◆李改霞 张国鹏 常小红 见伟平 刘文磊 张鹏飞

0 前言

大学计算机基础课程是空军军医大学非生物医学工程专业的通识基础课程，其中有一个模块主要围绕计算机硬件系统的组成展开，又以冯·诺依曼计算机为重中之重，故要求学生在学完该部分内容后掌握冯·诺依曼计算机的特点和运行原理。观察学生的上课状态，发现他们在上课时都能始终如一地认真听课和上机实验，大部分学生学习很刻苦，甚至还会在课余相互考考，帮助记忆。完成该模块的学习后，大部分学生都能够说出冯·诺依曼计算机的组成，并能够结合构成描述其特点。虽然学习目标已经实现，然而当被问到冯·诺依曼计算机存在的问题，该如何改进时，大部分学生表现得茫然无措。

1 涉及的学习原理

在学习冯·诺依曼计算机时会出现上述问题，是因为学生组织知识的方式会影响其学习和运用知识的方式[1]。学生现有的关于计算机硬件系统知识组织的方式，可以帮助其解决某一类问题，但不足以灵活地应对其面临的所有任务要求。

若用黑点代表知识点，用黑色短线代表知识点之间的联系，大部分学生组织知识的形式如图1、图2所示，总体来看，两种结构知识点之间的联系少。结构A所示知识结构各知识点分散，这会阻碍学生的学习，因为学生还没有认识到各知识点间的关联，导致提取知识时速度慢、难度大。结构B虽然可以让学生按序提取信息，但如果链条中的某段联系被破坏，或需要调整其中某一知识点的顺序时，就需花费更长的时间提取知识，当然提取速度也会降低。

图1 知识结构A

图2 知识结构B

由此可以发现，大部分学生在课程学习中没有习得一种以关联或有意义的方式组织所学信息的方法。但是专家在组织知识时会无意识地创造并存储起一个复杂的知识网络，如图3、图4所示，这一网络把重要的事实、概念、程序与本领域中其它要素联系起来，使其可以灵活地应对本领域的所有任务要求。

图3 知识结构C

图4 知识结构D

综上，如何让学生组织知识的方式从新手向专家过渡，帮助其采用有效的方式来组织所学的知识，进而增强学习效果，是教师在教学中要考虑的一个重要问题。

2 帮助学生构建适合的知识组织方式

以大学计算机基础课程中“计算机硬件系统”模块为研究内容，探索如何帮助学生构建联系紧密、意义丰富、灵活多变的知识组织方式。在学习“计算机硬件系统”内容之初，学生的知识组织较为肤浅，不能很好地进行抽象思维或解决问题。故在学习的初始阶段，教师应帮助学生选择合适的知识组织，教他们从所学内容中抽象出相关原理；监测其学习过程，了解他们加工所学信息的方式，以确保他们采用有效的方式来组织所学的知识。

帮助学生选择合适的知识组织

1）思维导图由英国学者东尼·博赞（Tony Buzan）于20世纪70年代初期所创，由一个中央节点和不断向周围发散形成的树状图构成[2]。教师创建思维导图，分析冯·诺依曼计算机硬件系统的知识组织。因为冯·诺依曼计算机模型是现代计算机的基础，所以计算机硬件系统的学习应以冯·诺依曼计算机为起点。学习之初，教师利用创建思维导图的方法为学生提供一个能组织其所学知识的框架及提纲——冯·诺依曼计算机的六大特点，如图5所示。

图5 计算机硬件系统的思维导图

2）分析有关冯·诺依曼计算机的学习任务，找出最合适的知识组织。不同的任务需要不同的知识组织，进行任务分析对决定采用何种组织方式很有帮助。分析该部分内容相关学习任务，其学习目标是掌握冯·诺依曼计算机的特点。教师围绕该任务为学生提供冯·诺依曼计算机硬件框图，如图6所示，帮助其组织知识，也使其易于观察冯·诺依曼计算机在整个工作过程中存在的问题。

图6 冯·诺依曼计算机硬件框图

3）向学生提供冯·诺依曼计算机的组织结构。不是所有学生都能看到有关冯·诺依曼计算机硬件框图的逻辑结构，所以需要在框架性流程图的基础上，呈现关于各构成部分的关键概念和主题，并着重强调其中的内在联系，帮助学生理解知识之间的关联，如图7所示。

图7 以运算器为中心的计算机硬件框图

帮助学生建构更有意义的深层知识组织

1）明确强调计算机硬件系统知识组织的深层特征。教师让学生观察冯·诺依曼计算机硬件系统，找出存在的问题。学生通过观察发现，首先，冯·诺依曼计算机以运算器为核心，运算器不仅要负责数据的输入和输出，还要负责算术和逻辑运算，非常繁忙，故运算器成为冯·诺依曼计算机的瓶颈。学习进行到这里，可引导学生思考如何优化冯·诺依曼计算机硬件框图，解决其瓶颈问题。学生现有的知识组织方式还不足以回答该问题，教师可以对图7所示的冯·诺依曼计算机硬件框图进行如图8所示的改进，将以运算器为中心的计算机硬件框图改为以存储器为中心，实现输入输出设备与存储器之间直接的信息交换，运算器只与存储器进行数据的交换，控制器通过控制信号和状态感知系统的各个部分。

图8 以存储器为中心的计算机硬件框图

2）把计算机硬件系统有关概念之间的联系明确化。虽然图8的框架可以帮助学生以更有意义的方式组织自己的知识，但仍然略显杂乱，故在图8的基础上对其进行自顶向下的结构化分析，使其显得更具层次性，能让学生更好地建立知识间的关联，如图9所示。

图9 自顶向下的结构化计算机硬件框图

监控学生的学习，了解其知识组织中的问题并及时反馈

1）让学生创建思维导图，展示自己关于计算机硬件系统的知识组织。在计算机硬件系统的课程开始之初，让学生创建思维导图，以此来探察学生已有的知识组织；并持续监测，观察这些知识组织如何随着时间和经验的发展而改变。通过诊断，可以判断学生是否把计算机硬件系统相关知识错误分类；是否在不相关的概念间建立错误的联系，或未能在相关概念间建立联系；是否把属于下位概念的知识错误地归为上位概念等。

2）监控学生的学习，以了解其关于计算机硬件系统知识组织中的问题。主要通过学生在作业中所犯错误类型检测学生知识组织中存在的问题。

3 教学效果评价

教学效果从主观和客观两个方面进行，主观评价利用观察法和调查问卷法进行，客观评价通过测验调查法进行。

主观评价 通过观察法记录空军军医大学2017级、2018级学生的课堂反应，利用调查问卷法调查对帮助其建构知识组织方式的满意度、建构更有意义的深层知识组织的满意度、了解其知识组织中的问题并反馈的满意度等方面的数据，并应用相应的检验方法对调查结果进行分析。分析观察得到的记录，发现2018级学生对于课程内容的兴趣、课堂互动等方面都比2017级学生强烈。

利用χ2检验分析调查问卷的数据，结果表明：2018级学生对所调查三方面的满意度均高于2017级（p＜0.01），见表1。

表1 2017级和2018级学生的主观评价

对于调查的三个方面的满意度，入学以来不同学习成绩的2018级学生间皆无显著差异（p＞0.05），见表2。

表2 2018级入学以来不同学习成绩学生的主观评价

客观评价 客观评价通过测验调查法来进行。采用非参数检验中的两独立样本检验2017级、2018级学生测验成绩，发现2018级学生成绩高于2017级学生成绩（p＜0.05）[3]。χ2检验结果表明：2018级学生成绩的及格率（≥60分）、优秀率（≥90分）均高于2017级学生（p＜0.05）。客观评价如表3所示。

表3 2017级和2018级学生成绩客观评价

4 结语

以知识的组织方式为课堂设计核心，围绕“计算机硬件系统”相关内容，设计进行一系列教学环节，发现组织良好的知识能更好地与学习任务相契合，对学生的学习方式和学业表现都有很大的影响。因而，教师在进行教学设计时应该着重在帮助学生构建联系紧密、意义丰富、灵活多变的知识组织方式上多加思考。