷180份，收回有效問卷179份，其中針對“你是否愿意接受基于SPOC的翻轉課堂新型教學模式”，有158位學生選擇愿意，大概有88%的學生希望改變傳統教學，贊成基于SPOC的翻轉課堂作為新型教學模式。

3.2 基于SPOC的《計算機組成原理》翻轉課堂教學模式設計

SPOC注重知識的建構與生成，制作豐富的教學資源并隨時隨地提供給學生，SPOC資源為翻轉課堂提供了知識獲取的強力保障;翻轉課堂則可以讓學生在課前利用教師精心制作的微視頻學習新的概念和知識，課堂上通過自主探究、小組協作等方式完成知識的深度內化和應用。筆者以《計算機組成原理》這門課程為例，設計了基于SPOC的《計算機組成原理》翻轉課堂教學模式，該教學模式分為課前、課中和課后階段，其結構如圖1所示。

3.2.1 課前

分為規劃階段、準備階段和導學階段。規劃階段包括：學習需要分析，多元化學習平臺無縫集成;準備階段包括：學習資源設計與制作，課程思政融入;課前導學階段教師創設泛在學習環境指導幫助學生課前學習。

（1）學生學習需要分析：分析學生學習需要可以了解其當前的學習狀況與期望達到的學習狀況之間的差距，為教師制作學習內容、設計教學活動及進行教學評價等提供真實的依據。

（2）多元化學習平臺無縫集成：《計算機組成原理》SPOC學習資源部署在在線教育綜合平臺上，平臺能夠及時收集學生學習過程遇到的問題，跟蹤學生的學習軌跡，根據學習反饋分析學生對知識的掌握情況，以便有針對性進行課堂教學活動;設計開發了《計算機組成原理》的移動學習工具，具有知識點呈現、視頻觀看、移動答疑、作業考試及測試等功能模塊，同時設計了彈幕功能，便于課前導學的生生互動，移動學習工具和管理后臺無縫集成，能夠最大限度地滿足學生“泛在學習”的需要。

（3）學習資源設計與制作：根據《計算機組成原理》的教學大綱和課程標準要求，將課程知識點錄制為微課，便于學生課前預習、課中學習、課后復習，考慮到學生的學習需要，知識點由簡入難，循序漸進，以此強化學生的學習動機，并激發他們的學習興趣。課程重點難點主要包括：運算方法和運算器、存儲器容量的擴展、CACHE存儲器的基本原理、指令及數據的尋址方式、CPU的工作原理、微程序控制器的工作原理、總線仲裁、磁盤存儲設備的工作原理、程序中斷等。筆者將SPOC微視頻長度控制在10min左右，通過采用Screenbits、SnagIt、Premiere、Goldwave等軟件制作而成，同時將抽象知識點設計為動畫，微視頻講解主要的理論及概念，動畫展示部件的工作原理。根據教學大綱的要求，《計算機組成原理》的實驗內容主要包括：VHDL語言及TEC-CA平臺、加法器實現、運算器ALU的VHDL的實現、存儲器ROM和RAM的VHDL的實現、通用寄存器組的VHDL的實現、設計8位及16位CPU等，筆者制作了微實驗視頻及虛擬實驗視頻，便于同學們隨時學習實驗知識，分析實驗原理，了解實驗步驟，認真完成實驗。

（4）課程思政的融入：堅持把立德樹人作為中心環節，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現全程育人、全方位育人，努力開創我國高等教育事業發展新局面[7]?！队嬎銠C組成原理》課程中蘊含著豐富的思政育人資源，如在計算機系統的發展史知識點，融入思政內容，我國超級計算機發展迅速，2019年神威太湖之光排名世界第二;在CPU發展知識點，引入華為公司的發展案例，華為的麒麟5G技術已經領先世界，激發同學們的愛國熱情。通過課程思政的融入，可以把同學們的“專業夢”和“中國夢”的理想信念有效結合，產生課程思政的協同育人效應。

（5）課前導學：設計導學大綱，課前提供給同學們，導學大綱以知識點為基礎，標注知識點的先后關系以滿足不同學生的學習需求，通過課前導學學生可以在已有知識的基礎上，進一步學習新知識，同時在導學的過程中，學生也可以通過彈幕、留言、評論和點贊等方式與教師和其他學生進行交流互動，導學過程中遇見問題記錄下來，以待課中與教師、同學交流互動解決。

3.2.2 課中

基于SPOC的《計算機組成原理》翻轉課堂在課中主要體現在教學活動上，涵蓋學生自主探索、協作探究，師生、生生之間互動交流，學習成果展示匯報、知識鞏固與拓展提升等多個環節。

（1）學生自主探究、協作探究：教師可以根據學生的學習需要及教學內容特點，用心設計問題情境，為學生的獨立探究和協作探究搭建情境舞臺;學生可以根據自己的認知特點、能力、水平選擇適合自己的學習路徑，通過自主探究，學生更加專注于自身知識點的內化，通過協作探究，小組成員的智慧和思維就可被共享，共同完成對所學知識的意義建構。

（2）師生、生生互動交流：《計算機組成原理》課程教學“以學生為主體，以教師為主導”，除了傳統的線下課堂中師生、生生交流互動外，還設計了基于SPOC平臺的線上虛擬學習社區和移動學習工具，加入了“在線彈幕”“在線留言”“在線測試”等功能，同時還可以利用QQ、微信等移動教學終端，重構課堂教學互動新布局，教學互動的時空得以無限擴充。

（3）學習成果展示匯報：針對《計算機組成原理》理論課程中的案例和問題以及實驗課程中的每個實驗，采用小組協作的方式來完成，分組討論相關問題，完成報告，并進行討論成果的展示與匯報，該方法不僅可以提高學生獨立思考的能力，還可以提升學生團隊協作的能力，也能夠進一步提升學生對有效信息獲取的能力以及語言邏輯組織能力，增加學生成就感，進一步激發學習動機，完成知識的進一步內化過程。

（4）知識鞏固與拓展提升：知識鞏固是對所學知識的進一步加深，為后續學習做好知識準備，《計算機組成原理》理論課程每章最后都有一個知識鞏固的模塊，完成一個與本章難點重點相關的一個鞏固案例;拓展提升則是一個更高級的內化學習，為學生提供深化學習的途徑，如實驗最后要求學生完成一個“16位CPU的設計，編碼與調試運行”。通過該階段學生可以將所學知識點融會貫通，并知道如何去應用所學知識去解決一個具體問題。

3.2.3 課后

主要完成學習效果的評價和創新性學習思維的培養。

（1）學習效果評價：設計形成性評價+總結性評價相配合的方式對學生學習進行考查，考核方式采取“30%+40%+30%”結構，泛在學習平臺學習占比30%，包括《計算機組成原理》在線學習平臺和移動學習工具的知識點學習檔案記錄等;課中學習情況占比40%，主要是線下課堂出勤、課上重點難點解析及小組匯報等綜合表現;課后期終考試和拓展提升占比30%。形成性評價主要是對學生學習活動的考查，通過教師評價+學生自評+生生互評來完成;期終考試作為總結性評價的參考依據，可以給學生適當壓力，有助于學生知識的準確深度內化。

（2）創新型學習思維培養：關注學生學習思維，培養學生的創新素養和創造性思維能力，可以培養符合“大眾創業，萬眾創業”的社會背景的智慧型人才[8]。基于《計算機組成原理》課程的學習活動，進一步培養與課程相關的創客小組，使課程的學習由內化到創意到創造，進一步培養學生的創新型學習思維。

3.3 基于SPOC的《計算機組成原理》翻轉課堂教學模式的效果

基于SPOC的《計算機組成原理》翻轉課堂教學模式是線上線下混合教學的有效策略和方式，以學生為中心，學生是知識的主動建構者，是認知的主體，教師幫助和促進學生對知識的意義建構和內化。該新型教學模式較傳統教學模式在教學效果上有進一步的優化和提升。

（1）學生主動探究的學習能力得到了提升。教師精心設計并制作符合不同學生個性化學習需要的各種教學資源，能夠滿足學生的自主學習和探索的需要，促進學生自主探究學習能力的形成與提升。

（2）交流協作進一步加強，綜合能力得到了全面鍛煉。師生、生生之間多維互動的課堂形式，不僅增進了小組團隊合作精神，而且培養了學生語言表達、溝通交流、組織協調及問題解決的綜合能力。

（3）提供“泛在學習”環境，激發了學生學習興趣。不少同學反饋說，新型教學模式提供了“泛在”情境，讓他們能夠更靈活地學習知識，在任何時間、任何地點使用智能終端設備來進行學習，尤其是利用碎片化時間，而且基于知識點的微課、微視頻、微實驗及動畫，將抽象變具體，從一定程度上激發了學生的學習興趣，能夠在不知不覺中學到了很多知識。

（4）學生成績穩步提升，針對學生《計算機組成原理》課程的課前、課中和課后的多元評價方法，同學們的平均成績和優秀率有大幅度上升，不及格率有明顯的下降。與課程相關的創新創業項目的申報率和命中率也得到了提升。

4? 結語

本文以SPOC和翻轉課堂為教學工具，以《計算機組成原理》這門課程為研究對象，通過微課和微實驗等SPOC學習資源的制作以及移動學習工具的研發，設計了基于SPOC的《計算機組成原理》翻轉課堂新型教學模式并進行探索性教學實踐，較好地解決了傳統教學存在的問題，接下來通過持續的教學實踐和反饋評價，不斷完善基于SPOC的《計算機組成原理》翻轉課堂教學模式，以期進一步優化教學效果，實現新時代創新性人才培養的目標，以此促進我國高校創新教學模式的改革與教育教學質量的提升。

參考文獻

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[4] 鐘華美.基于SPOC的翻轉課堂教學模侯及在旅游管理專業的應用研究[D].大連：遼寧師范大學，2020.

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[7] 吳晶，胡浩.習近平在全國高校思想政治工作會議上強調把思想政治工作貫穿教育教學全過程開創我國高等教育事業發展新局面[J].中國高等教育，2016（20）：5-7.

[8] 祝智庭，雷云鶴.翻轉課堂2.0：走向創造驅動的智慧學習[J].電化教育研究， 2016，37（3）：5-12.