學(xué)生知識組織方式對其學(xué)習(xí)影響探索和研究*
——以大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)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(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程是空軍軍醫(yī)大學(xué)非生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的通識基礎(chǔ)課程，其中有一個模塊主要圍繞計算機(jī)硬件系統(tǒng)的組成展開，又以馮·諾依曼計算機(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·諾依曼計算機(jī)的特點和運行原理。觀察學(xué)生的上課狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)他們在上課時都能始終如一地認(rèn)真聽課和上機(jī)實驗，大部分學(xué)生學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)后，大部分學(xué)生都能夠說出馮·諾依曼計算機(jī)的組成，并能夠結(jié)合構(gòu)成描述其特點。雖然學(xué)習(xí)目標(biāo)已經(jīng)實現(xiàn)，然而當(dāng)被問到馮·諾依曼計算機(jī)存在的問題，該如何改進(jìn)時，大部分學(xué)生表現(xiàn)得茫然無措。

1 涉及的學(xué)習(xí)原理

在學(xué)習(xí)馮·諾依曼計算機(jī)時會出現(xiàn)上述問題，是因為學(xué)生組織知識的方式會影響其學(xué)習(xí)和運用知識的方式[1]。學(xué)生現(xiàn)有的關(guān)于計算機(jī)硬件系統(tǒng)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(yīng)對其面臨的所有任務(wù)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(lián)系，大部分學(xué)生組織知識的形式如圖1、圖2所示，總體來看，兩種結(jié)構(gòu)知識點之間的聯(lián)系少。結(jié)構(gòu)A所示知識結(jié)構(gòu)各知識點分散，這會阻礙學(xué)生的學(xué)習(xí)，因為學(xué)生還沒有認(rèn)識到各知識點間的關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致提取知識時速度慢、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)整其中某一知識點的順序時，就需花費更長的時間提取知識，當(dāng)然提取速度也會降低。

圖1 知識結(jié)構(gòu)A

圖2 知識結(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。但是專家在組織知識時會無意識地創(chuàng)造并存儲起一個復(fù)雜的知識網(wǎng)絡(luò)，如圖3、圖4所示，這一網(wǎng)絡(luò)把重要的事實、概念、程序與本領(lǐng)域中其它要素聯(lián)系起來，使其可以靈活地應(yīng)對本領(lǐng)域的所有任務(wù)要求。

圖3 知識結(jié)構(gòu)C

圖4 知識結(jié)構(gòu)D

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

2 幫助學(xué)生構(gòu)建適合的知識組織方式

以大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程中“計算機(jī)硬件系統(tǒng)”模塊為研究內(nèi)容，探索如何幫助學(xué)生構(gòu)建聯(lián)系緊密、意義豐富、靈活多變的知識組織方式。在學(xué)習(xí)“計算機(jī)硬件系統(tǒng)”內(nèi)容之初，學(xué)生的知識組織較為膚淺，不能很好地進(jìn)行抽象思維或解決問題。故在學(xué)習(xí)的初始階段，教師應(yīng)幫助學(xué)生選擇合適的知識組織，教他們從所學(xué)內(nèi)容中抽象出相關(guān)原理；監(jiān)測其學(xué)習(xí)過程，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組織所學(xué)的知識。

幫助學(xué)生選擇合適的知識組織

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

圖5 計算機(jī)硬件系統(tǒng)的思維導(dǎo)圖

2）分析有關(guān)馮·諾依曼計算機(jī)的學(xué)習(xí)任務(wù)，找出最合適的知識組織。不同的任務(wù)需要不同的知識組織，進(jìn)行任務(wù)分析對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·諾依曼計算機(jī)的特點。教師圍繞該任務(wù)為學(xué)生提供馮·諾依曼計算機(jī)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(jī)在整個工作過程中存在的問題。

圖6 馮·諾依曼計算機(jī)硬件框圖

3）向?qū)W生提供馮·諾依曼計算機(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)生理解知識之間的關(guān)聯(lián)，如圖7所示。

圖7 以運算器為中心的計算機(jī)硬件框圖

幫助學(xué)生建構(gòu)更有意義的深層知識組織

1）明確強(qiáng)調(diào)計算機(jī)硬件系統(tǒng)知識組織的深層特征。教師讓學(xué)生觀察馮·諾依曼計算機(jī)硬件系統(tǒng)，找出存在的問題。學(xué)生通過觀察發(fā)現(xiàn)，首先，馮·諾依曼計算機(jī)以運算器為核心，運算器不僅要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的輸入和輸出，還要負(fù)責(zé)算術(shù)和邏輯運算，非常繁忙，故運算器成為馮·諾依曼計算機(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·諾依曼計算機(jī)硬件框圖，解決其瓶頸問題。學(xué)生現(xiàn)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(jī)硬件框圖進(jìn)行如圖8所示的改進(jìn)，將以運算器為中心的計算機(jī)硬件框圖改為以存儲器為中心，實現(xiàn)輸入輸出設(shè)備與存儲器之間直接的信息交換，運算器只與存儲器進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，控制器通過控制信號和狀態(tài)感知系統(tǒng)的各個部分。

圖8 以存儲器為中心的計算機(jī)硬件框圖

2）把計算機(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，但仍然略顯雜亂，故在圖8的基礎(chǔ)上對其進(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)生更好地建立知識間的關(guān)聯(lián)，如圖9所示。

圖9 自頂向下的結(jié)構(gòu)化計算機(jī)硬件框圖

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

1）讓學(xué)生創(chuàng)建思維導(dǎo)圖，展示自己關(guān)于計算機(jī)硬件系統(tǒng)的知識組織。在計算機(jī)硬件系統(tǒng)的課程開始之初，讓學(xué)生創(chuàng)建思維導(dǎo)圖，以此來探察學(xué)生已有的知識組織；并持續(xù)監(jiān)測，觀察這些知識組織如何隨著時間和經(jīng)驗的發(fā)展而改變。通過診斷，可以判斷學(xué)生是否把計算機(jī)硬件系統(tǒng)相關(guān)知識錯誤分類；是否在不相關(guān)的概念間建立錯誤的聯(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錯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)于計算機(jī)硬件系統(tǒng)知識組織中的問題。主要通過學(xué)生在作業(yè)中所犯錯誤類型檢測學(xué)生知識組織中存在的問題。

3 教學(xué)效果評價

教學(xué)效果從主觀和客觀兩個方面進(jìn)行，主觀評價利用觀察法和調(diào)查問卷法進(jìn)行，客觀評價通過測驗調(diào)查法進(jìn)行。

主觀評價 通過觀察法記錄空軍軍醫(yī)大學(xué)2017級、2018級學(xué)生的課堂反應(yīng)，利用調(diào)查問卷法調(diào)查對幫助其建構(gòu)知識組織方式的滿意度、建構(gòu)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(shù)據(jù)，并應(yīng)用相應(yīng)的檢驗方法對調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分析。分析觀察得到的記錄，發(fā)現(xiàn)2018級學(xué)生對于課程內(nèi)容的興趣、課堂互動等方面都比2017級學(xué)生強(qiáng)烈。

利用χ2檢驗分析調(diào)查問卷的數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：2018級學(xué)生對所調(diào)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(xué)生的主觀評價

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

表2 2018級入學(xué)以來不同學(xué)習(xí)成績學(xué)生的主觀評價

客觀評價 客觀評價通過測驗調(diào)查法來進(jìn)行。采用非參數(shù)檢驗中的兩獨立樣本檢驗2017級、2018級學(xué)生測驗成績，發(fā)現(xiàn)2018級學(xué)生成績高于2017級學(xué)生成績（p＜0.05）[3]。χ2檢驗結(jié)果表明：2018級學(xué)生成績的及格率（≥60分）、優(yōu)秀率（≥90分）均高于2017級學(xué)生（p＜0.05）?？陀^評價如表3所示。

表3 2017級和2018級學(xué)生成績客觀評價

4 結(jié)語

以知識的組織方式為課堂設(shè)計核心，圍繞“計算機(jī)硬件系統(tǒng)”相關(guān)內(nèi)容，設(shè)計進(jìn)行一系列教學(xué)環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)組織良好的知識能更好地與學(xué)習(xí)任務(wù)相契合，對學(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)計時應(yīng)該著重在幫助學(xué)生構(gòu)建聯(lián)系緊密、意義豐富、靈活多變的知識組織方式上多加思考。