基于建構主義理論的《計算機組成原理》課程教學研究

摘要：根據《計算機組成原理》課程的特點，在對建構主義理論分析的基礎上，將《計算機組成原理》教學與建構主義理論相結合，對基于建構主義理論的《計算機組成原理》課程的教學改革進行了探討和分析，有利于進一步提高教學質量，培養學生良好的《計算機組成原理》教學素養和創新意識。

關鍵詞：建構主義理論；計算機組成原理；教學改革；教學素養

中圖分類號：G642文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)11-20295-03

1 引言

《計算機組成原理》是計算機專業的一門核心專業必修課，它不僅可使學生從底層剖析電子數字計算機的基本組成和工作原理，掌握計算機系統的基本設計技術，而且可以培養學生分析和解決數字系統實際問題的能力，是培養計算機系統分析、系統設計和系統繼承技術人員的一個有效的教育環節，從而打破學生對計算機的神秘感。它在整個專業課的教學中起到了承上啟下的作用，為后繼的《接口技術》、《單片機原理及應用》等課程的教學奠定了基礎。

隨著計算機技術和電子技術的飛速發展，計算機內部結構日趨復雜和龐大而且高度集成化，這使學生普遍感到《計算機組成原理》這門課難學、難懂、概念抽象、感性認識差，教師在教學中使用傳統的教學方法和教學手段很難實現教學目標。如何改革《計算機組成原理》課程教學，以提高其教學效果和教學效率，使它跟上計算機技術的發展是我們當前亟待解決的問題。針對這一問題，結合多年來從事《計算機組成原理》課程教學的體會，在對建構主義理論分析的基礎上，分析了建構主義理論與《計算機組成原理》教學的相通性，強調建構主義理論在革新傳統《計算機組成原理》教學過程中的重要性，并通過相關案例的分析，對建構主義理論在《計算機組成原理》教學中的應用進行了探討。

2 基于建構主義理論的《計算機組成原理》課程的學習

2.1 建構主義理論下《計算機組成原理》課程學習的特征

結合《計算機組成原理》課程的特點，建構主義理論下《計算機組成原理》課程學習的特征可分為以下幾個方面：

第一，《計算機組成原理》課程的學習具有廣泛性和復雜性。該課程內容涉及的范圍很廣，包括計算機硬件系統的基本組成原理與運行機制，計算機硬件系統各部分的設計方法以及構成整機系統的基本原理。同時也包括高性能計算機的新技術，具有一定的復雜性。

第二，《計算機組成原理》課程學習具有很強的實踐性。比如在要求學生進行計算機整機系統的設計時，強調的是綜合能力的培養，它要求學生能夠將計算機硬件組成的各個部分融會貫通，讓各個部分彼此發生聯系，從而能綜合利用各知識點完成整機系統的集成。

第三，《計算機組成原理》中的相關技術是當今計算機學科中發展最迅速的技術之一，很多知識點都是隨著社會的發展和需求不斷出現的，如浮點運算技術、多核控制器技術、磁盤存儲陣列技術、通道技術。所以，《計算機組成原理》課程的學習總是在一定的社會環境下進行，它不可能是孤立的，因此它的學習具有一定的社會性。

第四，《計算機組成原理》課程的學習是反思性學習。學習者只有在學習過程中學會反思，進行自我分析，才能不斷取得進步。例如學生在學習了DMA的工作原理后，應該反過來對中斷的工作原理進行對比分析，從本質上比較出兩者的異同，這樣才能在實踐中靈活應用這兩種I/O信息的處理方式。

2.2 建構主義理論下《計算機組成原理》課程中學生的角色

根據上述對基于建構主義的《計算機組成原理》課程學習特征的分析，可以看出學生在整個教學活動和學習過程整的角色已經發生了很大的變化。在《計算機組成原理》課程的學習中，學生不再是處于被動的狀態，學習任務也不再是對一些概念和原理的簡單記憶和重復使用。在建構主義的學習環境下，學生是帶著知識，帶著經驗，帶著好奇心和濃厚的學習興趣走進課堂的。建構主義的學習環境要求學生積極參與整個教學活動和學習過程中，要不斷地思考，在舊經驗基礎上不斷地納入新經驗，不斷地重新建構自己地知識體系。所以在整個學習過程中，學生是教學活動的積極參與者、是知識的主動建構者、是學習的管理和監控等責任。

2.3 建構主義理論下《計算機組成原理》課程中教師的角色

建構主義理論強調學習是在教師的指導下，學習者主動建構自己知識的過程。因此，教師在教學活動中的角色也必然發生了很大的變化?？梢詮囊韵聨追矫鎭砜矗?/p>

第一，教師是學生知識建構的引導者。在傳統的《計算機組成原理》教學中，教師的主要任務是向學生傳授《計算機組成原理》的基本理論。而在建構主義理論下，針對《計算機組成原理》課程的特點，教師在教學中應該要學會引導學生自己去學，并且根據教學內容的需要，創設各種情境，引導學生去發現問題，引導學生去搜集資料（如上網查看計算機硬件發展的最新趨勢和動向），從而完成知識的建構。

第二，教師是學生知識建構的協助者。在建構主義環境下，《計算機組成原理》課程的教師要在教學初期為學生創設問題情境，幫助學生發現問題。但在學生解決問題的過程中，教師除了給予適當點撥之外，更重要的是要放開手腳讓學生自己去解決問題，建構知識。例如在講授運算器和控制器時，啟發學生將其與實際的CPU相比較，然后讓他們自己歸納總結出運算器和控制器的特點，這樣學生才能對知識有深刻的印象，而不再是對知識死記硬背。

第三，教師是學生知識建構的組織者，建構主義為學生知識的建構提供了真實情境，在學習者協作學習過程中，教師也要當好組織者，尤其是在《計算機組成原理》整機系統的設計過程中，由于整機系統涉及到運算器、控制器、存儲器、I/O系統以及相關軟硬件設計方面的綜合知識，需要同學之間團隊合作才可能做好。因此，在分組過程中，教師一定要結合多方面的因素，組織好學生的協作學習。

第四，教師是學生知識建構的管理者。在基于建構主義《計算機組成原理》課程的教學中，教師已經由單純的教學執行者轉變為學生知識建構的管理者。隨著遠程教育的不斷發展，教育資源日益豐富，學生要積極參與學習，主動建構知識，就要有效的利用資料?！队嬎銠C組成原理》課程涉及的知識面很廣，很多計算機硬件方面的前沿技術和文檔都是通過網絡獲取的，在相關資料的整理和收集過程中，教師應當做好管理者的角色。

3 基于建構主義理論的《計算機組成原理》課程教學案例分析

“拋錨式教學策略”是建立在建構主義教學理論基礎上。它的主要目的是使學生在一個完整、真實的問題背景中，產生學習的需要，并通過鑲嵌式教學以及學習共同體中成員間的互動、交流，即合作學習，憑借自己的主動學習、探究，親身體驗從識別目標到提出和達到目標的全過程。在《計算機組成原理》課程教學中，運用此教學策略能有效地培養學生的信息素養，提高學生自主學習、協作學習的能力，提高學生解決問題的能力，提高學生的思維力。

“拋錨式教學策略”的具體流程如圖1所示，下面結合案例對基于網絡環境的拋錨式教學策略在《計算機組成原理》課程教學中的應用進行探討。

3.1 創設情境

創設情境，即創設學生當前所學習的內容與現實情況基本相接近的情景環境，把學生引入到需要通過某知識點來解決現實問題的情境。創設學習的資源和學習的環境是教師的主要工作。

教師要充分運用現代教育技術手段給學生提供多種學習資源，讓學生有多種機會在不同的情境下應用所學的知識，提供學生施展才能的舞臺。通過情景引發主動學習的啟動。

3.2 確定問題

教師要根據學生掌握的知識以及教材所涉及的內容，去選擇教學主題。本次教學案例采用實踐教學的方式，其主題是如何構成一臺完整的模型機，在此基礎上控制真實的外圍接口芯片，通過擴展8253和8255接口芯片，完成定時器、計數器和并行接口電路控制。該教學主題要用到《計算機組成原理》教材中的絕大部分知識點，達到了溫故知新的目的。

3.3 自主學習

由于在《計算機組成原理》課程的教學中并未對接口芯片如8253、8255做具體介紹，所以在本次的教學中，可以安排學生通過各種方式進行自主學習，利用一切可以利用的資源查找資料。最終學生所要完成的主要任務是：掌握構成整機系統的主要知識，8253、8255等芯片的軟硬件基本原理和實際應用方法。這一環節不僅培養了學生收集資料、分析資料、利用信息的能力，同時也培養了學生獨立解決問題，自主學習的能力。

3.4 協作學習

這是建構主義學習中的一個重要環境。由于個人能力有限，為了達到對問題的最全面的了解，教師可以組織學生劃分學習小組，各組在組長的組織下，進行分工，根據自己的能力每人負責一個模塊的設計，并制定出小組行動計劃，如表1所示。這樣每個學生都有任務，促使學生主動提出問題、思考問題，主動去發現、去探索，從而找到解決問題的方法。學生在學習過程中自始至終處于主動地位，而教師只是在旁邊加以點撥，起指導和促進作用。通過協作學習的方式，使群體的智慧為每一個個體所共享，內化個體的智慧，拓展個體知識視野。

3.5 效果評價

這是主動學習的延伸性環節。包括學生個體自我評價、學習小組評價和教師的最后評價。

通過實踐證明，在《計算機組成原理》課程的實踐教學過程中進行“拋錨式教學法”的嘗試，整個過程由學生自己主動進行，無需教師介入，具有良好的教學效果，并且可以培養學生以下幾方面的能力：(1)提高了學生自主學習的能力；(2)提高協調、合作的能力，培養了團隊精神；(3)能培養學生收集資料的能力；(4)能提高學生運用所學理論和知識進行綜合分析、制定設計和實驗方案的能力；(5)能進一步提高設計計算和繪圖能力；(6)培養學生實驗操作和研究能力。

3.6 課外擴展

可以為課外探究任務再拋一個“錨”：如讓學生學習關于中斷處理功能的模型機設計、并行處理功能的模型機設計的相關知識。

4 結束語

《計算機組成原理》是計算機專業的核心專業課程，如何有效地開展和探討《計算機組成原理》教學改革的新思想、新方法和新理論，已成為《計算機組成原理》課程教學改革中迫切要解決的重要問題。建構主義理論包含了許多全新的教學理念，它要求“以人為本”、“以學生為中心”的思想，對傳統的填鴨式教學模式提出了挑戰。研究建構主義理論并把它與《計算機組成原理》課程教學相結合，能夠為我們構建《計算機組成原理》課程教學的新型教學模式提供有利的依據和保障，對培養學生的《計算機組成原理》教學素養，提高學生的創新能力具有十分重要的意義。

參考文獻：

[1] 何克杭. 建構主義—革新傳統教學的理論基礎[J]. 電化教育研究，1997，(3):3-9.

[2] 蘭曉紅.《計算機組成原理》課程教學探討[J]. 常州工學院學報，2005，18(4):91-93.

[3] 鄒明亮，陳小輝.計算機組成原理課程教學探討[J]. 電腦知識與技術，2007，11(2):1450-1451.

[4] 鄭玉彤.《計算機組成原理》課程實現的比較研究[J]. 中央民族大學學報(自然科學版)，2003，12(1):79-82.

[5] 鄭存陸.《計算機組成原理》課程教學改革的思路和目標[J]. 計算機教育，2006，(10):86-87.

[6] 王愛英. 計算機組成原理[M]. 北京：清華大學出版社，2004.

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