基于翻轉(zhuǎn)課堂的“DSP原理及應(yīng)用”教學(xué)改革淺嘗

喬倩 張存喜 劉娟意 張華 李莉莉 劉玉良

摘 要：文章針對(duì)“DSP原理及應(yīng)用”課程教學(xué)內(nèi)容多、課程難度大、綜合實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，提出利用翻轉(zhuǎn)課堂模式進(jìn)行課堂教學(xué)改革嘗試。文章首先介紹了翻轉(zhuǎn)課堂的概念及優(yōu)點(diǎn)，然后分析了目前“DSP原理及應(yīng)用”課程教學(xué)的困境，隨后闡述基于翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式針對(duì)流水線課堂教學(xué)內(nèi)容構(gòu)建與實(shí)施，最后根據(jù)教學(xué)模式改革前后學(xué)生學(xué)習(xí)興致、知識(shí)點(diǎn)的掌握情況來看，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式獲得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：DSP原理及應(yīng)用；翻轉(zhuǎn)課堂；教學(xué)改革

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.22.198

1 引言

在當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，學(xué)生可以在任意時(shí)間、任意地點(diǎn)通過電腦或手機(jī)在網(wǎng)絡(luò)上學(xué)習(xí)豐富的在線課程，獲得知識(shí)的方式變得紛繁多樣，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式正是互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的產(chǎn)物。翻轉(zhuǎn)課堂（Flipped Classroom Model）[1，2]，也譯為“顛倒課堂”，是將傳統(tǒng)課堂中“教師課堂講授新知識(shí)，學(xué)生課后完成知識(shí)內(nèi)化”的教學(xué)結(jié)構(gòu)顛倒過來，構(gòu)建“學(xué)生課前通過教學(xué)視頻以及課件等完成新知識(shí)的學(xué)習(xí)，在課堂上通過與教師及同學(xué)相互討論、答疑、解惑，達(dá)到知識(shí)內(nèi)化”過程的教學(xué)模式。

在“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式下，學(xué)生作為課程的主角，可以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。在上課前，教師通過視頻、圖片等方式將教學(xué)內(nèi)容提供給學(xué)生，能夠最大程度的利用優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，拓寬學(xué)生的視野，同時(shí)新知識(shí)的傳遞從傳統(tǒng)的課堂上提到了課前，有效的拓展了課程的教學(xué)時(shí)間。在課堂活動(dòng)中，學(xué)生針對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容存在的問題，與同學(xué)及教師之間相互探討，有效的提高了學(xué)習(xí)效率。在翻轉(zhuǎn)課堂整個(gè)的實(shí)施過程中，教師要針對(duì)教學(xué)內(nèi)容提前錄制出邏輯關(guān)系清晰的教學(xué)視頻，提前策劃出課程內(nèi)容針對(duì)性的問題，并且為學(xué)生提供一系列相關(guān)的學(xué)習(xí)資源，所以對(duì)教師的自身的教學(xué)技能、專業(yè)能力、教育觀念等方面也實(shí)現(xiàn)了有效提升。

2 “DSP原理及應(yīng)用”課程教學(xué)現(xiàn)狀

DSP（Digital Signal Processor，數(shù)字信號(hào)處理器）是專門針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理算法而設(shè)計(jì)的一種微處理器，具有精度高、運(yùn)算速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛的應(yīng)用于圖像處理、電子通信、自動(dòng)控制、儀器儀表、軍事器件等領(lǐng)域。近年來，隨著DSP技術(shù)的迅速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)DSP工程師的需求日益增多，為適應(yīng)社會(huì)的需求，我校針對(duì)電子信息工程、電氣工程及其自動(dòng)化、船舶電子電氣工程、機(jī)械電子工程專業(yè)開設(shè)了“DSP原理及應(yīng)用”專業(yè)選修課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生掌握DSP芯片原理及其開發(fā)應(yīng)用技術(shù)，能夠在DSP 芯片上編程，實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理、通信或控制系統(tǒng)的算法。

相比其他專業(yè)課程，“DSP原理及應(yīng)用”課程具有教學(xué)內(nèi)容多、知識(shí)難度大、內(nèi)容更新速度快、綜合性、實(shí)踐性、工程性強(qiáng)等特點(diǎn)[3，4]。由于DSP 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能特點(diǎn)，要求學(xué)習(xí)者必須具備模擬電子技術(shù)、數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)、單片機(jī)原理及應(yīng)用、微機(jī)原理及接口技術(shù)、C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理等課程基礎(chǔ)，導(dǎo)致課程學(xué)習(xí)難度大，學(xué)生學(xué)起來吃力?！禗SP原理及應(yīng)用》課程內(nèi)容包括DSP硬件資源、尋址方式與指令系統(tǒng)、開發(fā)平臺(tái)、程序編寫、算法分析移植、片內(nèi)外設(shè)以及實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)等，課程內(nèi)容量大。而我校該課程的總學(xué)時(shí)是32學(xué)時(shí)，其中有24 學(xué)時(shí)理論課時(shí)、8 學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)課時(shí)，在以往的教學(xué)實(shí)踐中采用傳統(tǒng)的教師主導(dǎo)在課堂講授DSP芯片各部分的知識(shí)，然后到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)或?qū)嵺`活動(dòng)。這種傳統(tǒng)的教學(xué)模式，學(xué)生在課堂上對(duì)研究對(duì)象缺乏感性認(rèn)識(shí)，對(duì)所學(xué)的理論知識(shí)覺得抽象、難以理解，待到實(shí)踐階段時(shí)，理論知識(shí)又淡忘了，難以達(dá)到理想的教學(xué)效果。

如何在有限的教學(xué)時(shí)數(shù)內(nèi)，高質(zhì)量的完成DSP 課程大量?jī)?nèi)容的教學(xué)任務(wù)，是擺在每一個(gè)DSP 課程教師面前的一個(gè)課題。針對(duì)目前我?！癉SP原理及應(yīng)用”教學(xué)過程中遇到的問題，迫切需要對(duì)該課程的教學(xué)方法、教學(xué)模式進(jìn)行改革?！癉SP原理及應(yīng)用”課程教學(xué)過程中，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，應(yīng)用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式來進(jìn)行教學(xué)，可以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高教學(xué)效果。

3 “DSP原理及應(yīng)用”課程翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的構(gòu)建與實(shí)施

翻轉(zhuǎn)課堂設(shè)計(jì)過程中，教師如何運(yùn)用新的教學(xué)策略，設(shè)計(jì)出有效的課堂活動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生的成長(zhǎng)和發(fā)展是整個(gè)教學(xué)的關(guān)鍵。此處以“DSP原理及應(yīng)用”課程中（第四章TMS320C6000系列流水線與中斷）流水線部分內(nèi)容進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂的方案設(shè)計(jì)。

3.1 課前準(zhǔn)備過程

課前教學(xué)視頻的內(nèi)容及質(zhì)量對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)點(diǎn)起到至關(guān)重要的作用，因此每次上課前，教師需要花大量的時(shí)間進(jìn)行備課，錄制相關(guān)的教學(xué)視頻。針對(duì)流水線的概念及TMS320C6000流水線的操作過程制作教學(xué)視頻，在視頻中首先講解流水線的概念，并且列舉工廠加工產(chǎn)品的流水線類比。然后結(jié)合PPT講解DSP處理器內(nèi)部指令執(zhí)行的過程分為取指（fetch）、譯碼（decode）、執(zhí)行（execute）階段，并且取指（fetch）階段又分為程序地址產(chǎn)生（PG）、程序地址發(fā)送（PS）、程序訪問等待（PW）和程序取值包接收（PR）四個(gè)節(jié)拍，譯碼（decode）階段分為指令分配（DP）和指令譯碼（DC）兩個(gè)節(jié)拍，執(zhí)行（execute）階段根據(jù)不同的芯片（定點(diǎn)、浮點(diǎn)）包含不同的節(jié)拍，分別講解。

接著講解流水線的運(yùn)行時(shí)序。隨后根據(jù)C6000系列芯片中定點(diǎn)與浮點(diǎn)類型不同，C62x/C64x指令的流水線執(zhí)行級(jí)操作可分成7種類型，C67x指令流水線執(zhí)行級(jí)操作可分14種類型。然后針對(duì)單周期指令、乘法指令、存儲(chǔ)指令、擴(kuò)展乘法指令、加載指令、跳轉(zhuǎn)指令的執(zhí)行過程分別講解。最后針對(duì)流水線運(yùn)行過程中的問題，遇到以下三種情況（①在一個(gè)取值包中有多個(gè)執(zhí)行包的流水操作；②多周期NOP指令對(duì)流水線運(yùn)行的影響；③訪問存儲(chǔ)器對(duì)流水線運(yùn)行的影響）時(shí)，流水線如何執(zhí)行？將班級(jí)同學(xué)分成六組，請(qǐng)同學(xué)們思考以上問題，要求學(xué)生盡量找出解決方法并制作PPT，課堂上會(huì)讓其中三組同學(xué)分別派代表到講臺(tái)上給大家講解。

3.2 課堂實(shí)施過程（課堂時(shí)間8：00-9：35）

8：00-8：10，教師簡(jiǎn)單總結(jié)回顧上一章TMS320C6000系列指令系統(tǒng)內(nèi)容，簡(jiǎn)述處理器匯編指令格式、尋址方式、8大類公共指令及偽指令和C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言混合編程內(nèi)容，8：10-8：15，簡(jiǎn)要敘述TMS320C6000系列處理器流水線的概念。8：15-8：45，學(xué)生在提前學(xué)習(xí)流水線視頻后，會(huì)對(duì)課程內(nèi)容提出問題，這時(shí)首先由其他的同學(xué)來對(duì)提出問題的同學(xué)進(jìn)行解答，出現(xiàn)答案不完整地方，教師做適當(dāng)補(bǔ)充。在解答問題的過程中，教師收集學(xué)生在課前視頻學(xué)習(xí)過程中遇到的主要問題，歸納共性問題，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，及時(shí)掌握學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)任務(wù)的掌握情況。8：45-8：50，課間休息。

8：50-9：20，針對(duì)視頻中留下的3個(gè)問題，分別請(qǐng)三組的同學(xué)每組

派一個(gè)代表到課堂上講解流水線遇到此三種情況的時(shí)候的運(yùn)行過程如何，每組10分鐘。9：20-9：30，其他同學(xué)針對(duì)三組同學(xué)所講內(nèi)容存有疑問的，大家相互討論，教師總結(jié)流水線遇到此三種情況時(shí)如何執(zhí)行，并引入下一節(jié)DSP系統(tǒng)中斷的內(nèi)容。9：30-9：35，給學(xué)生布置下一節(jié)課要看的視頻內(nèi)容和思考問題。依次循環(huán)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過將翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式引入到“DSP原理及應(yīng)用”課程教學(xué)過程中，從學(xué)生積極性、主動(dòng)性以及對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解上來看，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式收到了較好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]盧艷麗.翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的優(yōu)勢(shì)及對(duì)我國(guó)課堂教學(xué)改革的啟示[J].教育教學(xué)論壇，2018（29）：121-123.

[2]鄧小霞.“翻轉(zhuǎn)課堂”在教學(xué)改革中的實(shí)踐研究[J].電腦與電信，2016（06）：27-29.

[3]馬駿杰，張思艷，孫軼男，張媛媛.基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的DSP課程教學(xué)改革研究[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2018（07）：26-28.

[4]何金保，駱再飛，諸葛霞.基于“翻轉(zhuǎn)課堂”的DSP課程的教學(xué)方法改革[J].大眾科技，2016（02）：131-132+151.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金，相對(duì)論Dirac 系統(tǒng)中的新奇Fano 共振效應(yīng)研究（11547001）；浙江省2016年度高等教育課堂教學(xué)改革項(xiàng)目（kg20160201）；浙江海洋大學(xué)科研啟動(dòng)項(xiàng)目（21065013213）

作者簡(jiǎn)介：?jiǎn)藤唬?985-），女，安徽五河人，博士，講師，主要從事半導(dǎo)體光電子方向研究。