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浅析迁移理论在计算机硬件教学中的合理应用

作者: amvip
来源: uumtu
日期: 2018-11-19 17:57
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现代学习理论要求学习的目标之一是学生能够做到举一反三,能够运用所学知识解决类似或同类课题,因此学习迁移的研究十分重要。现代教学心理学认为,学习要经过知识的理解、记忆、迁移和运用4个阶段,而学习的理解、记忆和运用都离不开迁移。学习过程中,能不能发生迁移、迁移的效果如何,直接影响着学习的进程与效率。迁移能力不仅是一种重要的学习能力体现,更是学生掌握专业技能具有终身学习能力的体现。联合国教科文组织在《学会生存》报告中指出:“未来的文盲是那些没有学会怎样学习的人?!笨杉?,大学生学习能力的高低是决定其日后发展的关键性因素之一。
  1 迁移理论与计算机教学研究
  学生的学习目的不仅是把知识、经验储存在大脑之中,而且是要将所学的知识经验应用于实际的各种不同情境中,去解决现实生活中的各种问题。学习迁移是指先前学习对后继学习的影响,但后继学习对先前学习也会起作用,因此,有人将迁移定义为:在一种情境中获得的技能、知识或形成的态度对另一种情境中的技能、知识的获得或态度形成的影响。简言之,就是一种学习对另一种学习的影响。另外,运用所学的知识技能去解决问题也是一种迁移。
  在我国,计算机教育者对学习迁移理论的实践性研究多集中在某一门课程的教学方法改良上,如编译原理、软件工程、计算机组成原理、程序实训、网络课程、单片机、计算机基础等。
  2013年,李民政等在学习迁移视角下审视了计算机硬件类课程教学,提出教学内容、教学资源建设与科技实训相结合的立体化教学思路,张晓青提出信号处理课程群的迁移教学应用思路,葛晓滨提出博元教学法并应用于电子商务系列课程教学。虽然这些课程的尝试取得了一些积极的效果,但对能力培养而言具有一定的倾向性,割裂了专业素养培养过程的连续性、衔接性,不利于迁移能力的训练。单独一门课的研究必然存在局限性,虽然关注到了教学过程中的学习迁移理论的应用,但是没有过多地关注到学习过程的诸多环节。
  2 制约计算机硬件学习迁移的主要因素
  现代认知迁移理论认为学习者认知结构的清晰性、稳定性、概括性、包摄性和辨别性影响学习迁移,此外,教师对学生学习方法的指导作用也不容忽视。
  2.1 影响认知结构的根本因素是计算思维学习迁移的目标是处理问题、解决问题能力的培养。计算思维强调的是问题模型化的能力,将问题逐步分解抽象成计算机能够自动处理的能力。计算思维是信息时代人们学习的基本素质,是应用计算机技术解决问题的客观思维模式。
  人们运用计算机来解决问题是对人类活动过程的抽象模拟。人类往往是先提出问题、明确问题,然后提出假设、检验假设。而计算机解决问题则是从具体的问题抽象出一个适当的数学模型,设计算法,然后编码执行,验证结果。计算思维能力要求学生具有层次抽象的能力以及层次细化的能力,这决定着学生在信息领域发展的空间和深入的程度。
  2.2 计算机硬件学习过程的3个阶段
  计算机是由硬件、软件系统构成的复杂数字系统。硬件教学的目标在于数字系统的设计。EDA(electronic design automation,电子设计自动化)技术将传统的手工布线式电子电路设计方式改为计算机自动地完成。设计者完全从系统布局、器件连接布线、调试与仿真等工作中解放出来,工作重心集中在设计上,即从系统分析、算法、协议等开始利用设计数字系统,具有可以通过软件编程对硬件结构和工作方式进行重构特点的可编程逻辑器件,使得硬件的设计就像软件设计一样便捷。在虚拟仿真实验环境中,如果没有器件管脚、信号、布线、电路图等基本概念就直接面对EDA设计数字系统,也会由于理论与实践的跨度太大而无从下手,难以应付,根本谈不到理论的应用,更谈不到对学科的认知。
  依据教育部计算机教指委制定的专业指导规范,IEEE-CS及ACM 指导计划,硬件课程设置包括“数字逻辑与数字系统”、“计算机组成”、“汇编语言程序设计”、“计算机接口技术”、“计算机维护”、“计算机体系结构”。要求结合数字电路的发展史,遵从循序渐进、逐步深入的原则,将3个学期要求的能力培养目标按抽象化程度分成3个阶段实现,依次是:要求学生掌握数字系统的电路原理图设计;利用可编程逻辑器件软件化设计;利用集成芯片实现外围设备扩展。这3个阶段分别对应数字系统设计的3种方法,虽各有特点但互不冲突,原理图非常直观,便于学生建立硬件系统的感官认识和体系模型,有利于组件式软件技术开发的转型。
  3 基于学习迁移的计算机硬件教学改革
  计算机硬件教学要求学生利用软件技术设计出能运行自己系统的计算机。这个任务要求学生自主完成,通过学习迁移,激发学生的潜能。学生自主完成学习的迁移,需要对计算机硬件教学进行改革
  3.1 以学生“计算思维”为核心的教学体系构建
  计算思维强调的是计算模型的抽象以及计算过程的自动化,因此,硬件的“计算思维”也就体现在问题求解的部件及计算模型建立和自动处理序列的实现。这种能力的迁移离不开科学的教学体系支持,离不开教学过程诸要素,也离不开知识结构、教学内容、教学方法、教学过程设计和教学效果评价的有机结合。第一,授课前,细化课程间的教学脉络,抽象出技术应用模型、问题求解可计算性模型和规范化的方法论,突出教学层次性,修订了教学大纲、教学内容和实践环节。第二,授课中,规范课堂教学中选用的例子,将抽取的数字系统设计与分析的方法融入每一个实例,有意地训练学生硬件级进行问题描述、设计算法、评价结果的能力。实验教学中,开发实验素材采取验证性与设计性实验并举的教学模式。验证性实验引导学生掌握基本原理和基本技能,熟悉开发工具;设计性实验以项目驱动模式要求学生通过阅读文献,自己设计选题,写出设计方案,编写具体代码,自己调试并解释运行结果。第三,考核中,实验与综合题目相结合,考查学生的应用能力。
  3.2 以学生为中心的教学方法的改革
  以学习迁移理论为指导,学生的学习过程是一个积极主动、自我迁移的过程。在教师的教授和学生的学习过程中,让学生做课堂的主人,积极参与知识传授的过程和学习迁移的过程,培养学生的自我学习能力,有助于学生掌握知识点,进行正确的迁移。
  3.3 注重实践教学
  学习的目的在于应用,是把学习的知识、技能迁移到新的情境中解决问题,计算机硬件课程要求学生将课堂所学的理论、技能迁移到实际系统的研发中,达到学以致用的目标。以数字逻辑课程设计为例,首先,选取的题目全部来自现实生活,如多功能计算器、交通灯控制器、空调控制器、洗衣机控制器、自动售货机、电梯控制器等。其次,明确要求底层用硬件描述语言实现,顶层采用原理图实现。第三,指导教师督促学生按照软件工程的思想规范化地开展工作,从需求分析、功能??榛挚济魅啡挝?、解决步骤、部件设计、原理图设计和成果验收。最后,学生撰写实验报告。
  3.4 构建多元化的教学评价体系
  学生学习效果一方面来自实验的成功,另一方面来自教师客观、积极、肯定的评价。鼓励学生去挖掘自身的潜力、克服学习的困难是教学的首要基本点??蒲У钠兰刍圃诳凸燮兰垩芰Φ耐庇睦难叭惹?。教学中,采取理论考试、实验报告、科技作品等相结合的多元化教学评价策略,同时融入形成性评价并及时反馈给学生,通过学习态势的感知进行学习调整。
  3.5 鼓励学生积极参加第二课堂
  第一课堂是基础知识的积累,第二课堂是基础知识的拓展与运用。计算机硬件的学习应当把课堂知识迁移到各种技能竞赛、作品设计等活动中,依托第二课堂的活动,为学生的技能展示提供一个平台,学以致用,用以创新。只有让学生将所学知识用于实践,才能达到学习迁移的目的。
  4 结束语
  学习迁移理论在计算机硬件教学中得到了很好的应用,学习迁移的主动性和自主性较高,形象思维到逻辑思维转型较为顺利,也形成了良好的学习习惯。随着时代的变迁,人们需要学习的内容发生了巨大的变化,相应的学习理念也需要与时俱进,做出相应的调整,才能取得好的学习效果。作为高等学校教师,懂得学习迁移规律并积极应用,是十分必要和重要的,可以极大地促进教学活动的深入开展,有效提高教学质量。

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