1、 年月 第 卷 第期 作者简介王占全（），男，教授，博士；张永忠（），男，教授，博士。通信作者张永忠，：。基金项目：上海市教育委员会课题“新工科背景下大学计算机课程体系的实践与探索”；上海市教育委员会课题“面向专业应用的人工智能课程体系建设和教学改革”（）。大学生自主学习能力培养策略实证研究王占全，张永忠，陈海波（华东理工大学 信息科学与工程学院，上海 ；上海开放大学 理工学院，上海 ；浙江理工大学 理学院，浙江 杭州 ）摘要在线教育的快速发展，对学生的自主学习能力提出了更高的要求。在目前的自主学习理论模型中，元认知知识、策略、过程监控被认为是自主学习能力培养中的三个关键因素。文章以计算机组成
2、课程中自主仿真设计翻转实验的实施过程为例，总结了自主学习能力培养中三个关键因素的提升策略，包括引导自主学习能力的一般性方法、实施策略、重点环节。同时，结合三年来两个不同专业的对比教学，文章对教学效果和学生自主学习能力提升情况进行了定量分析。关键词 自主学习；实证研究；翻转实验 ，（.，；.，；.，）：，：；自主学习概念由霍尔克在 世纪 年代提出，是指学习者在某种内在动力驱动下，自主确定学习目标、制定学习计划并完成学习的过程。教育界对自主学习的研究包括理论和实践两个方面。理论研究主要从自主学习的构成框架、内在机制、认知模型三个层面展开，并与心理学、社会学领域产生了深度的交叉融合。应用实践主要集中
3、在自主学习策略和自主学习评价上。大多数的自主学习策略研究与元认知能力培养密切相关。元认知，即对认知的认知，是一种面向反思的认知过程，由美国心理学家弗拉维尔首次提出。基于元认知的自主学习包括：元认知知识，即关于学习目标、学习动力的知识；元认知策略，即在课内外进行自主学习的方法、计划、措施等；元认知监控，即在自主学习过程中对学习质量、效果的理性评价和调整。教师推动学生自主学习的主要措施包括元认知培训、填写调查表、制定学习计划表、学习自评和互评等。在自主学习的实践应用研究方面，有学者将教学中的元认知培养划分为五个阶段，每个阶段具有不同的侧重点和引导方向；有学者要求学生确认自己的学习目标、优势与不足，
4、并采用渗透式教学手段，通过建立学生档案袋、进行抽查与反馈、开展评估与自我评估等具体策略培养学生的自主学习能力；有学者围绕 数据库教学中的一个具体 设计问题，探索了元认知监控过程；还有学者探讨了课程教学中自主学习能力以及元认知策略培养的作用。以上研究中分享的元认知引导手段都没有提及教学内容、教学资料是否需要调整，因此可以看作原有教学的补充。而事实上，元认知能力的提升涉及群体心理、个体心智、生活经验等方方面面，仅采取补充教学手段往往会陷入“教师激情有余，学生热情不足”的困境。这必然要求教育工作者，特别是一线教育工作者积极探索自主学习能力培养的基本策略，有针对性地开展课程体系建设和教学改革。围绕学生
5、元认知能力的培养，我们在本科生的计算机组成实验课程中，通过开展翻转实验教学改革，进行了实证研究。我们在完成教学设计的基础上，根据学生的元认知水平，实施了一系列教学改革，以培养学生的自主学习能力；在教学过程完成后，开展了实施成效的定量评价，并总结了配合教学改革培养学生自主学习能力的关键点，包括一般性方法框架、实施策略和重点问题分析。一、课程教学方法设计（一）实验教学案例计算机组成课程是本校计算机科学与技术、软件工程、信息与计算机科学等专业的必修课程。在不同专业，该课程的教学内容、实验要求都相同，仅仅考核形式有差别。我们选取该课程作为学生自主学习能力培养方法实证研究的载体。其中，计算机科学与技术、
6、软件工程专业的计算机组成实验课程采用传统实验教学方法，而信息与计算机科学专业的计算机组成课程采用翻转实验教学方法。翻转实验教学是一种训练学生自主学习能力的有效教学方法，可为教师研究学生自主学习的元认知水平提供素材。翻转实验又被称为自主型实验，是指教师在实验设计过程中，将传统实验教学中的一些实验材料、实验教具、设计方案隐藏起来，让学生根据实验目的自主设计实验方案，并将实验要求提交给其他实验小组来完成。实验设计者负责评价实验结果是否达到预期。翻转实验是翻转课堂的另外一种形式，注重学生自主学习能力的外在应用效能而非内在素养培养。图给出了计算机组成课程翻转实验的内容设计。该课程要求学生完成硬件仿真虚拟
7、机的设计，其核心由三个部分组成，包括虚拟机的核心硬件（如内存）和 的设计、汇编程序的编译和运行、仿真计算的界面设计。这三个部分构成了一个简易的仿真计算机系统，可以执行一些简单王占全，等 大学生自主学习能力培养策略实证研究图计算机组成课程翻转实验内容设计的计算型机器指令程序。在完成设计的过程中，学生需要掌握四个方面的知识：计算机总线原理部分，需掌握计算机总线根数与通信速率之间的关系，数据总线、地址总线和控制总线的区别，以及总线的工作时序；控制器部分，需要掌握控制器取指令、分析指令、执行指令、回写数据的时序过程以及与其他硬件之间的控制信号关系，微程序控制器的主要特点和工作原理；运算器部分，需要掌握
8、数值之间的换算关系，运算器与寄存器之间的关联，以及数据补码和 标准形式；内存芯片部分，需要掌握内存输入输出与内存容量之间的换算关系，内存和缓存之间的映射关系，内存地址与内存存储值的映射关联。学生需要综合运用这些知识完成仿真系统设计。本实验使用的原始素材是自主开发的计算机硬件仿真系统，图中虚线框图内的内容是需要学生自主完成的，包括准备实验数据、编制实验指导书、编写仿真软件模块。（二）学生元认知培养方法我们基于元认知理论，以翻转实验为载体，引导学生自主学习，从而使学生学习和掌握知识点，培养学生的元认知。实验教学与学生自主学习过程相结合，其一般性方法框架如图所示。该方法将元认知引导的自主学习能力培养
9、分成元认知知识的学习、元认知策略管理能力锻炼和元认知自我监控三个环节，每个环节都融入实验教学过程中，但是侧重点不同。图基于翻转实验的元认知培养过程王占全，等 大学生自主学习能力培养策略实证研究翻转实验初始阶段主要是教师引导学生学习元认知知识，该阶段的核心目标是使学生具备自主学习的信心。由于元认知培养是一个潜移默化的过程，所以教师并不要求学生讲述元认知的概念和内涵，而是要求学生讲述专业前沿和趋势，以及对自我价值的认知，引导学生思考如何生存和生活的问题。此外，教师需要准备一些供学生自主学习的资料，包括 、组合逻辑等适合碎片化学习的知识点，下一个阶段自主学习所需的讲义，网络资源和配套练习等。元认知知
10、识的学习包括三个部分：关于主体认知的知识，即学习者对自身价值的认知，包括学习动机、目标、焦虑程度等方面，这些知识主要由学生在教师的引导下通过反思而获得；关于客体的知识，即学习对象的知识，这些知识并不是书本或者教学大纲中规定的，而是课程所属领域的发展前沿等宏观性整体知识，由教师通过传统的教学方式进行讲授；关于知识的素材，包括课堂知识点练习、科技文献、网上教学资源等，这些知识的学习穿插在整个教学过程中，通过碎片化学习方式完成。在元认知培养的整个过程中，教师提供合理且充分的素材是关键。在学生完成翻转实验的过程中，教学的重点是培养学生的认知策略管理能力，这也是学生自主学习能力培养的核心，通过元认知策略
11、的具体实施过程来实现。元认知策略围绕计划和难点展开，而元认知监控主要集中在难点的突破和计划的修正方面。翻转实验是以自学为主的实践过程，教师的主要任务是辅助学生解决制定计划、设计实验过程中遇到的具体问题，促进学生自主学习能力的培养。由于教师并不能完全掌握学生认知水平的动态变化过程，也无法确切了解学生的自主学习情况，因此教学失控的情况偶有发生。为了充分发挥教师的作用，我们在实践中总结了以下几种有效方法：以少带多。少数进度快的小组成员自学能力强，负责制作讲稿，代替老师讲解自己使用的方法，供其他小组参考或借鉴，讲解过程中其他小组可以提问。问题测验。教师针对一些知识点提出具体的问题，如“无条件跳转指令执
12、行前后寄存器的值如何变化”“内存引脚个数与内存容量之间的关系公式”，选择部分小组口头回答并计分，以了解小组元认知策略管理和监控能力，以及学生的自主学习水平。正向奖励。针对完成翻转实验有困难的小组，教师根据具体情况适当给予正向奖励，如完成翻转实验的某个具体设计及答辩就能获得加分。为了有效完成问题驱动和正向奖励过程，一些教师还设计了“实践作业表”，用来引导学生自主学习。表中给出了一个实践作业表的实例，其中包括要求学生完成的问题及难度，这些问题与翻转实验中缺失环节的知识点密切相关。表实践作业表 问题驱动和正向奖励教学实例序号问题难度等级文字说明 和 类的意义和作用，对于计算机仿真来说，如果不实现这两
13、个类，程序会有什么影响；文字说明 的实现原理，它依赖什么实现，深克隆和浅克隆有什么区别低 中缺少位运算操作，如 、，修改 实现这些操作，并添加 函数测试通过；中缺少位运算操作，修改 实现这些操作中举例说明内存的缓存中 的作用是什么，大小是如何计算的；为了完成仿真计算机，你认为还需要仿真什么硬件低编写代码实现一个直接映射或全相联 高王占全，等 大学生自主学习能力培养策略实证研究（三）验证手段在计算机组成实验课程中，仿真设计环节由学生自主完成，而教师要通过一定的方法验证翻转实验结果。本文提出通过软件系统完成大部分自动化验证工作的过程。自主设计正确性验证程序为了验证仿真结果的正确性，教师可以要求学生
14、提交能够实际运行的程序作为设计成果，并使用伪 汇编指令编写第位斐波那契数列生成指令程序，如表所示。表自主仿真实验测试指令程序求解第 位斐波那契数列的伪 指令内存变量定义寄存器初始化循环处理逻辑 ：寄存器初始化 ：其中部分指令为学生自主设计的指令，在实际计算机 指令系统中并没有，如 指令为立即寻址指令，指令用于读取内存数据等。在仿真系统中运行 汇编代码，若得到的结果和 语 言 运 行 结 果 一 致，则 认 为 通 过 正 确 性验证。时序正确率验证在仿真系统执行时序方面，教师可以按照以下过程完成执行过程检测。检测过程总共涉及大类个功能点。第一类是总线初始化，完成时钟信号的同步，验证系统能否检测
15、到时钟信号；测试总线上数据的传输，以及总线地址线和数据线的同步时序；检测是否可以完成其他仿真部件的挂载和卸载。第二类是 模块的加电初始化，输出寄存器数量和种类，测试通过总线加载运算器、控制器、内存、高速缓冲存储器及实现它们之间联系的数据等。仿真芯片的内部数据通信测试按照指令流水的过程分为四个阶段：取值阶段测试指令寄存器中的指令是否与 寄存器一致，指令译码阶段在本仿真实验中不做要求，指令执行阶段则需要根据不同的控制器测试时序逻辑是否正确，指令回写阶段测试执行结果是否与指令一致。在本实验中，教师要求学生完成 条指令的自主设计，学生根据测试程序的实际情况自主决定指令的总数量。第三类是内存模块初始化，
16、完成内存到总线的挂载，并测试显示信息条目是否正确；向内存引脚发送特定的测试节拍信号，并测试内存读写数据的正确性。本实验要求学生自主决定指令读写的时钟周期数和读写时序逻辑，自动化测试程序只检测输入输出结果的正确性。第四类是缓存的设计（可选项），部分学生能够完成片内高速缓存的自主设计任务，王占全，等 大学生自主学习能力培养策略实证研究此时测试程序需要测试数据暂存功能是否正确，并根据缓存与内存的映射方式检查各个变量映射位置是否正确。二、计算机组成课程翻转实验实施成效分析翻转实验的实施成效可以从以下三个角度进行衡量：一是学生完成翻转实验的正确率，过低的正确率表示设计过程或实施过程中存在问题；二是学生自主学习能力的评估；三是学生对完成实验所需知识点的掌握情况。其中，第一个角度的评价可由自动化测试工具来完成；第二个角度的评价根据教师收集的量表统计结果来确定；第三个角度的评价通过期末考核的方式来完成。（一）实验完成情况学生连续三个学年的实验完成情况如表所示，其中“测试程序通过率”表示学生通过斐波那契测试指令的比率，其他检测项为自主设计功能点。表连续三个学年实验完成情况检测项第学年通过率第学年通过率第