◆李改霞 張國(guó)鵬 常小紅 見(jiàn)偉平 劉文磊 張鵬飛

0 前言

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程是空軍軍醫(yī)大學(xué)非生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)的通識(shí)基礎(chǔ)課程，其中有一個(gè)模塊主要圍繞計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的組成展開(kāi)，又以馮·諾依曼計(jì)算機(jī)為重中之重，故要求學(xué)生在學(xué)完該部分內(nèi)容后掌握馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)和運(yùn)行原理。觀(guān)察學(xué)生的上課狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)他們?cè)谏险n時(shí)都能始終如一地認(rèn)真聽(tīng)課和上機(jī)實(shí)驗(yàn)，大部分學(xué)生學(xué)習(xí)很刻苦，甚至還會(huì)在課余相互考考，幫助記憶。完成該模塊的學(xué)習(xí)后，大部分學(xué)生都能夠說(shuō)出馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的組成，并能夠結(jié)合構(gòu)成描述其特點(diǎn)。雖然學(xué)習(xí)目標(biāo)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，然而當(dāng)被問(wèn)到馮·諾依曼計(jì)算機(jī)存在的問(wèn)題，該如何改進(jìn)時(shí)，大部分學(xué)生表現(xiàn)得茫然無(wú)措。

1 涉及的學(xué)習(xí)原理

在學(xué)習(xí)馮·諾依曼計(jì)算機(jī)時(shí)會(huì)出現(xiàn)上述問(wèn)題，是因?yàn)閷W(xué)生組織知識(shí)的方式會(huì)影響其學(xué)習(xí)和運(yùn)用知識(shí)的方式[1]。學(xué)生現(xiàn)有的關(guān)于計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)知識(shí)組織的方式，可以幫助其解決某一類(lèi)問(wèn)題，但不足以靈活地應(yīng)對(duì)其面臨的所有任務(wù)要求。

若用黑點(diǎn)代表知識(shí)點(diǎn)，用黑色短線(xiàn)代表知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，大部分學(xué)生組織知識(shí)的形式如圖1、圖2所示，總體來(lái)看，兩種結(jié)構(gòu)知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系少。結(jié)構(gòu)A所示知識(shí)結(jié)構(gòu)各知識(shí)點(diǎn)分散，這會(huì)阻礙學(xué)生的學(xué)習(xí)，因?yàn)閷W(xué)生還沒(méi)有認(rèn)識(shí)到各知識(shí)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致提取知識(shí)時(shí)速度慢、難度大。結(jié)構(gòu)B雖然可以讓學(xué)生按序提取信息，但如果鏈條中的某段聯(lián)系被破壞，或需要調(diào)整其中某一知識(shí)點(diǎn)的順序時(shí)，就需花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間提取知識(shí)，當(dāng)然提取速度也會(huì)降低。

圖1 知識(shí)結(jié)構(gòu)A

圖2 知識(shí)結(jié)構(gòu)B

由此可以發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中沒(méi)有習(xí)得一種以關(guān)聯(lián)或有意義的方式組織所學(xué)信息的方法。但是專(zhuān)家在組織知識(shí)時(shí)會(huì)無(wú)意識(shí)地創(chuàng)造并存儲(chǔ)起一個(gè)復(fù)雜的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，如圖3、圖4所示，這一網(wǎng)絡(luò)把重要的事實(shí)、概念、程序與本領(lǐng)域中其它要素聯(lián)系起來(lái)，使其可以靈活地應(yīng)對(duì)本領(lǐng)域的所有任務(wù)要求。

圖3 知識(shí)結(jié)構(gòu)C

圖4 知識(shí)結(jié)構(gòu)D

綜上，如何讓學(xué)生組織知識(shí)的方式從新手向?qū)＜疫^(guò)渡，幫助其采用有效的方式來(lái)組織所學(xué)的知識(shí)，進(jìn)而增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果，是教師在教學(xué)中要考慮的一個(gè)重要問(wèn)題。

2 幫助學(xué)生構(gòu)建適合的知識(shí)組織方式

以大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中“計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)”模塊為研究?jī)?nèi)容，探索如何幫助學(xué)生構(gòu)建聯(lián)系緊密、意義豐富、靈活多變的知識(shí)組織方式。在學(xué)習(xí)“計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)”內(nèi)容之初，學(xué)生的知識(shí)組織較為膚淺，不能很好地進(jìn)行抽象思維或解決問(wèn)題。故在學(xué)習(xí)的初始階段，教師應(yīng)幫助學(xué)生選擇合適的知識(shí)組織，教他們從所學(xué)內(nèi)容中抽象出相關(guān)原理；監(jiān)測(cè)其學(xué)習(xí)過(guò)程，了解他們加工所學(xué)信息的方式，以確保他們采用有效的方式來(lái)組織所學(xué)的知識(shí)。

幫助學(xué)生選擇合適的知識(shí)組織

1）思維導(dǎo)圖由英國(guó)學(xué)者東尼·博贊（Tony Buzan）于20世紀(jì)70年代初期所創(chuàng)，由一個(gè)中央節(jié)點(diǎn)和不斷向周?chē)l(fā)散形成的樹(shù)狀圖構(gòu)成[2]。教師創(chuàng)建思維導(dǎo)圖，分析馮·諾依曼計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的知識(shí)組織。因?yàn)轳T·諾依曼計(jì)算機(jī)模型是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)，所以計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的學(xué)習(xí)應(yīng)以馮·諾依曼計(jì)算機(jī)為起點(diǎn)。學(xué)習(xí)之初，教師利用創(chuàng)建思維導(dǎo)圖的方法為學(xué)生提供一個(gè)能組織其所學(xué)知識(shí)的框架及提綱——馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的六大特點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的思維導(dǎo)圖

2）分析有關(guān)馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的學(xué)習(xí)任務(wù)，找出最合適的知識(shí)組織。不同的任務(wù)需要不同的知識(shí)組織，進(jìn)行任務(wù)分析對(duì)決定采用何種組織方式很有幫助。分析該部分內(nèi)容相關(guān)學(xué)習(xí)任務(wù)，其學(xué)習(xí)目標(biāo)是掌握馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)。教師圍繞該任務(wù)為學(xué)生提供馮·諾依曼計(jì)算機(jī)硬件框圖，如圖6所示，幫助其組織知識(shí)，也使其易于觀(guān)察馮·諾依曼計(jì)算機(jī)在整個(gè)工作過(guò)程中存在的問(wèn)題。

圖6 馮·諾依曼計(jì)算機(jī)硬件框圖

3）向?qū)W生提供馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的組織結(jié)構(gòu)。不是所有學(xué)生都能看到有關(guān)馮·諾依曼計(jì)算機(jī)硬件框圖的邏輯結(jié)構(gòu)，所以需要在框架性流程圖的基礎(chǔ)上，呈現(xiàn)關(guān)于各構(gòu)成部分的關(guān)鍵概念和主題，并著重強(qiáng)調(diào)其中的內(nèi)在聯(lián)系，幫助學(xué)生理解知識(shí)之間的關(guān)聯(lián)，如圖7所示。

圖7 以運(yùn)算器為中心的計(jì)算機(jī)硬件框圖

幫助學(xué)生建構(gòu)更有意義的深層知識(shí)組織

1）明確強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)知識(shí)組織的深層特征。教師讓學(xué)生觀(guān)察馮·諾依曼計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)，找出存在的問(wèn)題。學(xué)生通過(guò)觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，首先，馮·諾依曼計(jì)算機(jī)以運(yùn)算器為核心，運(yùn)算器不僅要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的輸入和輸出，還要負(fù)責(zé)算術(shù)和邏輯運(yùn)算，非常繁忙，故運(yùn)算器成為馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的瓶頸。學(xué)習(xí)進(jìn)行到這里，可引導(dǎo)學(xué)生思考如何優(yōu)化馮·諾依曼計(jì)算機(jī)硬件框圖，解決其瓶頸問(wèn)題。學(xué)生現(xiàn)有的知識(shí)組織方式還不足以回答該問(wèn)題，教師可以對(duì)圖7所示的馮·諾依曼計(jì)算機(jī)硬件框圖進(jìn)行如圖8所示的改進(jìn)，將以運(yùn)算器為中心的計(jì)算機(jī)硬件框圖改為以存儲(chǔ)器為中心，實(shí)現(xiàn)輸入輸出設(shè)備與存儲(chǔ)器之間直接的信息交換，運(yùn)算器只與存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，控制器通過(guò)控制信號(hào)和狀態(tài)感知系統(tǒng)的各個(gè)部分。

圖8 以存儲(chǔ)器為中心的計(jì)算機(jī)硬件框圖

2）把計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)有關(guān)概念之間的聯(lián)系明確化。雖然圖8的框架可以幫助學(xué)生以更有意義的方式組織自己的知識(shí)，但仍然略顯雜亂，故在圖8的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行自頂向下的結(jié)構(gòu)化分析，使其顯得更具層次性，能讓學(xué)生更好地建立知識(shí)間的關(guān)聯(lián)，如圖9所示。

圖9 自頂向下的結(jié)構(gòu)化計(jì)算機(jī)硬件框圖

監(jiān)控學(xué)生的學(xué)習(xí)，了解其知識(shí)組織中的問(wèn)題并及時(shí)反饋

1）讓學(xué)生創(chuàng)建思維導(dǎo)圖，展示自己關(guān)于計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的知識(shí)組織。在計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的課程開(kāi)始之初，讓學(xué)生創(chuàng)建思維導(dǎo)圖，以此來(lái)探察學(xué)生已有的知識(shí)組織；并持續(xù)監(jiān)測(cè)，觀(guān)察這些知識(shí)組織如何隨著時(shí)間和經(jīng)驗(yàn)的發(fā)展而改變。通過(guò)診斷，可以判斷學(xué)生是否把計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)錯(cuò)誤分類(lèi)；是否在不相關(guān)的概念間建立錯(cuò)誤的聯(lián)系，或未能在相關(guān)概念間建立聯(lián)系；是否把屬于下位概念的知識(shí)錯(cuò)誤地歸為上位概念等。

2）監(jiān)控學(xué)生的學(xué)習(xí)，以了解其關(guān)于計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)知識(shí)組織中的問(wèn)題。主要通過(guò)學(xué)生在作業(yè)中所犯錯(cuò)誤類(lèi)型檢測(cè)學(xué)生知識(shí)組織中存在的問(wèn)題。

3 教學(xué)效果評(píng)價(jià)

教學(xué)效果從主觀(guān)和客觀(guān)兩個(gè)方面進(jìn)行，主觀(guān)評(píng)價(jià)利用觀(guān)察法和調(diào)查問(wèn)卷法進(jìn)行，客觀(guān)評(píng)價(jià)通過(guò)測(cè)驗(yàn)調(diào)查法進(jìn)行。

主觀(guān)評(píng)價(jià) 通過(guò)觀(guān)察法記錄空軍軍醫(yī)大學(xué)2017級(jí)、2018級(jí)學(xué)生的課堂反應(yīng)，利用調(diào)查問(wèn)卷法調(diào)查對(duì)幫助其建構(gòu)知識(shí)組織方式的滿(mǎn)意度、建構(gòu)更有意義的深層知識(shí)組織的滿(mǎn)意度、了解其知識(shí)組織中的問(wèn)題并反饋的滿(mǎn)意度等方面的數(shù)據(jù)，并應(yīng)用相應(yīng)的檢驗(yàn)方法對(duì)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分析。分析觀(guān)察得到的記錄，發(fā)現(xiàn)2018級(jí)學(xué)生對(duì)于課程內(nèi)容的興趣、課堂互動(dòng)等方面都比2017級(jí)學(xué)生強(qiáng)烈。

利用χ2檢驗(yàn)分析調(diào)查問(wèn)卷的數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：2018級(jí)學(xué)生對(duì)所調(diào)查三方面的滿(mǎn)意度均高于2017級(jí)（p＜0.01），見(jiàn)表1。

表1 2017級(jí)和2018級(jí)學(xué)生的主觀(guān)評(píng)價(jià)

對(duì)于調(diào)查的三個(gè)方面的滿(mǎn)意度，入學(xué)以來(lái)不同學(xué)習(xí)成績(jī)的2018級(jí)學(xué)生間皆無(wú)顯著差異（p＞0.05），見(jiàn)表2。

表2 2018級(jí)入學(xué)以來(lái)不同學(xué)習(xí)成績(jī)學(xué)生的主觀(guān)評(píng)價(jià)

客觀(guān)評(píng)價(jià) 客觀(guān)評(píng)價(jià)通過(guò)測(cè)驗(yàn)調(diào)查法來(lái)進(jìn)行。采用非參數(shù)檢驗(yàn)中的兩獨(dú)立樣本檢驗(yàn)2017級(jí)、2018級(jí)學(xué)生測(cè)驗(yàn)成績(jī)，發(fā)現(xiàn)2018級(jí)學(xué)生成績(jī)高于2017級(jí)學(xué)生成績(jī)（p＜0.05）[3]。χ2檢驗(yàn)結(jié)果表明：2018級(jí)學(xué)生成績(jī)的及格率（≥60分）、優(yōu)秀率（≥90分）均高于2017級(jí)學(xué)生（p＜0.05）?？陀^(guān)評(píng)價(jià)如表3所示。

表3 2017級(jí)和2018級(jí)學(xué)生成績(jī)客觀(guān)評(píng)價(jià)

4 結(jié)語(yǔ)

以知識(shí)的組織方式為課堂設(shè)計(jì)核心，圍繞“計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)”相關(guān)內(nèi)容，設(shè)計(jì)進(jìn)行一系列教學(xué)環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)組織良好的知識(shí)能更好地與學(xué)習(xí)任務(wù)相契合，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)方式和學(xué)業(yè)表現(xiàn)都有很大的影響。因而，教師在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該著重在幫助學(xué)生構(gòu)建聯(lián)系緊密、意義豐富、靈活多變的知識(shí)組織方式上多加思考。