基于建构主义理论的计算机硬件实验教学改革

赖梅+++熊丽荣

摘要：针对国内高校计算机硬件实验教学的现状，结合《计算机组成原理》等课程中的教学实际，本文分析了实验教学中的特点和具体问题，提出基于建构主义教学理论改革计算机硬件实验教学的观点。实际应用结果表明，以建构主义理论为指导的硬件实验教学改革，可以调动学生的积极性和创新能力，加深学生对理论知识的理解，提高学生的动手能力和综合素质，实现教学效果的优化。

关键词：建构主义；计算机硬件实验；教学改革

● 引言

在高校计算机教学体系中，硬件基础课程占据着重要地位。无论软件开发、网络技术还是工业控制，都必须对计算机的工作原理和硬件支持非常了解。但是在硬件课程的讲授过程中，由于学生对硬件知识缺乏了解，再加上相应的实践环节难以保证，致使学生产生厌烦和恐惧情绪，严重者甚至怀疑自己的能力，因此硬件基础课程的教学流于形式，教学质量也难以保证。[1]

在计算机技术飞速发展的今天，硬件理论知识只有通过实验环节才能加深理解，实验能使学生掌握计算机硬件设计、制造、调试和运行维护等多方面的技能，训练学生的动手能力，培养创新能力及认真、严谨的科研作风。然而传统的《计算机组成原理》实验存在诸多不足，如某些部件实验中使用小规模集成电路，需要在面板上大量连线，由于接触不良等原因，导致工作量大，效率不高。更严重的是实验内容受到限制，对一些较复杂的设计很难实现，不利于充分调动学生的创新意识，难以进行有创意或综合性较强的设计性实验。[2]

笔者针对目前高校计算机硬件实验教学中出现的普遍问题，结合在《计算机组成原理》等课程中的教学实际，以建构主义为教学改革的理论基础，从实验教学方案的修订、实验场景的创建、协同学习环境的形成等方面进行改革，取得了较好的教学效果。

● 现状和问题

1.实验内容缺乏有机关联

以《计算机组成原理》实验为例，其内容与《数字逻辑》、《微机接口》、《汇编语言》等课程有着密切的纵向关联。但任课教师按照教学大纲独立授课，过于强调自己所授内容的完整性，忽略了课程的彼此衔接和整体优化。

此外，该课程各知识点还存在横向的关联性，如运算器和存储器都用到控制器的相关内容。这些关联使得《计算机组成原理》不同于其他课程，对知识点的介绍不能一步到位，增加了实验教学的难度。

2.实验模式缺乏综合创新

目前国内高校的计算机硬件的实验教学模式，通常是先进行理论教学，然后再做相应的实验。在这种单一的模式中，学生只能被动完成教师要求的基础验证型实验，没有机会进行综合设计型和创新研究型的实验。

3.实验考核缺乏规范量化

对于硬件实验的考核，过度依赖现场观察进行打分，导致指导教师工作量繁重，实验报告抄袭现象时有发生。实验考核机制没有全面的量化的评价标准，降低了成绩的公正和客观性，无法充分调动学生参与硬件实验的积极性。

● 建构主义理论

1.主要思想

建构主义认为，知识不是通过教师传授得到，而是学习者在一定情境即社会文化背景下，借助其他人的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式获得。

建构主义的主要思想包括“情境”、“协作”、“会话”和“意义建构”四大要素。“情境”是学习环境中的情境必须有利于学生对所学内容的意义建构。“协作”是在个人自主学习的基础上开展小组讨论协商。“会话”要求学习小组成员间必须通过商讨来确定如何完成规定的学习任务和计划。“意义建构”是整个学习过程的最终目标，其“意义”是指事物的性质、规律以及事物之间的内在联系。

2.教学模式

与建构主义学习理论相适应的教学模式可概括为：以学生为中心，教师起着组织者和促进者作用，利用情境、协作、会话等学习环境要素，充分发挥学生的首创精神，使学生有效地实现对当前所学知识的意义建构。

学生是知识意义的主动建构者；教师是教学过程的组织者指导者、意义建构的帮助者促进者；教材所提供的知识不是教师传授的内容，而是学生主动建构意义的对象；多媒体也不再是帮助教师传授知识的手段方法，而是用来创设情境、进行协作学习和会话交流。

3.教学方法

◇支架式教学：是指应当为学习者建构对知识的理解提供概念框架。这种框架的概念是为发展学习者对问题的进一步理解所需要的，为此必须事先把复杂的学习任务加以分解，以便于把学习者的理解逐步引向深入。

◇抛锚式教学：这种教学要求建立在有感染力的真实问题基础上。一旦这类问题被确定了，整个教学内容和教学进程也就被确定了。

建构主义认为，学习者要想完成对所学知识的意义建构，即达到对该知识所反映事物的性质、规律以及该事物与其他事物之间联系的深刻理解，最好的办法是让学习者到现实世界的真实环境中去感受和体验。

◇随机进入教学：由于事物的复杂性和问题的多面性，要做到对事物内在性质和事物间相互联系的全面了解和掌握，真正达到对所学知识的全面而深刻的意义建构很困难，往往从不同的角度考虑可以得出不同的理解。

为此在教学中要注意对同一教学内容，要在不同的时间不同的情境下，为不同的教学目的、用不同的方式加以呈现。[3]

● 硬件实验教学体系的改革

把建构主义应用到计算机硬件实验教学中，首先要求教师建立教学总体目标框架，把总目标细分成若干子目标，根据每个学习模块的知识点选择实例和设计任务。通过生动的实例演示和讲解，引导学生观察思考。用提问、比较、总结归纳、集体讨论等方法，揭示蕴含在实例中的知识点以及知识点之间的联系。其次要求学生在完成实验的过程中发现问题解决问题，不断积累经验和成就感，从而积极主动地构建自己的知识结构。

充实调整实验内容，逐步形成新的体系。实验课不断线，把实践教学改革放在与理论教学改革同等重要的地位。围绕着课程教学改革，通过重组实验教学环境，构建反映当今计算机科学技术水平的系列实验课程教学新体系。新体系强调各门课程明确分工、分层次培养学生的硬件实验能力、软件仿真验证能力和测量仪器使用能力。endprint

1.修订实验教学的具体方案

对各实验单元进行分析，确定所做实验涉及的基础概念、基本原理和基本方法。计算机硬件课程的内容庞杂，涉及面广，其中的许多概念相当抽象，不易理解。教师进行实验教学方案的设计时，首先要了解学生的起点能力，对不足部分适当加强，以实例引导学生从原有的知识由浅入深地建构实验过程。以《计算机组成原理》为例，在进行寄存器实验时，要把寄存器的读、写和移位等过程作为实验教学目标，在此基础上修订出相应的实验方案。

2.模拟实验课题的应用背景

《计算机组成原理》实验教学的显著特点是：每一个实验都可以使学生树立起对一个功能部件的正确认识，并掌握和理解其构成和功能，体验到真实情境。实验教学的情境创设要善于创新，富有变化，既要让情境与学生的生活经验有一定联系，又要有新的信息内容。在学生意想不到的地方出现新的情境，提出新的问题。让学生感到进入一种情境就获得一次新的体验，并得到新的发现和获得新的知识。

3.实现学生知识的外化迁移

充分发挥学生的主动性，使学生主动探究问题，为学生设计不同的情境去应用所学的知识，让学生根据自身行动的反馈信息，来形成对客观事物的认识和解决问题的方案。在《计算机组成原理》的微指令技术学习后，要求学生按照微指令格式和微命令编码方法，对模型机的微指令设计进行尝试探索，从机器指令系统设计到微程序设计，从微命令设计到地址转移方式的形成等。

4.形成协作学习的团体环境

协作学习是建构主义理论的一个重要环境，弥补了个人学习理解能力的局限性，促进个人对问题最全面的了解。在实验教学中，把学生按3～4人的标准划分为多个小组并设立小组长。各小组的划分要综合考虑学生的性格、性别、学习成绩和兴趣等多个因素，确保各组整体水平差异性最小，同组内学生学习特征和个性有效互补。教师根据实验教学内容确定学习的主题，指导学生利用网络资源查阅解决实验中出现的问题。

5.设立开放多元的考核机制

为检验对知识的建构与验证，学生在实验做过以后应进行自我评价、小组评价和教师评价。效果评价的意义在于分析学生的自学能力、观察能力、实现技巧、思维能力等方面的特点和长处，通过学生之间的相互交流和评价，创造出一个开放式的评价机制。

此外，课程组还提出“3+5+2多元化实验成绩考核方式”。把“生写师查、生做师察、生疑师答”贯穿于整个实验考核过程中。

◇生写师查。突出预习在实验教学中的作用，预习成绩占总成绩的30%，预习报告是学生对教师所教授理论知识理解和掌握程度的直观体现。教师查看预习报告，有针对性地指导学生实验，从而提高实验教学质量。

◇生做师察。实验操作和数据收集是实验教学的中心环节，占总成绩的50%。教师通过现场观察和抽查的方式，对学生的动手能力进行全面考核。

◇生疑师答。实验报告是实验教学成果的总结，反映了学生对科学实验的概括总结能力，占总成绩的20%。对于学生的疑惑和操作难题，教师进行针对性解答和辅导。

6.强化后继练习的反馈设计

根据评价的结果，为每位学生设计出一套强化实验方案，指出其知识薄弱点，并设计有针对性的实验步骤和实验要求，以便使其通过强化训练改正原有的错误操作和设计，对实验的目的和要求有更明确的认识，最终达到符合要求的意义建构。例如，通过简单中断系统的实验后，可以引导学生进行多级中断、中断仲裁等实验项目的练习。这样不仅加强了学生对基本概念的理解和认识，更重要的是加深了学生对中断系统的进一步探讨，培养学生的创新和探索精神。

● 结语

通过统计对比发现，进行教改后的实验班级学生的平均成绩以及实践能力测试成绩，都明显高于其他基于传统教学方法的教学班级。特别是针对实践能力的考核，学生的完成情况较好，而且较多的小组能够做出创新性实验。但在具体实践中还存在下列问题：

◇改革后的硬件实验教学体系，对指导教师的业务素质提出了更高要求。而目前的实验教学师资力量尚不能完全满足这种要求，难以大规模推广新的教学模式。

◇综合设计型和创新研究型的实验，对硬件设备也提出了更高要求。高校的实验室建设还有待进一步深化。

参考文献：

[1]杨学颖.计算机硬件课程教学问题初探[J].河南教育学院学报，2006（3）：86-88.

[2]滕越.计算机组成原理实验教学改革新探[J].吉林建筑工程学院学报，2011（2）：100-102.

[3]高文，徐斌艳，吴刚.建构主义教育研究[M].北京：教育科学出版社，2008.

基金项目：发达国家研究生培养模式的分析与比较—-基于比较分析的视角（浙江工业大学研究生教改项目，编号11900617）。endprint