计算机组成原理教学的研究

0引言

计算机组成原理作为计算机专业的一门核心课程，在教学计划中占据非常重要的位置。各高校都在积极地从教学方法、教学内容等方面开展教学研究，例如，吴继娟等提出了问题驱动式教学法，冯月华等提出了构建知识框架方法等，都取得了不错的效果。近几年，济宁医学院根据社会需求和自身发展实际，在建设好传统计算机科学与技术专业的基础上，增设了软件外包方向和物联网方向，与相关企业合作办学。学校按照人才培养的要求，制定了不同的培养方案，计算机组成原理是培养方案中重要课程之一，因而需要进行更深入地教学研究。

1教学现状与存在的问题

目前教学中存在一下几个主要问题。

1)学生对计算机组成原理课程的重视程度不够。大部分学生了解课程地位和目标，但只有58%的学生喜欢学习本课程，将来愿意从事硬件方向工作的学生比例更是低到17%。学习目的偏向于考研，没有理解课程的真正价值。

2)课程知识点及概念没能熟练掌握。约有30%的学生没能真正掌握课程的关键知识点，即计算机运算器、控制器、存储器、输入设备及输出设备5大部件的工作原理，无法形成整机概念。

3)现行教学方法和手段相对单一，对枯燥、抽象的内容缺乏必要的整理或推理，学生感觉有些丈二和尚摸不着头脑。

4)教学效果不理想。主要表现在总考评成绩和实验环节上，特别是校企合作办学专业方向的学生成绩总体有所下降。

2问题成因探析

2.1课程自身理论性较强

课程教学内容主要是计算机系统中五大部件的内部结构、组织方式、基本原理及运行机制。由于具体内容是计算机系统中最基础的内容，涉及的部件都是计算机系统中最底层并且全部进行了模块化的集成封装，无法看到内部实际的结构，知识非常抽象，使得学生总是感觉朦朦胧胧，似懂非懂。

2.2课程知识点网络不清晰

部分学生学习思路不清晰，没有抓住主线，存在脚踩西瓜皮，滑到哪里是哪里的情况，甚至参加考研的学生也是对照考纲采取题海战术一味做题，没有对所学知识及时进行系统归纳，知识点散乱，无法形成知识主线或知识网络。

2.3课程间知识体系不够系统

计算机专业课程知识体系是一个庞大的网络体系。目前，在硬件课程间，乃至软硬件课程间的教学结合还存在一定的趋同性、盲目性和孤立性，课程间知识结构缺乏完整性和系统性。部分教师也是铁路警察，各管一段，教学中没能有效解决好先导课、后☯继课及平行课之间知识点的衔接问题，出现了知识内容不完整、知识点交叉重复等问题。比如，存储器扩展用到的译码器，有的同学竟然不知道已在数字电路中学完;本课程与操作系统在存储器部分有交叉重复，与计算机接口技术在中断系统部分交叉重复等情况。这种知识点遗漏、重复的情况，使学生不能系统完整地构建课程知识体系，更不能真正理解计算机各部件工作原理和协同运行机制。

2.4实践教学效果不明显

虽然在实践教学中周密设置了实验课和课程设计等环节，但是，学生在做实验时没有很好地理清实验内容知识点之间的关联性，也不能很好地与理论知识做到无缝连接，很多零乱的知识点没能很好地贯穿起来，出现了见木不见林的情况。另外，实验本身较差的直观性和可视性，增加了学生学习的畏惧感，挫伤了积极性，实践教学效果不尽人意。

3课程教学改革实施方案

3.1本体思想下课程教学改革的可行性

近几年，哲学中本体论这一概念，成为知识工程的研究热点，在计算机领域中也得到广泛的应用和发展。本体作为一种知识表示方式，可以捕获相关领域的知识，表示知识的概念及概念间的关系，通过这些关系来描述概念语义，能清楚表示知识、概念的层次结构和内在关系。依照这℃一思想，如果用本体来表示计算机的课程知识，既可以将课程知识精确定义的概念及概念间关系清晰明白展现出来，也可以对课程体系结构形成强大的逻辑推理能力，有利于促进课程教学。计算机组成原理作为一门知识点多、概念抽象、逻辑性强的课程，如采用本体思想进行教学设计和实施，可以有效提升教学效果。

3.2构建课程教学本体

3.2.1课程教学过程设计

合理的教学设计是培养学生学习主动性的关键环节，这种教学设计以学生为主体，对一门课程、一个知识单元或一节课进行设计。该教学过程设计包含本体论的教学思想和课程领域知识本体构建，并把教学对象、教学目标、教学内容、教学策略、教学评价等要素进行了有机整合，使教师和学生清楚自己在整个课程教学中担当的角色，教学过程有了一定的系统性、科学性以及完整性。

3.2.2课程领域知识本体构建

构建和利用课程领域知识本体是本体思想视角下课程教学改革非常重要的环节。通过构建课程本体，可以实现将文本、音视频、PPT、网络资源库等多种课程资源向知识本体层映射，充分挖掘课程知识点之间蕴涵的关联关系，便于学生学习。计算机组成原理课程教材知识也是按传统知识组织方式编排，分为章、节、小节、知识点、知识点项等⌘。笔者参照白中英主编的《计算机组成原理》，利用课程本体的构建方法，构建完善课程领域知识本体。

首先，按计算机专业课程体系，参照教材内容的组织形式从专业课程到知识点项划出层次，对课程知识点进行收集和分析，合理选取相关书籍、精品网站及已有课程领域知识本体等作为知识源。然后，以课程知识、篇章知识、节知识、知识点的模式，形成层次对应关系，再确定各核心知识点，细化提取类本体概念词。以第五章中央处理器为例，按照教材内容组织和中央处理器的运行机制，提取了相关知识点及部分概念词。

例如，在知识点指令周期的❥基本概念下有CPU周期时钟周期等知识点项，并对应了类本体概念词，进而确定概念之间、知识点与知识点项、知识点与概念词以及知识点项与概念词之间的ต关系。

最后，根据定义的层次结构和关系模型，采用自上而下和自下而上相结合方式，把知识点项、知识点以及它们之间的关系进行优化组织，逐步建立起课程领域知识本体。

4在教学过程中的实施应用

4.1优化组织教学内容

利用构建的课程知识领域本体，采用模块化的方法组织教学。计算机的每个主要部件都看作一个黑匣子，自顶向下、由表及里、从整体到局部逐步展开，对每个部件所涉及的基本概念、工作原理再按自底向上的思路来讲解。例如，在学习中央处理器部件时，按照课程领域知识本体确定的知识点、知识点项以及对应的类本体概念词，学生可以了解到当前中央处理器的构成，包括运算器、控制器、Cache 3部分，控制器又分为组合逻辑控制器、微程序控制器两种类型，CPU运行还需要指令系统配合等;掌握了指令周期、CPU周期、时钟周期等基本概念，并理清了它们之间的关系。这就使学生更系统、更清楚地掌握中央处理器部件所涉及的知识点，理解其运行机制。

4.2有效形成课程知识体系学习

假设以中央处理器为基点，参照知识点关系，可以形成中央处理器、控制器、微程序控制器、微程序、微指令，中央处理器、存储器、Cache存储器、主存与Cache的地址映射、直接映射等多种学习路径。同时，还可以根据不同的教学要求，对单元知识所蕴含的知识点进行添加、删除，甚至修改。比如，在软件外包方向的教学中，删除了存储器中虚拟存储器和中央处理器中流水CPU等部分内容。课程教学不是孤立的，知识点会与其他课程有些重叠和交叉，借助这些知识点，对本课程知识体系进行了拓展，可以形成较大、较完整课程知识体系结构。

4.3合理运用多种教学方法

教学有法，但无定法。笔者在教学中采用了启发式、讨论式、研究式、自学式等多种教学方法，引导学生主动参与教学活动，充分发挥学生主体作用。当然，针对像浮点数等理论性较强的知识，也没有摒弃传统的填鸭式的教学方法，课堂上就采用满堂灌的方式进行推导。

5课程教学改革的效果

5.1学生成绩有了明显提升

对比近几年学生成绩发现，采用本体思想进行教学的2012级学生成绩有明显提升，特别是校企合作办学的软件外包和物联网方向的学生理论考试成绩平均提高了12分，成绩基本呈正态分布，不及格率下降了26%。实验和课程设计的效果也明显提升。

5.2灵活生成了多种学习路径

根据学习目标，结合自己对知识掌握的情况，学生可以灵活对知识点项、知识点进行组合，理清知识点间关系脉络，生成不同层次的学习路径，方便自主学习。

5.3优化整合了专业课程教学内容

对专业课程教学内容进行优化整合，有效融合了先导后继课程、平行课程的知识点，学生能清晰地掌握课程知识脉络，构建知识链及知识体系网络。

6结语

基于本体论的教学实践取得了较好的教学效果。如何推进教学改革纵深发展，是我们下一步工作的重点。