學生知識組織方式對其學習影響探索和研究*
——以大學計算機基礎課程為例

◆李改霞 張國鵬 常小紅 見偉平 劉文磊 張鵬飛

0 前言

大學計算機基礎課程是空軍軍醫大學非生物醫學工程專業的通識基礎課程，其中有一個模塊主要圍繞計算機硬件系統的組成展開，又以馮·諾依曼計算機為重中之重，故要求學生在學完該部分內容后掌握馮·諾依曼計算機的特點和運行原理。觀察學生的上課狀態，發現他們在上課時都能始終如一地認真聽課和上機實驗，大部分學生學習很刻苦，甚至還會在課余相互考考，幫助記憶。完成該模塊的學習后，大部分學生都能夠說出馮·諾依曼計算機的組成，并能夠結合構成描述其特點。雖然學習目標已經實現，然而當被問到馮·諾依曼計算機存在的問題，該如何改進時，大部分學生表現得茫然無措。

1 涉及的學習原理

在學習馮·諾依曼計算機時會出現上述問題，是因為學生組織知識的方式會影響其學習和運用知識的方式[1]。學生現有的關于計算機硬件系統知識組織的方式，可以幫助其解決某一類問題，但不足以靈活地應對其面臨的所有任務要求。

若用黑點代表知識點，用黑色短線代表知識點之間的聯系，大部分學生組織知識的形式如圖1、圖2所示，總體來看，兩種結構知識點之間的聯系少。結構A所示知識結構各知識點分散，這會阻礙學生的學習，因為學生還沒有認識到各知識點間的關聯，導致提取知識時速度慢、難度大。結構B雖然可以讓學生按序提取信息，但如果鏈條中的某段聯系被破壞，或需要調整其中某一知識點的順序時，就需花費更長的時間提取知識，當然提取速度也會降低。

圖1 知識結構A

圖2 知識結構B

由此可以發現，大部分學生在課程學習中沒有習得一種以關聯或有意義的方式組織所學信息的方法。但是專家在組織知識時會無意識地創造并存儲起一個復雜的知識網絡，如圖3、圖4所示，這一網絡把重要的事實、概念、程序與本領域中其它要素聯系起來，使其可以靈活地應對本領域的所有任務要求。

圖3 知識結構C

圖4 知識結構D

綜上，如何讓學生組織知識的方式從新手向專家過渡，幫助其采用有效的方式來組織所學的知識，進而增強學習效果，是教師在教學中要考慮的一個重要問題。

2 幫助學生構建適合的知識組織方式

以大學計算機基礎課程中“計算機硬件系統”模塊為研究內容，探索如何幫助學生構建聯系緊密、意義豐富、靈活多變的知識組織方式。在學習“計算機硬件系統”內容之初，學生的知識組織較為膚淺，不能很好地進行抽象思維或解決問題。故在學習的初始階段，教師應幫助學生選擇合適的知識組織，教他們從所學內容中抽象出相關原理；監測其學習過程，了解他們加工所學信息的方式，以確保他們采用有效的方式來組織所學的知識。

幫助學生選擇合適的知識組織

1）思維導圖由英國學者東尼·博贊（Tony Buzan）于20世紀70年代初期所創，由一個中央節點和不斷向周圍發散形成的樹狀圖構成[2]。教師創建思維導圖，分析馮·諾依曼計算機硬件系統的知識組織。因為馮·諾依曼計算機模型是現代計算機的基礎，所以計算機硬件系統的學習應以馮·諾依曼計算機為起點。學習之初，教師利用創建思維導圖的方法為學生提供一個能組織其所學知識的框架及提綱——馮·諾依曼計算機的六大特點，如圖5所示。

圖5 計算機硬件系統的思維導圖

2）分析有關馮·諾依曼計算機的學習任務，找出最合適的知識組織。不同的任務需要不同的知識組織，進行任務分析對決定采用何種組織方式很有幫助。分析該部分內容相關學習任務，其學習目標是掌握馮·諾依曼計算機的特點。教師圍繞該任務為學生提供馮·諾依曼計算機硬件框圖，如圖6所示，幫助其組織知識，也使其易于觀察馮·諾依曼計算機在整個工作過程中存在的問題。

圖6 馮·諾依曼計算機硬件框圖

3）向學生提供馮·諾依曼計算機的組織結構。不是所有學生都能看到有關馮·諾依曼計算機硬件框圖的邏輯結構，所以需要在框架性流程圖的基礎上，呈現關于各構成部分的關鍵概念和主題，并著重強調其中的內在聯系，幫助學生理解知識之間的關聯，如圖7所示。

圖7 以運算器為中心的計算機硬件框圖

幫助學生建構更有意義的深層知識組織

1）明確強調計算機硬件系統知識組織的深層特征。教師讓學生觀察馮·諾依曼計算機硬件系統，找出存在的問題。學生通過觀察發現，首先，馮·諾依曼計算機以運算器為核心，運算器不僅要負責數據的輸入和輸出，還要負責算術和邏輯運算，非常繁忙，故運算器成為馮·諾依曼計算機的瓶頸。學習進行到這里，可引導學生思考如何優化馮·諾依曼計算機硬件框圖，解決其瓶頸問題。學生現有的知識組織方式還不足以回答該問題，教師可以對圖7所示的馮·諾依曼計算機硬件框圖進行如圖8所示的改進，將以運算器為中心的計算機硬件框圖改為以存儲器為中心，實現輸入輸出設備與存儲器之間直接的信息交換，運算器只與存儲器進行數據的交換，控制器通過控制信號和狀態感知系統的各個部分。

圖8 以存儲器為中心的計算機硬件框圖

2）把計算機硬件系統有關概念之間的聯系明確化。雖然圖8的框架可以幫助學生以更有意義的方式組織自己的知識，但仍然略顯雜亂，故在圖8的基礎上對其進行自頂向下的結構化分析，使其顯得更具層次性，能讓學生更好地建立知識間的關聯，如圖9所示。

圖9 自頂向下的結構化計算機硬件框圖

監控學生的學習，了解其知識組織中的問題并及時反饋

1）讓學生創建思維導圖，展示自己關于計算機硬件系統的知識組織。在計算機硬件系統的課程開始之初，讓學生創建思維導圖，以此來探察學生已有的知識組織；并持續監測，觀察這些知識組織如何隨著時間和經驗的發展而改變。通過診斷，可以判斷學生是否把計算機硬件系統相關知識錯誤分類；是否在不相關的概念間建立錯誤的聯系，或未能在相關概念間建立聯系；是否把屬于下位概念的知識錯誤地歸為上位概念等。

2）監控學生的學習，以了解其關于計算機硬件系統知識組織中的問題。主要通過學生在作業中所犯錯誤類型檢測學生知識組織中存在的問題。

3 教學效果評價

教學效果從主觀和客觀兩個方面進行，主觀評價利用觀察法和調查問卷法進行，客觀評價通過測驗調查法進行。

主觀評價 通過觀察法記錄空軍軍醫大學2017級、2018級學生的課堂反應，利用調查問卷法調查對幫助其建構知識組織方式的滿意度、建構更有意義的深層知識組織的滿意度、了解其知識組織中的問題并反饋的滿意度等方面的數據，并應用相應的檢驗方法對調查結果進行分析。分析觀察得到的記錄，發現2018級學生對于課程內容的興趣、課堂互動等方面都比2017級學生強烈。

利用χ2檢驗分析調查問卷的數據，結果表明：2018級學生對所調查三方面的滿意度均高于2017級（p＜0.01），見表1。

表1 2017級和2018級學生的主觀評價

對于調查的三個方面的滿意度，入學以來不同學習成績的2018級學生間皆無顯著差異（p＞0.05），見表2。

表2 2018級入學以來不同學習成績學生的主觀評價

客觀評價 客觀評價通過測驗調查法來進行。采用非參數檢驗中的兩獨立樣本檢驗2017級、2018級學生測驗成績，發現2018級學生成績高于2017級學生成績（p＜0.05）[3]。χ2檢驗結果表明：2018級學生成績的及格率（≥60分）、優秀率（≥90分）均高于2017級學生（p＜0.05）。客觀評價如表3所示。

表3 2017級和2018級學生成績客觀評價

4 結語

以知識的組織方式為課堂設計核心，圍繞“計算機硬件系統”相關內容，設計進行一系列教學環節，發現組織良好的知識能更好地與學習任務相契合，對學生的學習方式和學業表現都有很大的影響。因而，教師在進行教學設計時應該著重在幫助學生構建聯系緊密、意義豐富、靈活多變的知識組織方式上多加思考。