基于建構(gòu)主義理論的計算機硬件實驗教學(xué)改革

賴梅+++熊麗榮

摘要：針對國內(nèi)高校計算機硬件實驗教學(xué)的現(xiàn)狀，結(jié)合《計算機組成原理》等課程中的教學(xué)實際，本文分析了實驗教學(xué)中的特點和具體問題，提出基于建構(gòu)主義教學(xué)理論改革計算機硬件實驗教學(xué)的觀點。實際應(yīng)用結(jié)果表明，以建構(gòu)主義理論為指導(dǎo)的硬件實驗教學(xué)改革，可以調(diào)動學(xué)生的積極性和創(chuàng)新能力，加深學(xué)生對理論知識的理解，提高學(xué)生的動手能力和綜合素質(zhì)，實現(xiàn)教學(xué)效果的優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：建構(gòu)主義；計算機硬件實驗；教學(xué)改革

● 引言

在高校計算機教學(xué)體系中，硬件基礎(chǔ)課程占據(jù)著重要地位。無論軟件開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還是工業(yè)控制，都必須對計算機的工作原理和硬件支持非常了解。但是在硬件課程的講授過程中，由于學(xué)生對硬件知識缺乏了解，再加上相應(yīng)的實踐環(huán)節(jié)難以保證，致使學(xué)生產(chǎn)生厭煩和恐懼情緒，嚴(yán)重者甚至懷疑自己的能力，因此硬件基礎(chǔ)課程的教學(xué)流于形式，教學(xué)質(zhì)量也難以保證。[1]

在計算機技術(shù)飛速發(fā)展的今天，硬件理論知識只有通過實驗環(huán)節(jié)才能加深理解，實驗?zāi)苁箤W(xué)生掌握計算機硬件設(shè)計、制造、調(diào)試和運行維護等多方面的技能，訓(xùn)練學(xué)生的動手能力，培養(yǎng)創(chuàng)新能力及認(rèn)真、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲凶黠L(fēng)。然而傳統(tǒng)的《計算機組成原理》實驗存在諸多不足，如某些部件實驗中使用小規(guī)模集成電路，需要在面板上大量連線，由于接觸不良等原因，導(dǎo)致工作量大，效率不高。更嚴(yán)重的是實驗內(nèi)容受到限制，對一些較復(fù)雜的設(shè)計很難實現(xiàn)，不利于充分調(diào)動學(xué)生的創(chuàng)新意識，難以進行有創(chuàng)意或綜合性較強的設(shè)計性實驗。[2]

筆者針對目前高校計算機硬件實驗教學(xué)中出現(xiàn)的普遍問題，結(jié)合在《計算機組成原理》等課程中的教學(xué)實際，以建構(gòu)主義為教學(xué)改革的理論基礎(chǔ)，從實驗教學(xué)方案的修訂、實驗場景的創(chuàng)建、協(xié)同學(xué)習(xí)環(huán)境的形成等方面進行改革，取得了較好的教學(xué)效果。

● 現(xiàn)狀和問題

1.實驗內(nèi)容缺乏有機關(guān)聯(lián)

以《計算機組成原理》實驗為例，其內(nèi)容與《數(shù)字邏輯》、《微機接口》、《匯編語言》等課程有著密切的縱向關(guān)聯(lián)。但任課教師按照教學(xué)大綱獨立授課，過于強調(diào)自己所授內(nèi)容的完整性，忽略了課程的彼此銜接和整體優(yōu)化。

此外，該課程各知識點還存在橫向的關(guān)聯(lián)性，如運算器和存儲器都用到控制器的相關(guān)內(nèi)容。這些關(guān)聯(lián)使得《計算機組成原理》不同于其他課程，對知識點的介紹不能一步到位，增加了實驗教學(xué)的難度。

2.實驗?zāi)Ｊ饺狈C合創(chuàng)新

目前國內(nèi)高校的計算機硬件的實驗教學(xué)模式，通常是先進行理論教學(xué)，然后再做相應(yīng)的實驗。在這種單一的模式中，學(xué)生只能被動完成教師要求的基礎(chǔ)驗證型實驗，沒有機會進行綜合設(shè)計型和創(chuàng)新研究型的實驗。

3.實驗考核缺乏規(guī)范量化

對于硬件實驗的考核，過度依賴現(xiàn)場觀察進行打分，導(dǎo)致指導(dǎo)教師工作量繁重，實驗報告抄襲現(xiàn)象時有發(fā)生。實驗考核機制沒有全面的量化的評價標(biāo)準(zhǔn)，降低了成績的公正和客觀性，無法充分調(diào)動學(xué)生參與硬件實驗的積極性。

● 建構(gòu)主義理論

1.主要思想

建構(gòu)主義認(rèn)為，知識不是通過教師傳授得到，而是學(xué)習(xí)者在一定情境即社會文化背景下，借助其他人的幫助，利用必要的學(xué)習(xí)資料，通過意義建構(gòu)的方式獲得。

建構(gòu)主義的主要思想包括“情境”、“協(xié)作”、“會話”和“意義建構(gòu)”四大要素。“情境”是學(xué)習(xí)環(huán)境中的情境必須有利于學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的意義建構(gòu)。“協(xié)作”是在個人自主學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上開展小組討論協(xié)商。“會話”要求學(xué)習(xí)小組成員間必須通過商討來確定如何完成規(guī)定的學(xué)習(xí)任務(wù)和計劃。“意義建構(gòu)”是整個學(xué)習(xí)過程的最終目標(biāo)，其“意義”是指事物的性質(zhì)、規(guī)律以及事物之間的內(nèi)在聯(lián)系。

2.教學(xué)模式

與建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論相適應(yīng)的教學(xué)模式可概括為：以學(xué)生為中心，教師起著組織者和促進者作用，利用情境、協(xié)作、會話等學(xué)習(xí)環(huán)境要素，充分發(fā)揮學(xué)生的首創(chuàng)精神，使學(xué)生有效地實現(xiàn)對當(dāng)前所學(xué)知識的意義建構(gòu)。

學(xué)生是知識意義的主動建構(gòu)者；教師是教學(xué)過程的組織者指導(dǎo)者、意義建構(gòu)的幫助者促進者；教材所提供的知識不是教師傳授的內(nèi)容，而是學(xué)生主動建構(gòu)意義的對象；多媒體也不再是幫助教師傳授知識的手段方法，而是用來創(chuàng)設(shè)情境、進行協(xié)作學(xué)習(xí)和會話交流。

3.教學(xué)方法

◇支架式教學(xué)：是指應(yīng)當(dāng)為學(xué)習(xí)者建構(gòu)對知識的理解提供概念框架。這種框架的概念是為發(fā)展學(xué)習(xí)者對問題的進一步理解所需要的，為此必須事先把復(fù)雜的學(xué)習(xí)任務(wù)加以分解，以便于把學(xué)習(xí)者的理解逐步引向深入。

◇拋錨式教學(xué)：這種教學(xué)要求建立在有感染力的真實問題基礎(chǔ)上。一旦這類問題被確定了，整個教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)進程也就被確定了。

建構(gòu)主義認(rèn)為，學(xué)習(xí)者要想完成對所學(xué)知識的意義建構(gòu)，即達(dá)到對該知識所反映事物的性質(zhì)、規(guī)律以及該事物與其他事物之間聯(lián)系的深刻理解，最好的辦法是讓學(xué)習(xí)者到現(xiàn)實世界的真實環(huán)境中去感受和體驗。

◇隨機進入教學(xué)：由于事物的復(fù)雜性和問題的多面性，要做到對事物內(nèi)在性質(zhì)和事物間相互聯(lián)系的全面了解和掌握，真正達(dá)到對所學(xué)知識的全面而深刻的意義建構(gòu)很困難，往往從不同的角度考慮可以得出不同的理解。

為此在教學(xué)中要注意對同一教學(xué)內(nèi)容，要在不同的時間不同的情境下，為不同的教學(xué)目的、用不同的方式加以呈現(xiàn)。[3]

● 硬件實驗教學(xué)體系的改革

把建構(gòu)主義應(yīng)用到計算機硬件實驗教學(xué)中，首先要求教師建立教學(xué)總體目標(biāo)框架，把總目標(biāo)細(xì)分成若干子目標(biāo)，根據(jù)每個學(xué)習(xí)模塊的知識點選擇實例和設(shè)計任務(wù)。通過生動的實例演示和講解，引導(dǎo)學(xué)生觀察思考。用提問、比較、總結(jié)歸納、集體討論等方法，揭示蘊含在實例中的知識點以及知識點之間的聯(lián)系。其次要求學(xué)生在完成實驗的過程中發(fā)現(xiàn)問題解決問題，不斷積累經(jīng)驗和成就感，從而積極主動地構(gòu)建自己的知識結(jié)構(gòu)。

充實調(diào)整實驗內(nèi)容，逐步形成新的體系。實驗課不斷線，把實踐教學(xué)改革放在與理論教學(xué)改革同等重要的地位。圍繞著課程教學(xué)改革，通過重組實驗教學(xué)環(huán)境，構(gòu)建反映當(dāng)今計算機科學(xué)技術(shù)水平的系列實驗課程教學(xué)新體系。新體系強調(diào)各門課程明確分工、分層次培養(yǎng)學(xué)生的硬件實驗?zāi)芰Α④浖抡骝炞C能力和測量儀器使用能力。endprint

1.修訂實驗教學(xué)的具體方案

對各實驗單元進行分析，確定所做實驗涉及的基礎(chǔ)概念、基本原理和基本方法。計算機硬件課程的內(nèi)容龐雜，涉及面廣，其中的許多概念相當(dāng)抽象，不易理解。教師進行實驗教學(xué)方案的設(shè)計時，首先要了解學(xué)生的起點能力，對不足部分適當(dāng)加強，以實例引導(dǎo)學(xué)生從原有的知識由淺入深地建構(gòu)實驗過程。以《計算機組成原理》為例，在進行寄存器實驗時，要把寄存器的讀、寫和移位等過程作為實驗教學(xué)目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上修訂出相應(yīng)的實驗方案。

2.模擬實驗課題的應(yīng)用背景

《計算機組成原理》實驗教學(xué)的顯著特點是：每一個實驗都可以使學(xué)生樹立起對一個功能部件的正確認(rèn)識，并掌握和理解其構(gòu)成和功能，體驗到真實情境。實驗教學(xué)的情境創(chuàng)設(shè)要善于創(chuàng)新，富有變化，既要讓情境與學(xué)生的生活經(jīng)驗有一定聯(lián)系，又要有新的信息內(nèi)容。在學(xué)生意想不到的地方出現(xiàn)新的情境，提出新的問題。讓學(xué)生感到進入一種情境就獲得一次新的體驗，并得到新的發(fā)現(xiàn)和獲得新的知識。

3.實現(xiàn)學(xué)生知識的外化遷移

充分發(fā)揮學(xué)生的主動性，使學(xué)生主動探究問題，為學(xué)生設(shè)計不同的情境去應(yīng)用所學(xué)的知識，讓學(xué)生根據(jù)自身行動的反饋信息，來形成對客觀事物的認(rèn)識和解決問題的方案。在《計算機組成原理》的微指令技術(shù)學(xué)習(xí)后，要求學(xué)生按照微指令格式和微命令編碼方法，對模型機的微指令設(shè)計進行嘗試探索，從機器指令系統(tǒng)設(shè)計到微程序設(shè)計，從微命令設(shè)計到地址轉(zhuǎn)移方式的形成等。

4.形成協(xié)作學(xué)習(xí)的團體環(huán)境

協(xié)作學(xué)習(xí)是建構(gòu)主義理論的一個重要環(huán)境，彌補了個人學(xué)習(xí)理解能力的局限性，促進個人對問題最全面的了解。在實驗教學(xué)中，把學(xué)生按3～4人的標(biāo)準(zhǔn)劃分為多個小組并設(shè)立小組長。各小組的劃分要綜合考慮學(xué)生的性格、性別、學(xué)習(xí)成績和興趣等多個因素，確保各組整體水平差異性最小，同組內(nèi)學(xué)生學(xué)習(xí)特征和個性有效互補。教師根據(jù)實驗教學(xué)內(nèi)容確定學(xué)習(xí)的主題，指導(dǎo)學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)資源查閱解決實驗中出現(xiàn)的問題。

5.設(shè)立開放多元的考核機制

為檢驗對知識的建構(gòu)與驗證，學(xué)生在實驗做過以后應(yīng)進行自我評價、小組評價和教師評價。效果評價的意義在于分析學(xué)生的自學(xué)能力、觀察能力、實現(xiàn)技巧、思維能力等方面的特點和長處，通過學(xué)生之間的相互交流和評價，創(chuàng)造出一個開放式的評價機制。

此外，課程組還提出“3+5+2多元化實驗成績考核方式”。把“生寫師查、生做師察、生疑師答”貫穿于整個實驗考核過程中。

◇生寫師查。突出預(yù)習(xí)在實驗教學(xué)中的作用，預(yù)習(xí)成績占總成績的30%，預(yù)習(xí)報告是學(xué)生對教師所教授理論知識理解和掌握程度的直觀體現(xiàn)。教師查看預(yù)習(xí)報告，有針對性地指導(dǎo)學(xué)生實驗，從而提高實驗教學(xué)質(zhì)量。

◇生做師察。實驗操作和數(shù)據(jù)收集是實驗教學(xué)的中心環(huán)節(jié)，占總成績的50%。教師通過現(xiàn)場觀察和抽查的方式，對學(xué)生的動手能力進行全面考核。

◇生疑師答。實驗報告是實驗教學(xué)成果的總結(jié)，反映了學(xué)生對科學(xué)實驗的概括總結(jié)能力，占總成績的20%。對于學(xué)生的疑惑和操作難題，教師進行針對性解答和輔導(dǎo)。

6.強化后繼練習(xí)的反饋設(shè)計

根據(jù)評價的結(jié)果，為每位學(xué)生設(shè)計出一套強化實驗方案，指出其知識薄弱點，并設(shè)計有針對性的實驗步驟和實驗要求，以便使其通過強化訓(xùn)練改正原有的錯誤操作和設(shè)計，對實驗的目的和要求有更明確的認(rèn)識，最終達(dá)到符合要求的意義建構(gòu)。例如，通過簡單中斷系統(tǒng)的實驗后，可以引導(dǎo)學(xué)生進行多級中斷、中斷仲裁等實驗項目的練習(xí)。這樣不僅加強了學(xué)生對基本概念的理解和認(rèn)識，更重要的是加深了學(xué)生對中斷系統(tǒng)的進一步探討，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和探索精神。

● 結(jié)語

通過統(tǒng)計對比發(fā)現(xiàn)，進行教改后的實驗班級學(xué)生的平均成績以及實踐能力測試成績，都明顯高于其他基于傳統(tǒng)教學(xué)方法的教學(xué)班級。特別是針對實踐能力的考核，學(xué)生的完成情況較好，而且較多的小組能夠做出創(chuàng)新性實驗。但在具體實踐中還存在下列問題：

◇改革后的硬件實驗教學(xué)體系，對指導(dǎo)教師的業(yè)務(wù)素質(zhì)提出了更高要求。而目前的實驗教學(xué)師資力量尚不能完全滿足這種要求，難以大規(guī)模推廣新的教學(xué)模式。

◇綜合設(shè)計型和創(chuàng)新研究型的實驗，對硬件設(shè)備也提出了更高要求。高校的實驗室建設(shè)還有待進一步深化。

參考文獻：

[1]楊學(xué)穎.計算機硬件課程教學(xué)問題初探[J].河南教育學(xué)院學(xué)報，2006（3）：86-88.

[2]滕越.計算機組成原理實驗教學(xué)改革新探[J].吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報，2011（2）：100-102.

[3]高文，徐斌艷，吳剛.建構(gòu)主義教育研究[M].北京：教育科學(xué)出版社，2008.

基金項目：發(fā)達(dá)國家研究生培養(yǎng)模式的分析與比較—-基于比較分析的視角（浙江工業(yè)大學(xué)研究生教改項目，編號11900617）。endprint