大數據專業計算機組成原理課程教學改革探究

摘要：根據數據科學與大數據技術專業的特點以及學生培養目標的設置，對計算機組成原理課程在教學過程中需進行改革的方面進行了探究。課程教學以培養學生獲得計算機系統結構認知能力、綜合分析能力與系統設計創新能力為主要目標，提出教學方式多元化設計、教學內容多方位的融合、考核評審機制多樣化等內容，幫助學生建立起計算機系統以及應用的知識體，使學生擁有系統化的專業知識;構建以FPGA為中心的綜合實驗平臺，提高學生的動手實踐能力;同時在理論課和實驗課講授的過程中嵌入思政元素，培養學生的愛國情懷。通過對計算機組成原理課程的教學改革探究，對大數據專業的建設具有較強的指導意義。

關鍵詞：混合式教學;計算機組成原理;以學生為中心;綜合實驗平臺;數據科學與大數據技術專業

中圖分類號：G424? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）26-0113-03

1 引言

數據科學與大數據技術專業（簡稱“大數據專業”）是以大數據為核心研究對象，以在數據中獲取知識和智慧為主要目的，以統計學、計算機科學、可視化及專業領域知識為理論基礎，以數據采集與預處理、數據存儲、數據分析及數據計算為研究內容的一門交叉學科[1]。合肥學院是一所應用型本科高校，開設該專業目標是對接區域需要，重點注重學生創新能力和實踐應用能力培養，努力培養出滿足國家和地方經濟發展需要的大數據實用型人才。在人才培養過程中需要學生掌握必要的計算機知識，要求學生能夠應用計算機硬件與網絡的理論知識與原理，理解和分析大數據系統，實現的途徑包括開設計算機組成原理課程。

大數據是一門新建交叉學科專業，在專業設置上更偏重各種計算機課程。計算機組成原理課程知識點多、內容抽象，并且大數據專業的學生更傾向于培養軟件編程建模能力，很難建立起計算機硬件結構知識的思維，獨立學習能力較差，傳統的教學方法很難滿足新專業學生的需求。因此，對計算機組成原理課程進行改革探究，滿足大數據專業目標設置，對專業的建設具有較強的指導意義。

2 大數據專業計算機組成原理教學要求

2.1 大數據專業課程體系對計算機原理教學的要求

數據科學與大數據技術專業是教育部為落實構建《促進大數據發展行動綱要》而批準設立的新專業[2]，該專業是一個理論實踐結合、以計算技術為基礎、圍繞數據價值化為特色的寬口徑專業。開設的課程以計算機相關課程為基礎，兼顧大數據科學理論與應用，利用數據建模設計以及工程實踐應用為范例來設置課程 [3]。計算機組成原理是大數據專業的專業基礎課程，學生可通過學習課程獲得計算機系統結構認知能力、綜合分析能力與系統設計創新能力。

2.2 大數據專業培養目標對計算機原理教學的要求

合肥學院為適應人工智能時代大數據領域巨大的人才缺口設置大數據專業，2019年開始招生。旨在培養具備從事大數據相關系統開發、大數據項目施工、云計算系統運行和維護等能力，能在科研、金融、企事業單位等部門從事大數據分析處理、大數據應用開發和大數據運維、大數據研究等工作的高級復合型、創新型、應用型人才。該培養目標要求計算機原理課程要實現學生對計算機系統架構理論知識的掌握，還要提高學生的應用實踐以及創新能力。在計算機原理教學過程中要發揮學生的主觀能動性，引導學生自主學習與自主思考、創造性地解決計算機組成原理中遇到的問題，培養學生的創新能力。

2.3 大數據專業對計算機原理教學教師的要求

大數據課程體系和培養目標的設定對大數據專業課程的教師提出了更高的要求，通常教師要具有較強的工程背景和專業技術能力。計算機原理的教師在傳授理論知識時，要能夠結合電子電路、匯編語言、操作系統等課程知識，自頂向下詳細地講解，使學生能夠更加立體地掌握計算機硬件結構知識，并且還要運用工程背景和項目經歷，引入基于項目的學習方法，通過基于項目的教學方式[3]，培養學生利用計算維度來思考計算機結構知識，鼓勵學生綜合運用計算機知識來解決復雜問題。

3 大數據專業的計算機組成原理課程教學改革探究

3.1 多元化的教學方法設計、多方位教學內容相融合以及多樣化考核評審機制設置

合肥學院大數據專業計算機組成原理課程采用的是高等教育出版社唐朔飛教授編寫的《計算機組成原理（第3版）》作為教材，該教材采用計算機組成五大部分包括計算機概述、存儲器、運算器、控制器和外部設備內容進行組織并且采用自頂向下方式進行編寫，內容多且抽象、知識面廣、難度大，目前各大院校在計算機組成原理課程教學中采用的模式基本以“課堂講授理論+實驗”為主[4]。在當今信息化、“互聯網+”時代傳統的教學模式很難滿足學生對新知識獲取的需求，因此必須對課程的教學方式、教學內容以及教學考核方式進行創新與改進。

1） 教學方式采用多元化設計

首先采用案例式教學。教師在傳授理論知識講到相關章節時，可結合本人的科研項目或者企業項目為引子，采用分組式、問題式教學，每組應由不同特點的 4～6 名學生組成，設置討論問題，倡導學生發揮想象，運用章節所學的知識，去完成項目的某部分功能設計。并鼓勵學生走上講臺去展示討論結果，這種具體案例分組式教學，強調理論實踐結合，使學生在學習思考過程中，設計性地解決復雜問題，學生理解更加深入，學習效果也提升顯著。

其次，在教學過程中借助多媒體設備，利用思維導圖、在線技能演示等先進教學形式，實現側重應用、回歸理論的教學理念。教師鼓勵學生在課前制作思維導圖，建立起記憶鏈接樹，將抽象難懂的文字以組合的方式構成簡單易懂的脈絡圖。這樣可以大大提升學生課堂參與度，提高學生自主學習的積極性、開拓思維以及實現創新能力的培養。同時，可通過課堂教學效果實時反饋。比如，在講解計算機基本構成章節內容時，老師利用多媒體設備播放實際的計算機組成框架，并且在下節課時讓學生利用多媒體設備（例如電子白板）在線描繪計算機基本組成硬件框圖，對繪制框圖進行自己的理解闡述。通過師生互動、生生互動，為學生提供更多的展現自我的機會，完成教學方式以學生主導探索研究的轉變，實現學生自主學習能力的提升，調動參與的積極性，提升課堂教學氛圍。

最后，采用線上線下相結合的教學方法。第一、傳統的線下教學，學生很難在教室有限的45分鐘課堂時間內進行知識的深入梳理。因此可將所授課課件以及各種教學視頻作為共享資源發布在線上平臺，并建立在線交流答疑、在線作業與自測平臺的教學效果跟進。同時可向學生推薦國內外一流院校錄制的課程，如MOOC 在線課堂等，使其進行在線的自我學習，實現課堂學習的有效延伸，發揮學生自己的主觀能動性。第二、合理設置課后作業。除了常規的課堂習題作業外，還應按照課程內容模塊定期給學生布置思考作業，以課堂基礎教學內容結合實踐案例，既要考查學生對課堂知識的了解情況，還要能體現學生運用課堂知識解決實際問題，培養學生的創新思維。

2） 教學內容采用多方位的融合

對于大數據專業的學生而言，計算機組成原理課程內容更側重于計算機的運行，注重與實踐的結合。

課程內容設置時要優化章節內容，緊跟技術發展拓寬教學內容，從而滿足學生專業知識的需求以及教學發展的需要。發揮課程在整個大數據專業課程體系中與其他課程聯系緊密的作用。

在授課過程中，課程內容資源應引進其他課程的相關知識，形成計算機系統知識樹的構建。使學生學到的知識不是碎片化、孤立的，而是一個完整的計算機知識體，培養學生對計算機問題的綜合分析能力，為成為復合型人才提供必要條件。例如，在講授存儲器章節時，課前將模擬電路知識MOS管的工作狀態、等效電路以及反相器等知識資料上傳到智慧平臺，讓學生對知識儲備有個反芻的過程，結合模擬電路知識對儲存器的架構以及工作原理過程有更加全面的掌握;在進行指令系統內容講解時，可與高級語言編程和操作系統為代表的軟件課程互相融合，使學生明白機器語言和編程語言之間如何變換、鏈接等問題，從更高的角度審視計算機系統結構和軟件設計方法的聯系，使學生掌握了硬件結構的理解能力的同時，也提升了學生綜合程序設計的能力。

制作課件時，內容不僅要參考教科書，還要借助互聯網等新時代信息技術與資源，例如國內外知名高校同類別專業課件PPT、教學大綱等。課件內容還可增添計算機相關專業如信號處理、電子工程、自動化工程等涉及計算機硬件相關章節內容的使用案例。通過典型的案例分析，學生在情境現場中討論學習，嘗試解決實際問題，使學生及早感受知識運用到實際中解決問題的魅力。利用這種方式，讓學生明白理論知識在具體工程運用中的效果，建立學生應對實際復雜開發情境分析以及解決能力，有效規避了傳統教學模式中一味灌輸的弊端，培養學生良好的科學素養、創新意識以及團隊合作意識。

通過不斷地拓展講授內容，保持教學內容新穎。及時補充相關教學領域最新的技術動態內容，引入計算機發展過程中新的概念知識點以及工程應用實例，這些內容更能夠激發學生的學習興趣幫助學生更好地走在專業領域前沿。可充分利用現有互聯網以及專業領域資源，使學生意識到計算機組成原理課在整個專業課程體系中設置的必要性以及學習掌握課程內容對專業能力提升的重要性，幫助學生理解枯燥理論知識是培養專業科學素養的核心和基礎。

3） 考核評審機制多樣化

在學生的成績評定過程中引入進程式考核方式，也即隨機考核、過程考核、課堂成績和期末考核多種方式相結合的模式。

首先，在教師的課堂授課過程中，可以按照課程節奏隨時安排口試題目。題目可以安排具有探索性的小作業，考試方式可以采用線上的形式。該方式不僅考核學生解題以及知識掌握能力，還鍛煉學生清晰的思維表達能力。同時在每學期安排過程考核、期末考核對學生平時的學習是一種有效的督促，要求學生緊跟課程進度，有利于培養學生良好的學習習慣，而不是抱有“臨時抱佛腳”的僥幸。

其次，平時上課時的課程成績也應作為成績評定的一大組成部分，比如在教學過程中對具體的案例分析分組討論時，按照組內解決方案內容進行打分，并且要考慮組內成員對于方案制定過程中的貢獻，考查學生在單個案例中的表現，綜合評價學生的完成程度，以評價體系推動學生高質量地完成所學知識的反饋輸出。

最后，可建立線上考評機制，由學生和老師之間互評，幫助學生對自己的學習效果及時掌握，同時老師能夠根據學生的情況，及時對教學進度和教學方式進行有效調整。為了增加學生參與評價或者提供意見的積極性，可考慮有償征集建議。

3.2 構建以FPGA為中心的綜合實驗平臺

大數據專業在教學過程中的重要環節之一就是實踐教學，實踐教學主旨是為了培養具有自主學習能力的研究型和應用型復合人才。教學過程應該以理論知識為基礎，注重實踐內容實施，實現學生數據處理分析能力、系統開發能力以及工程應用能力的提升。因此在實驗教學過程中，需要選擇一套能夠銜接數字邏輯電路、計算機組成原理、嵌入式計算系統等課程實驗內容的綜合實驗平臺。經過調研構建了以FPGA為主芯片的實驗平臺，該實驗平臺在大數據專業課程體系實驗中起到承上啟下的作用。首先，學生經過數字邏輯電路實驗已經掌握門電路基本功能部件，然后計算機組成原理綜合性實驗中采用基本功能部件構建CPU、存儲器、外圍電路等設備，由Verilog編程語言通過總線互聯形成完整的計算機硬件系統。學生可以通過實驗對各級子系統進行深入了解，使之從微觀角度來認識實現計算機的自動工作，清晰地建立起計算機系統的整機概念。例如，利用軟件自帶的IP核（16×8） 以及通過字擴展技術完成64×8 位的存儲器設計，首先在工程文件中調用IP核，然后用verilog編程語言實現仿真軟件的編寫，最后生成bit文件下載到實驗平臺上驗證設計原理。通過實驗幫助學生深入地理解存儲器擴展技術，使抽象晦澀的知識變得立體化、形象化。

根據大數據專業的學生更側重于軟件能力培養的特點，編寫實驗指導書時對實驗內容和實驗步驟盡量詳盡，需軟件代碼實現的功能部分在工程文件中空缺，由學生完善;同時將深奧的、抽象的實驗內容制作成多媒體實驗課件，幫助學生提前預習、準備實驗。實驗過程中提倡以單人形式獨自完成實驗，培養學生獨立動手能力、邏輯設計和計算機系統分析能力。

同時，可以在理論課和實驗課講授的過程中嵌入思政元素[7]。在理論課時，深入挖掘課程中的思想政治教育內容，啟發學生課后調研專業知識科技前沿;在實驗中，引導學生了解FPGA、相關開發軟件以及硬件系統在國家高新技術發展中所起到的關鍵作用，并結合國外對中興、華為等民族企業的制裁以及我國半導體芯片領域國產化自主可控來激發學生的愛國熱情、端正學生的思想，培養學生的愛國情懷，樹立為祖國未來信息化產業努力奮斗的學習目標。

4 結束語

在當今信息時代，國家大力發展數據產業，越來越多的企業重視大數據所帶來的效益，培養大數據人才成為時代所趨。計算機組成原理作為大數據專業主干課程，在課程體系中將軟件和硬件有機結合起來，課程學習效果對學生計算機系統能力的培養起到至關重要的作用。本文跟隨時代步伐，對計算機組成原理課程的教學改革進行了深入探究，力求能夠培養滿足社會需求的大數據專業人才。

參考文獻：

[1] 王艷麗，張敏，尤國強.新工科背景下數據科學與大數據技術專業建設初探[J].陜西教育（高教），2020（2）：44-45.

[2] 汪中，施培蓓.數據科學與大數據技術專業建設研究[J].安慶師范大學學報（自然科學版），2019，25（1）：117-120.

[3] 陳燕，屈莉莉.數據科學與大數據技術專業課程體系與教學方法研究[J].教育現代化， 2021（1）： 87-89，93.

[4] 蘭勇，張朝陽，王偉，等.計算機組成原理教學改革探索與實踐[J].計算機教育，2019（1）：13-15，20.

[5] 周駿.計算機組成原理課程教學改革思考[J].西南師范大學學報（自然科學版），2014，39（6）：161-165.

[6] 丁愛芬. 基于混合模式的計算機組成原理課程教學改革探索與實踐[J].智庫時代， 2021（2）： 204-205.

[7] 李銳，婁樹勇.計算機組成原理課程教學改革與探討[J].蚌埠學院學報，2021，10（3）：94-97.

【通聯編輯：唐一東】

收稿日期：2022-06-15

基金項目： 2021年度安徽高校自然科學研究項目（項目編號：KJ2021A0992）

作者簡介：焦喜香（1982—） ，女，山東聊城人，高級工程師，博士，研究方向為數據獲取處理，智能控制。