計算機組成原理教學的研究論文
0引言
計算機組成原理作為計算機專業的一門核心課程，在教學計劃中占據非常重要的位置。各高校都在積極地從教學方法、教學內容等方面開展教學研究，例如，吳繼娟等提出了問題驅動式教學法，馮月華等提出了構建知識框架方法等，都取得了不錯的效果。近幾年，濟寧醫學院根據社會需求和自身發展實際，在建設好傳統計算機科學與技術專業的基礎上，增設了軟件外包方向和物聯網方向，與相關企業合作辦學。學校按照人才培養的要求，制定了不同的培養方案，計算機組成原理是培養方案中重要課程之一，因而需要進行更深入地教學研究。
1教學現狀與存在的問題
目前教學中存在一下幾個主要問題。
1)學生對計算機組成原理課程的重視程度不夠。大部分學生了解課程地位和目標，但只有58%的學生喜歡學習本課程，將來愿意從事硬件方向工作的學生比例更是低到17%。學習目的偏向于考研，沒有理解課程的真正價值。
2)課程知識點及概念沒能熟練掌握。約有30%的學生沒能真正掌握課程的關鍵知識點，即計算機運算器、控制器、存儲器、輸入設備及輸出設備5大部件的工作原理，無法形成整機概念。
3)現行教學方法和手段相對單一，對枯燥、抽象的內容缺乏必要的整理或推理，學生感覺有些“丈二和尚摸不著頭腦”。
4)教學效果不理想。主要表現在總考評成績和實驗環節上，特別是校企合作辦學專業方向的學生成績總體有所下降。
2問題成因探析
2.1課程自身理論性較強
課程教學內容主要是計算機系統中五大部件的內部結構、組織方式、基本原理及運行機制。由于具體內容是計算機系統中最基礎的內容，涉及的部件都是計算機系統中最底層并且全部進行了模塊化的集成封裝，無法看到內部實際的結構，知識非常抽象，使得學生總是感覺朦朦朧朧，似懂非懂。
2.2課程知識點網絡不清晰
部分學生學習思路不清晰，沒有抓住主線，存在“腳踩西瓜皮，滑到哪里是哪里”的情況，甚至參加考研的學生也是對照考綱采取“題海戰術”一味做題，沒有對所學知識及時進行系統歸納，知識點散亂，無法形成知識主線或知識網絡。
2.3課程間知識體系不夠系統
計算機專業課程知識體系是一個龐大的網絡體系。目前，在硬件課程間，乃至軟硬件課程間的教學結合還存在一定的趨同性、盲目性和孤立性，課程間知識結構缺乏完整性和系統性。部分教師也是“鐵路警察，各管一段”，教學中沒能有效解決好先導課、后繼課及平行課之間知識點的銜接問題，出現了知識內容不完整、知識點交叉重復等問題。比如，存儲器擴展用到的`“譯碼器”，有的同學竟然不知道已在“數字電路”中學完;本課程與“操作系統”在“存儲器”部分有交叉重復，與“計算機接口技術”在“中斷系統”部分交叉重復等情況。這種知識點遺漏、重復的情況，使學生不能系統完整地構建課程知識體系，更不能真正理解計算機各部件工作原理和協同運行機制。
2.4實踐教學效果不明顯
雖然在實踐教學中周密設置了實驗課和課程設計等環節，但是，學生在做實驗時沒有很好地理清實驗內容知識點之間的關聯性，也不能很好地與理論知識做到無縫連接，很多零亂的知識點沒能很好地貫穿起來，出現了“見木不見林”的情況。另外，實驗本身較差的直觀性和可視性，增加了學生學習的畏懼感，挫傷了積極性，實踐教學效果不盡人意。
3課程教學改革實施方案
3.1本體思想下課程教學改革的可行性
近幾年，哲學中“本體論”這一概念，成為知識工程的研究熱點，在計算機領域中也得到廣泛的應用和發展。“本體”作為一種知識表示方式，可以捕獲相關領域的知識，表示知識的概念及概念間的關系，通過這些關系來描述概念語義，能清楚表示知識、概念的層次結構和內在關系。依照這一思想，如果用“本體”來表示計算機的課程知識，既可以將課程知識精確定義的概念及概念間關系清晰明白展現出來，也可以對課程體系結構形成強大的邏輯推理能力，有利于促進課程教學。計算機組成原理作為一門知識點多、概念抽象、邏輯性強的課程，如采用本體思想進行教學設計和實施，可以有效提升教學效果。
3.2構建課程教學本體
3.2.1課程教學過程設計
合理的教學設計是培養學生學習主動性的關鍵環節，這種教學設計以學生為主體，對一門課程、一個知識單元或一節課進行設計。該教學過程設計包含本體論的教學思想和課程領域知識本體構建，并把教學對象、教學目標、教學內容、教學策略、教學評價等要素進行了有機整合，使教師和學生清楚自己在整個課程教學中擔當的角色，教學過程有了一定的系統性、科學性以及完整性。
3.2.2課程領域知識本體構建
構建和利用課程領域知識本體是本體思想視角下課程教學改革非常重要的環節。通過構建課程本體，可以實現將文本、音視頻、PPT、網絡資源庫等多種課程資源向知識本體層映射，充分挖掘課程知識點之間蘊涵的關聯關系，便于學生學習。計算機組成原理課程教材知識也是按傳統知識組織方式編排，分為章、節、小節、知識點、知識點項等。筆者參照白中英主編的《計算機組成原理》，利用“課程本體的構建方法”，構建完善課程領域知識本體。
首先，按計算機專業課程體系，參照教材內容的組織形式從“專業課程”到“知識點項”劃出層次，對課程知識點進行收集和分析，合理選取相關書籍、精品網站及已有課程領域知識本體等作為知識源。然后，以“課程知識、篇章(模塊)知識、節知識、知識點”的模式，形成層次對應關系，再確定各核心知識點，細化提取類本體概念詞。以第五章“中央處理器”為例，按照教材內容組織和中央處理器的運行機制，提取了相關知識點及部分概念詞。
例如，在知識點“指令周期”的基本概念下有“CPU周期”“時鐘周期”等知識點項，并對應了類本體概念詞，進而確定概念之間、知識點與知識點項、知識點與概念詞以及知識點項與概念詞之間的關系(蘊含、依賴、兄弟、平行、同義、參考等關系)。
最后，根據定義的層次結構和關系模型，采用“自上而下”和“自下而上”相結合方式，把知識點項、知識點以及它們之間的關系進行優化組織，逐步建立起課程領域知識本體。
4在教學過程中的實施應用
4.1優化組織教學內容
利用構建的課程知識領域本體，采用模塊化的方法組織教學。計算機的每個主要部件都看作一個“黑匣子”，自頂向下、由表及里、從整體到局部逐步展開，對每個部件所涉及的基本概念、工作原理再按“自底向上”的思路來講解。例如，在學習“中央處理器”部件時，按照課程領域知識本體確定的知識點、知識點項以及對應的類本體概念詞，學生可以了解到當前“中央處理器”的構成，包括運算器、控制器、Cache 3部分，控制器又分為組合邏輯控制器、微程序控制器兩種類型，CPU運行還需要指令系統配合等;掌握了指令周期、CPU周期、時鐘周期等基本概念，并理清了它們之間的關系。這就使學生更系統、更清楚地掌握“中央處理器”部件所涉及的知識點，理解其運行機制。
4.2有效形成課程知識體系學習
假設以“中央處理器”為基點，參照知識點關系，可以形成中央處理器、控制器、微程序控制器、微程序、微指令，中央處理器、存儲器、Cache存儲器、主存與Cache的地址映射、直接映射等多種學習路徑。同時，還可以根據不同的教學要求，對單元知識所蘊含的知識點進行添加、刪除，甚至修改。比如，在軟件外包方向的教學中，刪除了存儲器中“虛擬存儲器”和中央處理器中“流水CPU”等部分內容。課程教學不是孤立的，知識點會與其他課程有些重疊和交叉，借助這些知識點，對本課程知識體系進行了拓展，可以形成較大、較完整課程知識體系結構。
4.3合理運用多種教學方法
教學有法，但無定法。筆者在教學中采用了啟發式、討論式、研究式、自學式等多種教學方法，引導學生主動參與教學活動，充分發揮學生主體作用。當然，針對像“浮點數”等理論性較強的知識，也沒有摒棄傳統的“填鴨式”的教學方法，課堂上就采用“滿堂灌”的方式進行推導。
5課程教學改革的效果
5.1學生成績有了明顯提升
對比近幾年學生成績發現，采用“本體思想”進行教學的2012級學生成績有明顯提升，特別是校企合作辦學的軟件外包和物聯網方向的學生理論考試成績平均提高了12分，成績基本呈正態分布，不及格率下降了26%。實驗和課程設計的效果也明顯提升。
5.2靈活生成了多種學習路徑
根據學習目標，結合自己對知識掌握的情況，學生可以靈活對知識點項、知識點進行組合，理清知識點間關系脈絡，生成不同層次的學習路徑，方便自主學習。
5.3優化整合了專業課程教學內容
對專業課程教學內容進行優化整合，有效融合了先導后繼課程、平行課程的知識點，學生能清晰地掌握課程知識脈絡，構建知識鏈及知識體系網絡。
6結語
基于本體論的教學實踐取得了較好的教學效果。如何推進教學改革縱深發展，是我們下一步工作的重點。
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