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摘要：基于对当前“计算机组成原理”教学过程中存在问题及原因的分析，阐述了以建构主义理论为指导的课程教学方法改革措施。实际教学应用的结果表明，以建构主义理论为指导的教改措施可以充分调动学生的学习积极性和创新能力，加深学生对理论知识的理解，提高学生的实际动手能力和综合素质，有效实现了教学效果的优化。
关键词：建构主义；计算机组成原理；主观能动性
作者简介：罗慧敏（1980-），女，河南周口人，河南大学计算机与信息工程学院，讲师；阎朝坤（1978-），男，河南开封人，河南大学计算机与信息工程学院，讲师。（河南?开封?475004）
基金项目：本文系河南大学第十一批教学改革项目（项目编号：2011JXGG060）的研究成果。
中图分类号：G642.0?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）22-0073-02
“计算机组成原理”不仅是计算机科学与技术专业及相关专业的一门核心基础课程，也是非计算机专业学生掌握计算机技术的一门专业选修课程。它的先导课程包括电路与电子学、数字逻辑和汇编语言；后续课程有微型机系统与接口、计算机体系结构等，在一系列硬件课程中起着承上启下的作用。[1]而且该课程内容在全国计算机专业研究生入学考试中占据相当大的比例（占总分数的1/3份额）。由此可见，该课程在计算机科学与技术专业的知识体系中的重要地位。然而，在实际教学中，由于其理论性很强、知识面较宽、信息量较大且学时不多，教师难教，学生难学，教学效果不理想。传统的“灌输式”教学方法，无法调动学生的主观能动性，且忽略了学生的主体地位。[2]长此以往，造成学生的学习兴趣不高，学习目的仅仅是应付期末考试和考研，无法将该课程的作用和本质真正融入到整个专业知识体系之中。另外，学生的学习态度和学习效果也会在一定程度上影响教师的教学积极性，进而影响教学效果。
建构主义理论认为知识主要是个人对知识的一种建构，而不是源于现实的意义，这为计算机专业的课程教学提供了新的理念。本文利用建构主义学习理论及其倡导的教学模式对“计算机组成原理”课程教学进行了改革探索，取得了较好的成效。
一、“计算机组成原理”教学目标及现状
“计算机组成原理”的教学目标是使学生掌握计算机以及各功能部件的工作原理，掌握相关设计方法和逻辑实现，熟悉各功能部件连成整机的方法、建立起整机工作的概念，为学生未来进行计算机系统的分析、开发、使用和设计工作打下基础。[3]
然而在“计算机组成原理”的教学过程中，往往存在各种问题。一方面，学生普遍抱怨该课程深奥，难学难懂，学习热情不高；另一方面，教师感觉该课程难教，虽然花费了较大精力去教授课程内容，认真指导学生实验，但教学效果不理想。课程组通过多年对该课程的教学总结以及与学生的沟通，对教学中存在的问题进行认真分析，对其存在的原因进行了归纳总结，主要表现在以下几点。
1.教材理论性强，内容抽象，与前沿技术脱节
目前，“计算机组成原理”课程的教材普遍理论性较强，相对于计算机硬件的发展来说，讲授的内容不仅抽象，而且较陈旧，缺乏与当前计算机最新前沿技术的连接。一方面，学生感觉课程内容枯燥难懂，不实用；另一方面，新的硬件技术知识的复杂性增大了教师组织和实施教学的难度。
2.课程的“纵向”“横向”关联性较强
一方面，该课程与电路与电子学、数字逻辑等先修课程有一种纵向的密切关联。这些先修课程本身难度就较大，如果学生对这些知识没有很好地掌握，基础没打好，势必影响到对计算机各组成部分的硬件电路及其工作原理的学习，学生会感到学习吃力，逐渐丧失学习兴趣，这种纵向联系也增加了教师的讲授难度；另一方面，本课程的各知识点存在一种横向的关联性。计算机各部件是分别讲授的，但是存在相互依赖关系。例如，运算器部分和存储器部分都用到了控制器部分的相关基础内容，这些关联使得计算机组成原理的教学不同于其他课程，对各知识点的介绍不能一步到位，增加了理解和教学的难度。
3.实践环节相对薄弱，与教学内容不能有效结合
“计算机组成原理”课程涉及计算机内部的构造、工作原理及应用，理论性很强，必须通过实践环节帮助学生真正理解和掌握。然而，目前该课程的教学安排上，实验学时占据比例偏少，不能满足该课程实验教学的需要。虽然配置了FPGA实验平台，但由于课时限制以及需要相关硬件描述语言的学习基础，所设置的实验内容大都以验证性实验为主，实验时往往参照实验手册完成，不能使学生深入理解计算机内部工作原理，也无法发挥学生的创造力。
4.教考模式的单一老化
“计算机组成原理”课程的教学主要采取“灌输式”的教学方法。这种传统的教学方法对于理论性强、难度大的计算机组成原理的教学来说，无法调动学生的主观能动性，忽略了学生的主体地位。在考核方式上，传统的闭卷考试只会造成学生忽略实践环节，局限于对课本知识的死记硬背，无法有效提高学生的动手能力和创新能力。
二、建构主义理论的主要思想
建构主义理论是当代西方国家兴起的一种社会科学理论，它是在吸取了众多的学习理论（如皮亚杰、维果斯基）思想的基础上发展形成的。建构主义理论是继认知主义之后学习理论的又一场重要的变革，是行为主义发展到认知主义之后的进一步发展，在教育领域具有广泛的影响力。[4]
建构主义认为：“学习是获取知识的过程。知识不是通过教师传授获得的，而是学生在一定的情景即社会文化背景下，借助其他人（包括教师和学习伙伴）的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方法而获得。”建构主义倡导在教学中以学生为中心，教师在教学过程中起组织者、指导者、帮助者和促进者的作用，利用情境、协作、会话等学习环境要素充分发挥学生的主动性、积极性和首创精神，最终达到使学生有效地实现对当前所学知识的意义建构的目的。已经形成的基于建构主义理论的教学模式主要有抛锚式教学、支架式教学、随机进入教学等模式。[5] 三、基于建构主义理论的“计算机组成原理”教学改革探索
如何在“计算机组成原理”的教学过程中运用建构主义教学观指导教学设计，对学生的理论知识理解能力、实践创新能力等素质有良好的培养是一个值得研究的重要课题。课程组对河南大学计算机与信息工程学院2010年度开设“计算机组成原理”课程的同一层次的班级中，随机选择了1个班作为新的教学模式研究的实验班级，以建构主义理论对教学过程进行了新的修改和尝试，主要体现为以下几点。
1.设置情景，激发学生的学习动机
设置情境，也就是建立学生所要学习的知识与现实情况基本相近的情景环境，把学生引入到需要通过某个知识点来解决现实问题的情境。在讲授相关知识点之前，让学生提前搜集整理和学习相关的内容，包括与先修课程的关联以及与知识点相关的最新计算机硬件的发展现状。通过建立理论中理想问题与现实问题的关联，让学生自主发现问题，以此激发学生的学习动机和兴趣。在课堂上，充分运用多媒体教学手段，根据教学内容，搜集并制作了大量有关计算机组成原理各部件工作原理、流程等原理演示的动画素材以及一些知识点引入的情景动画。通过在课堂上进行生动、丰富的Flash演示，以图文并茂、形象生动的表现方式，向学生展示当次课程所讲授知识点的问题情境。情景中包含了以前先修课程内容与计算机组成原理讲授知识点之间的关联性，通过一种生动活泼的情景导入式的教学步骤，引导学生讨论，激活学生思维。通过讨论和反馈，补充和完善原先所学习的认识，从而达到师生共同发现问题并建构新知识体系的目的。
2.提出问题，促进学生的自主学习
“计算机组成原理”知识点多、内容广，如果总是采取传统的教师直接讲授的方式，无法激励学生主动去思考。针对这一情况，在讲授课程内容中穿插设置了许多问题，激活学生思维。例如在讲存储器容量扩充时，可以先详细讲解位扩展和字扩展方式，位扩展应用于存储单元数不变而存储单元位数增加的情况，字扩展应用于存储单元位数不变而存储单元个数增加的情况，然后提出问题：当遇到需要存储单元数及存储单元位数都需要增加的时候，怎样解决？从而可以留给学生自己去探究问题的空间，让学生主动去寻求问题的答案。不仅培养了学生整理分析、利用信息的能力，也培养了学生独立解决问题、自主学习的能力。
3.协作学习，拓展学生知识视野
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。在教学中，将班级学生按5～6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，不能采取简单的随意组合或自愿组合的形式，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。教师根据教学内容，确定一些学习主题和思考问题并提供相关的信息资源，教授学生如何利用网络资源查阅解决学习中出现的问题。在集体协作学习的过程中，教师可通过QQ群和组长例会的形式及时掌握各小组成员的学习动态，加以点拨和指导。整个过程中，学生始终处于主动地位，教师处于辅助和引导的作用。
4.成果汇报，给出总结评价
根据教师提前设置的某个学习主题，选择一个时间让各小组将他们学习讨论的结果在班级上进行展示。展示过程采取一种互动交流的方式，教师或学生都可以对展示小组的讲解或结果进行提问、对所质疑的问题进行讨论。这种方式不仅锻炼了学生的表达能力，也促使各小组成员对学习主题的认真准备。通过这种活泼、生动的学习场景，学生的学习热情得到了大大提高。在各小组汇报结束后，通过小组自评、小组间互评、教师评价三方面对各小组打分，然后小组长根据各小组成员参与度对小组成员进行打分。
5.加强实践教学，培养学生创造力
巩固计算机各部件工作原理的学习，突出实践教学环节，培养学生的动手能力，促进学生新、旧经验结构的有效重构，获得新的认知。教师在学生进行下一个实验之前，首先在课堂上通过EC_PC_Vseries计算机组成原理实验仿真系统演示实验，同时提出相关思考问题，以便学生在实验平台上进行实验时，不仅能快速完成实验内容，也能根据教师设置的问题，对实验进行更深入的思考。同时向学生提供关于VHDL的课外学习资料和电子资源，促使各小组学习讨论，引导学生进行创新性实验的设计和完成，鼓励学生的创新能力。
四、结果与分析
1.教学效果对比
通过统计实施教改的实验班级与其他班级的期末考试成绩以及实践能力的测试成绩对比，发现实施教改后的实验班级学生的平均成绩、及格率以及实践能力测试成绩均明显高于其他基于传统教学方法的教学班级，由此可说明基于建构主义的教学模式优于传统教学模式。课程组也对期末考试成绩各题型的做答和得分情况进行了统计分析，发现实施教改班级的学生在分析填空和综合应用题上，得分率明显提高，对知识点的理解程度也较深入。特别是针对实践能力的考核统计方面，学生完成情况较好，而且较多的小组能够做出创新性实验。
2.调查问卷分析
通过设计问卷调查获得学生的教学反馈信息表明，95％的学生对新的教学模式表示支持，认为该模式能够提高其学习积极性、提高了主动思考问题的能力、协作能力以及语言表达能力等。由此可见基于建构主义的计算机组成教学模式能提高学生的综合素质，优于传统的灌输式教学模式。
五、结束语
建构主义理论下的“计算机组成原理”教学，打破了传统的以教为主的教学模式，建立起以学生为主体，师生共同协作参与的教学氛围，培养了学生的自主学习意识和能力，激发了学生的学习热情，更适合新型现代计算机专业人才的培养。在后续的教学活动中，课程组将继续对教学过程进行监控和分析，注重教学效果的评估，在实践中不断完善。同时加强课程组师资队伍建设和教材建设工作，以实现“计算机组成原理”课程建设的不断完善和可持续发展。
参考文献：
[1]侯宏霞,松云.“计算机组成原理”精品课程建设的实践与探索[J].计算机教育,2010,(2):119-121.
[2]莫晓晖,张漪.计算机组成原理课程教学改革[J].计算机教育,2010,
(13):101-103.
[3]罗福强,冯裕忠,茹鹏.计算机组成原理[M].北京:清华大学出版社,
2011.
[4]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.
[5]余胜泉,杨晓娟,何克抗.基于建构主义的教学设计模式[J].电化教育研究,2000,(12).
（责任编辑：宋秀丽）
关键词：建构主义；计算机组成原理；主观能动性
作者简介：罗慧敏（1980-），女，河南周口人，河南大学计算机与信息工程学院，讲师；阎朝坤（1978-），男，河南开封人，河南大学计算机与信息工程学院，讲师。（河南?开封?475004）
基金项目：本文系河南大学第十一批教学改革项目（项目编号：2011JXGG060）的研究成果。
中图分类号：G642.0?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）22-0073-02
“计算机组成原理”不仅是计算机科学与技术专业及相关专业的一门核心基础课程，也是非计算机专业学生掌握计算机技术的一门专业选修课程。它的先导课程包括电路与电子学、数字逻辑和汇编语言；后续课程有微型机系统与接口、计算机体系结构等，在一系列硬件课程中起着承上启下的作用。[1]而且该课程内容在全国计算机专业研究生入学考试中占据相当大的比例（占总分数的1/3份额）。由此可见，该课程在计算机科学与技术专业的知识体系中的重要地位。然而，在实际教学中，由于其理论性很强、知识面较宽、信息量较大且学时不多，教师难教，学生难学，教学效果不理想。传统的“灌输式”教学方法，无法调动学生的主观能动性，且忽略了学生的主体地位。[2]长此以往，造成学生的学习兴趣不高，学习目的仅仅是应付期末考试和考研，无法将该课程的作用和本质真正融入到整个专业知识体系之中。另外，学生的学习态度和学习效果也会在一定程度上影响教师的教学积极性，进而影响教学效果。
建构主义理论认为知识主要是个人对知识的一种建构，而不是源于现实的意义，这为计算机专业的课程教学提供了新的理念。本文利用建构主义学习理论及其倡导的教学模式对“计算机组成原理”课程教学进行了改革探索，取得了较好的成效。
一、“计算机组成原理”教学目标及现状
“计算机组成原理”的教学目标是使学生掌握计算机以及各功能部件的工作原理，掌握相关设计方法和逻辑实现，熟悉各功能部件连成整机的方法、建立起整机工作的概念，为学生未来进行计算机系统的分析、开发、使用和设计工作打下基础。[3]
然而在“计算机组成原理”的教学过程中，往往存在各种问题。一方面，学生普遍抱怨该课程深奥，难学难懂，学习热情不高；另一方面，教师感觉该课程难教，虽然花费了较大精力去教授课程内容，认真指导学生实验，但教学效果不理想。课程组通过多年对该课程的教学总结以及与学生的沟通，对教学中存在的问题进行认真分析，对其存在的原因进行了归纳总结，主要表现在以下几点。
1.教材理论性强，内容抽象，与前沿技术脱节
目前，“计算机组成原理”课程的教材普遍理论性较强，相对于计算机硬件的发展来说，讲授的内容不仅抽象，而且较陈旧，缺乏与当前计算机最新前沿技术的连接。一方面，学生感觉课程内容枯燥难懂，不实用；另一方面，新的硬件技术知识的复杂性增大了教师组织和实施教学的难度。
2.课程的“纵向”“横向”关联性较强
一方面，该课程与电路与电子学、数字逻辑等先修课程有一种纵向的密切关联。这些先修课程本身难度就较大，如果学生对这些知识没有很好地掌握，基础没打好，势必影响到对计算机各组成部分的硬件电路及其工作原理的学习，学生会感到学习吃力，逐渐丧失学习兴趣，这种纵向联系也增加了教师的讲授难度；另一方面，本课程的各知识点存在一种横向的关联性。计算机各部件是分别讲授的，但是存在相互依赖关系。例如，运算器部分和存储器部分都用到了控制器部分的相关基础内容，这些关联使得计算机组成原理的教学不同于其他课程，对各知识点的介绍不能一步到位，增加了理解和教学的难度。
3.实践环节相对薄弱，与教学内容不能有效结合
“计算机组成原理”课程涉及计算机内部的构造、工作原理及应用，理论性很强，必须通过实践环节帮助学生真正理解和掌握。然而，目前该课程的教学安排上，实验学时占据比例偏少，不能满足该课程实验教学的需要。虽然配置了FPGA实验平台，但由于课时限制以及需要相关硬件描述语言的学习基础，所设置的实验内容大都以验证性实验为主，实验时往往参照实验手册完成，不能使学生深入理解计算机内部工作原理，也无法发挥学生的创造力。
4.教考模式的单一老化
“计算机组成原理”课程的教学主要采取“灌输式”的教学方法。这种传统的教学方法对于理论性强、难度大的计算机组成原理的教学来说，无法调动学生的主观能动性，忽略了学生的主体地位。在考核方式上，传统的闭卷考试只会造成学生忽略实践环节，局限于对课本知识的死记硬背，无法有效提高学生的动手能力和创新能力。
二、建构主义理论的主要思想
建构主义理论是当代西方国家兴起的一种社会科学理论，它是在吸取了众多的学习理论（如皮亚杰、维果斯基）思想的基础上发展形成的。建构主义理论是继认知主义之后学习理论的又一场重要的变革，是行为主义发展到认知主义之后的进一步发展，在教育领域具有广泛的影响力。[4]
建构主义认为：“学习是获取知识的过程。知识不是通过教师传授获得的，而是学生在一定的情景即社会文化背景下，借助其他人（包括教师和学习伙伴）的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方法而获得。”建构主义倡导在教学中以学生为中心，教师在教学过程中起组织者、指导者、帮助者和促进者的作用，利用情境、协作、会话等学习环境要素充分发挥学生的主动性、积极性和首创精神，最终达到使学生有效地实现对当前所学知识的意义建构的目的。已经形成的基于建构主义理论的教学模式主要有抛锚式教学、支架式教学、随机进入教学等模式。[5] 三、基于建构主义理论的“计算机组成原理”教学改革探索
如何在“计算机组成原理”的教学过程中运用建构主义教学观指导教学设计，对学生的理论知识理解能力、实践创新能力等素质有良好的培养是一个值得研究的重要课题。课程组对河南大学计算机与信息工程学院2010年度开设“计算机组成原理”课程的同一层次的班级中，随机选择了1个班作为新的教学模式研究的实验班级，以建构主义理论对教学过程进行了新的修改和尝试，主要体现为以下几点。
1.设置情景，激发学生的学习动机
设置情境，也就是建立学生所要学习的知识与现实情况基本相近的情景环境，把学生引入到需要通过某个知识点来解决现实问题的情境。在讲授相关知识点之前，让学生提前搜集整理和学习相关的内容，包括与先修课程的关联以及与知识点相关的最新计算机硬件的发展现状。通过建立理论中理想问题与现实问题的关联，让学生自主发现问题，以此激发学生的学习动机和兴趣。在课堂上，充分运用多媒体教学手段，根据教学内容，搜集并制作了大量有关计算机组成原理各部件工作原理、流程等原理演示的动画素材以及一些知识点引入的情景动画。通过在课堂上进行生动、丰富的Flash演示，以图文并茂、形象生动的表现方式，向学生展示当次课程所讲授知识点的问题情境。情景中包含了以前先修课程内容与计算机组成原理讲授知识点之间的关联性，通过一种生动活泼的情景导入式的教学步骤，引导学生讨论，激活学生思维。通过讨论和反馈，补充和完善原先所学习的认识，从而达到师生共同发现问题并建构新知识体系的目的。
2.提出问题，促进学生的自主学习
“计算机组成原理”知识点多、内容广，如果总是采取传统的教师直接讲授的方式，无法激励学生主动去思考。针对这一情况，在讲授课程内容中穿插设置了许多问题，激活学生思维。例如在讲存储器容量扩充时，可以先详细讲解位扩展和字扩展方式，位扩展应用于存储单元数不变而存储单元位数增加的情况，字扩展应用于存储单元位数不变而存储单元个数增加的情况，然后提出问题：当遇到需要存储单元数及存储单元位数都需要增加的时候，怎样解决？从而可以留给学生自己去探究问题的空间，让学生主动去寻求问题的答案。不仅培养了学生整理分析、利用信息的能力，也培养了学生独立解决问题、自主学习的能力。
3.协作学习，拓展学生知识视野
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。在教学中，将班级学生按5～6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，不能采取简单的随意组合或自愿组合的形式，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。教师根据教学内容，确定一些学习主题和思考问题并提供相关的信息资源，教授学生如何利用网络资源查阅解决学习中出现的问题。在集体协作学习的过程中，教师可通过QQ群和组长例会的形式及时掌握各小组成员的学习动态，加以点拨和指导。整个过程中，学生始终处于主动地位，教师处于辅助和引导的作用。
4.成果汇报，给出总结评价
根据教师提前设置的某个学习主题，选择一个时间让各小组将他们学习讨论的结果在班级上进行展示。展示过程采取一种互动交流的方式，教师或学生都可以对展示小组的讲解或结果进行提问、对所质疑的问题进行讨论。这种方式不仅锻炼了学生的表达能力，也促使各小组成员对学习主题的认真准备。通过这种活泼、生动的学习场景，学生的学习热情得到了大大提高。在各小组汇报结束后，通过小组自评、小组间互评、教师评价三方面对各小组打分，然后小组长根据各小组成员参与度对小组成员进行打分。
5.加强实践教学，培养学生创造力
巩固计算机各部件工作原理的学习，突出实践教学环节，培养学生的动手能力，促进学生新、旧经验结构的有效重构，获得新的认知。教师在学生进行下一个实验之前，首先在课堂上通过EC_PC_Vseries计算机组成原理实验仿真系统演示实验，同时提出相关思考问题，以便学生在实验平台上进行实验时，不仅能快速完成实验内容，也能根据教师设置的问题，对实验进行更深入的思考。同时向学生提供关于VHDL的课外学习资料和电子资源，促使各小组学习讨论，引导学生进行创新性实验的设计和完成，鼓励学生的创新能力。
四、结果与分析
1.教学效果对比
通过统计实施教改的实验班级与其他班级的期末考试成绩以及实践能力的测试成绩对比，发现实施教改后的实验班级学生的平均成绩、及格率以及实践能力测试成绩均明显高于其他基于传统教学方法的教学班级，由此可说明基于建构主义的教学模式优于传统教学模式。课程组也对期末考试成绩各题型的做答和得分情况进行了统计分析，发现实施教改班级的学生在分析填空和综合应用题上，得分率明显提高，对知识点的理解程度也较深入。特别是针对实践能力的考核统计方面，学生完成情况较好，而且较多的小组能够做出创新性实验。
2.调查问卷分析
通过设计问卷调查获得学生的教学反馈信息表明，95％的学生对新的教学模式表示支持，认为该模式能够提高其学习积极性、提高了主动思考问题的能力、协作能力以及语言表达能力等。由此可见基于建构主义的计算机组成教学模式能提高学生的综合素质，优于传统的灌输式教学模式。
五、结束语
建构主义理论下的“计算机组成原理”教学，打破了传统的以教为主的教学模式，建立起以学生为主体，师生共同协作参与的教学氛围，培养了学生的自主学习意识和能力，激发了学生的学习热情，更适合新型现代计算机专业人才的培养。在后续的教学活动中，课程组将继续对教学过程进行监控和分析，注重教学效果的评估，在实践中不断完善。同时加强课程组师资队伍建设和教材建设工作，以实现“计算机组成原理”课程建设的不断完善和可持续发展。
参考文献：
[1]侯宏霞,松云.“计算机组成原理”精品课程建设的实践与探索[J].计算机教育,2010,(2):119-121.
[2]莫晓晖,张漪.计算机组成原理课程教学改革[J].计算机教育,2010,
(13):101-103.
[3]罗福强,冯裕忠,茹鹏.计算机组成原理[M].北京:清华大学出版社,
2011.
[4]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.
[5]余胜泉,杨晓娟,何克抗.基于建构主义的教学设计模式[J].电化教育研究,2000,(12).
（责任编辑：宋秀丽）