基于建構主義理論的“計算機組成原理”教學改革研究

摘要：基于對當前“計算機組成原理”教學過程中存在問題及原因的分析，闡述了以建構主義理論為指導的課程教學方法改革措施。實際教學應用的結果表明，以建構主義理論為指導的教改措施可以充分調動學生的學習積極性和創新能力，加深學生對理論知識的理解，提高學生的實際動手能力和綜合素質，有效實現了教學效果的優化。

關鍵詞：建構主義；計算機組成原理；主觀能動性

作者簡介：羅慧敏（1980-），女，河南周口人，河南大學計算機與信息工程學院，講師；閻朝坤（1978-），男，河南開封人，河南大學計算機與信息工程學院，講師。（河南 開封 475004）

基金項目：本文系河南大學第十一批教學改革項目（項目編號：2011JXGG060）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2012）22-0073-02

“計算機組成原理”不僅是計算機科學與技術專業及相關專業的一門核心基礎課程，也是非計算機專業學生掌握計算機技術的一門專業選修課程。它的先導課程包括電路與電子學、數字邏輯和匯編語言；后續課程有微型機系統與接口、計算機體系結構等，在一系列硬件課程中起著承上啟下的作用。[1]而且該課程內容在全國計算機專業研究生入學考試中占據相當大的比例（占總分數的1/3份額）。由此可見，該課程在計算機科學與技術專業的知識體系中的重要地位。然而，在實際教學中，由于其理論性很強、知識面較寬、信息量較大且學時不多，教師難教，學生難學，教學效果不理想。傳統的“灌輸式”教學方法，無法調動學生的主觀能動性，且忽略了學生的主體地位。[2]長此以往，造成學生的學習興趣不高，學習目的僅僅是應付期末考試和考研，無法將該課程的作用和本質真正融入到整個專業知識體系之中。另外，學生的學習態度和學習效果也會在一定程度上影響教師的教學積極性，進而影響教學效果。

建構主義理論認為知識主要是個人對知識的一種建構，而不是源于現實的意義，這為計算機專業的課程教學提供了新的理念。本文利用建構主義學習理論及其倡導的教學模式對“計算機組成原理”課程教學進行了改革探索，取得了較好的成效。

一、“計算機組成原理”教學目標及現狀

“計算機組成原理”的教學目標是使學生掌握計算機以及各功能部件的工作原理，掌握相關設計方法和邏輯實現，熟悉各功能部件連成整機的方法、建立起整機工作的概念，為學生未來進行計算機系統的分析、開發、使用和設計工作打下基礎。[3]

然而在“計算機組成原理”的教學過程中，往往存在各種問題。一方面，學生普遍抱怨該課程深奧，難學難懂，學習熱情不高；另一方面，教師感覺該課程難教，雖然花費了較大精力去教授課程內容，認真指導學生實驗，但教學效果不理想。課程組通過多年對該課程的教學總結以及與學生的溝通，對教學中存在的問題進行認真分析，對其存在的原因進行了歸納總結，主要表現在以下幾點。

1.教材理論性強，內容抽象，與前沿技術脫節

目前，“計算機組成原理”課程的教材普遍理論性較強，相對于計算機硬件的發展來說，講授的內容不僅抽象，而且較陳舊，缺乏與當前計算機最新前沿技術的連接。一方面，學生感覺課程內容枯燥難懂，不實用；另一方面，新的硬件技術知識的復雜性增大了教師組織和實施教學的難度。

2.課程的“縱向”“橫向”關聯性較強

一方面，該課程與電路與電子學、數字邏輯等先修課程有一種縱向的密切關聯。這些先修課程本身難度就較大，如果學生對這些知識沒有很好地掌握，基礎沒打好，勢必影響到對計算機各組成部分的硬件電路及其工作原理的學習，學生會感到學習吃力，逐漸喪失學習興趣，這種縱向聯系也增加了教師的講授難度；另一方面，本課程的各知識點存在一種橫向的關聯性。計算機各部件是分別講授的，但是存在相互依賴關系。例如，運算器部分和存儲器部分都用到了控制器部分的相關基礎內容，這些關聯使得計算機組成原理的教學不同于其他課程，對各知識點的介紹不能一步到位，增加了理解和教學的難度。

3.實踐環節相對薄弱，與教學內容不能有效結合

“計算機組成原理”課程涉及計算機內部的構造、工作原理及應用，理論性很強，必須通過實踐環節幫助學生真正理解和掌握。然而，目前該課程的教學安排上，實驗學時占據比例偏少，不能滿足該課程實驗教學的需要。雖然配置了FPGA實驗平臺，但由于課時限制以及需要相關硬件描述語言的學習基礎，所設置的實驗內容大都以驗證性實驗為主，實驗時往往參照實驗手冊完成，不能使學生深入理解計算機內部工作原理，也無法發揮學生的創造力。

4.教考模式的單一老化

“計算機組成原理”課程的教學主要采取“灌輸式”的教學方法。這種傳統的教學方法對于理論性強、難度大的計算機組成原理的教學來說，無法調動學生的主觀能動性，忽略了學生的主體地位。在考核方式上，傳統的閉卷考試只會造成學生忽略實踐環節，局限于對課本知識的死記硬背，無法有效提高學生的動手能力和創新能力。

二、建構主義理論的主要思想

建構主義理論是當代西方國家興起的一種社會科學理論，它是在吸取了眾多的學習理論（如皮亞杰、維果斯基）思想的基礎上發展形成的。建構主義理論是繼認知主義之后學習理論的又一場重要的變革，是行為主義發展到認知主義之后的進一步發展，在教育領域具有廣泛的影響力。[4]

建構主義認為：“學習是獲取知識的過程。知識不是通過教師傳授獲得的，而是學生在一定的情景即社會文化背景下，借助其他人（包括教師和學習伙伴）的幫助，利用必要的學習資料，通過意義建構的方法而獲得。”建構主義倡導在教學中以學生為中心，教師在教學過程中起組織者、指導者、幫助者和促進者的作用，利用情境、協作、會話等學習環境要素充分發揮學生的主動性、積極性和首創精神，最終達到使學生有效地實現對當前所學知識的意義建構的目的。已經形成的基于建構主義理論的教學模式主要有拋錨式教學、支架式教學、隨機進入教學等模式。[5]

三、基于建構主義理論的“計算機組成原理”教學改革探索

如何在“計算機組成原理”的教學過程中運用建構主義教學觀指導教學設計，對學生的理論知識理解能力、實踐創新能力等素質有良好的培養是一個值得研究的重要課題。課程組對河南大學計算機與信息工程學院2010年度開設“計算機組成原理”課程的同一層次的班級中，隨機選擇了1個班作為新的教學模式研究的實驗班級，以建構主義理論對教學過程進行了新的修改和嘗試，主要體現為以下幾點。

1.設置情景，激發學生的學習動機

設置情境，也就是建立學生所要學習的知識與現實情況基本相近的情景環境，把學生引入到需要通過某個知識點來解決現實問題的情境。在講授相關知識點之前，讓學生提前搜集整理和學習相關的內容，包括與先修課程的關聯以及與知識點相關的最新計算機硬件的發展現狀。通過建立理論中理想問題與現實問題的關聯，讓學生自主發現問題，以此激發學生的學習動機和興趣。在課堂上，充分運用多媒體教學手段，根據教學內容，搜集并制作了大量有關計算機組成原理各部件工作原理、流程等原理演示的動畫素材以及一些知識點引入的情景動畫。通過在課堂上進行生動、豐富的Flash演示，以圖文并茂、形象生動的表現方式，向學生展示當次課程所講授知識點的問題情境。情景中包含了以前先修課程內容與計算機組成原理講授知識點之間的關聯性，通過一種生動活潑的情景導入式的教學步驟，引導學生討論，激活學生思維。通過討論和反饋，補充和完善原先所學習的認識，從而達到師生共同發現問題并建構新知識體系的目的。

2.提出問題，促進學生的自主學習

“計算機組成原理”知識點多、內容廣，如果總是采取傳統的教師直接講授的方式，無法激勵學生主動去思考。針對這一情況，在講授課程內容中穿插設置了許多問題，激活學生思維。例如在講存儲器容量擴充時，可以先詳細講解位擴展和字擴展方式，位擴展應用于存儲單元數不變而存儲單元位數增加的情況，字擴展應用于存儲單元位數不變而存儲單元個數增加的情況，然后提出問題：當遇到需要存儲單元數及存儲單元位數都需要增加的時候，怎樣解決？從而可以留給學生自己去探究問題的空間，讓學生主動去尋求問題的答案。不僅培養了學生整理分析、利用信息的能力，也培養了學生獨立解決問題、自主學習的能力。

3.協作學習，拓展學生知識視野

協作學習是建構主義理論的一個重要環境，彌補了個人學習理解能力的局限性，促進個人對問題最全面的了解。在教學中，將班級學生按5～6人的標準劃分為多個小組并設立小組長。各小組的劃分要綜合考慮學生的性格、性別、學習成績和興趣等多個因素，不能采取簡單的隨意組合或自愿組合的形式，確保各組整體水平差異性最小，同組內學生學習特征和個性有效互補。教師根據教學內容，確定一些學習主題和思考問題并提供相關的信息資源，教授學生如何利用網絡資源查閱解決學習中出現的問題。在集體協作學習的過程中，教師可通過QQ群和組長例會的形式及時掌握各小組成員的學習動態，加以點撥和指導。整個過程中，學生始終處于主動地位，教師處于輔助和引導的作用。

4.成果匯報，給出總結評價

根據教師提前設置的某個學習主題，選擇一個時間讓各小組將他們學習討論的結果在班級上進行展示。展示過程采取一種互動交流的方式，教師或學生都可以對展示小組的講解或結果進行提問、對所質疑的問題進行討論。這種方式不僅鍛煉了學生的表達能力，也促使各小組成員對學習主題的認真準備。通過這種活潑、生動的學習場景，學生的學習熱情得到了大大提高。在各小組匯報結束后，通過小組自評、小組間互評、教師評價三方面對各小組打分，然后小組長根據各小組成員參與度對小組成員進行打分。

5.加強實踐教學，培養學生創造力

鞏固計算機各部件工作原理的學習，突出實踐教學環節，培養學生的動手能力，促進學生新、舊經驗結構的有效重構，獲得新的認知。教師在學生進行下一個實驗之前，首先在課堂上通過EC_PC_Vseries計算機組成原理實驗仿真系統演示實驗，同時提出相關思考問題，以便學生在實驗平臺上進行實驗時，不僅能快速完成實驗內容，也能根據教師設置的問題，對實驗進行更深入的思考。同時向學生提供關于VHDL的課外學習資料和電子資源，促使各小組學習討論，引導學生進行創新性實驗的設計和完成，鼓勵學生的創新能力。

四、結果與分析

1.教學效果對比

通過統計實施教改的實驗班級與其他班級的期末考試成績以及實踐能力的測試成績對比，發現實施教改后的實驗班級學生的平均成績、及格率以及實踐能力測試成績均明顯高于其他基于傳統教學方法的教學班級，由此可說明基于建構主義的教學模式優于傳統教學模式。課程組也對期末考試成績各題型的做答和得分情況進行了統計分析，發現實施教改班級的學生在分析填空和綜合應用題上，得分率明顯提高，對知識點的理解程度也較深入。特別是針對實踐能力的考核統計方面，學生完成情況較好，而且較多的小組能夠做出創新性實驗。

2.調查問卷分析

通過設計問卷調查獲得學生的教學反饋信息表明，95％的學生對新的教學模式表示支持，認為該模式能夠提高其學習積極性、提高了主動思考問題的能力、協作能力以及語言表達能力等。由此可見基于建構主義的計算機組成教學模式能提高學生的綜合素質，優于傳統的灌輸式教學模式。

五、結束語

建構主義理論下的“計算機組成原理”教學，打破了傳統的以教為主的教學模式，建立起以學生為主體，師生共同協作參與的教學氛圍，培養了學生的自主學習意識和能力，激發了學生的學習熱情，更適合新型現代計算機專業人才的培養。在后續的教學活動中，課程組將繼續對教學過程進行監控和分析，注重教學效果的評估，在實踐中不斷完善。同時加強課程組師資隊伍建設和教材建設工作，以實現“計算機組成原理”課程建設的不斷完善和可持續發展。

參考文獻：

[1]侯宏霞，松云.“計算機組成原理”精品課程建設的實踐與探索[J].計算機教育，2010，(2):119-121.

[2]莫曉暉，張漪.計算機組成原理課程教學改革[J].計算機教育，2010，

(13):101-103.

[3]羅福強，馮裕忠，茹鵬.計算機組成原理[M].北京:清華大學出版社，

2011.

[4]高文，徐斌艷，吳剛.建構主義教育研究[M].北京:教育科學出版社，

2008.

[5]余勝泉，楊曉娟，何克抗.基于建構主義的教學設計模式[J].電化教育研究，2000，(12).

（責任編輯：宋秀麗）