基于成績(jī)數(shù)據(jù)分析的計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)改革探索

王曉莉 石剛 周魯梅 張藝昊

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)組成原理；決策樹(shù)算法；成績(jī)數(shù)據(jù)

0引言

計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生需要更多地關(guān)心計(jì)算系統(tǒng)的整體性能，培養(yǎng)自身計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力，這也是工程教育的特征[1]。計(jì)算機(jī)組成原理課程是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)認(rèn)知、設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力，使學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)的整體系統(tǒng)架構(gòu)有清晰的認(rèn)知，并為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)等后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定良好的基礎(chǔ)[2]。課程建設(shè)應(yīng)以新工科專(zhuān)業(yè)建設(shè)為目標(biāo)，更新教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，著重于解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的培養(yǎng)，致力于培養(yǎng)適應(yīng)新工科行業(yè)需求的工程人才。

數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。由于成績(jī)數(shù)據(jù)是教師教學(xué)效果和學(xué)生學(xué)習(xí)效果的客觀體現(xiàn)，因此，基于成績(jī)數(shù)據(jù)的分析挖掘研究是提高教學(xué)質(zhì)量的重要途徑。本文通過(guò)深入分析成績(jī)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)環(huán)節(jié)中教學(xué)內(nèi)容的薄弱點(diǎn)和課程環(huán)節(jié)設(shè)置的間斷點(diǎn)，為課程教學(xué)改革提供了有力的數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)。

1基于決策樹(shù)算法的計(jì)算機(jī)組成原理課程數(shù)據(jù)分析

1.1方案設(shè)計(jì)

決策樹(shù)算法是通過(guò)信息論中的信息增益去尋找數(shù)據(jù)庫(kù)中具有最大信息量的屬性，建立決策樹(shù)的一個(gè)結(jié)點(diǎn)，再根據(jù)這個(gè)屬性字段的不同取值去建立樹(shù)的分支，每個(gè)分支子集重復(fù)建立樹(shù)的下層結(jié)點(diǎn)和分支的過(guò)程，最終生成決策樹(shù)[3]。使用決策樹(shù)算法對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理課程和先序課程進(jìn)行分析，針對(duì)性地設(shè)計(jì)教學(xué)改革措施，具體方案如圖1所示。

1.2決策樹(shù)構(gòu)建

1）本文選擇新疆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2013-2018級(jí)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的33門(mén)課程成績(jī)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理，清除缺失數(shù)據(jù)、錯(cuò)誤數(shù)據(jù)、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，獲得331組有效數(shù)據(jù)。對(duì)33門(mén)課程進(jìn)行編號(hào)，主要專(zhuān)業(yè)課程對(duì)應(yīng)編號(hào)如表1所示。

2）ID4.5等算法生成的決策樹(shù)是一種類(lèi)似二叉樹(shù)和多叉樹(shù)的樹(shù)形結(jié)構(gòu)[4]。實(shí)驗(yàn)以計(jì)算機(jī)組成原理課程為目標(biāo)，屬性按照培養(yǎng)方案中的先修課程設(shè)置，用信息增益比選擇特征的CA4.5算法，通過(guò)不斷調(diào)整參數(shù)，最終決策樹(shù)模型正確率達(dá)到89.12%，如圖2所示，構(gòu)建出計(jì)算機(jī)組成原理決策樹(shù)，如圖3所示。

3）結(jié)果分析。從生成的決策樹(shù)得出對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理課程產(chǎn)生影響的前5個(gè)課程按程度依次是：數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)原理、離散數(shù)學(xué)、程序設(shè)計(jì)C、電路與電子學(xué)實(shí)驗(yàn)、數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)。根據(jù)培養(yǎng)方案，計(jì)算機(jī)原理組成課程開(kāi)課時(shí)間為第三學(xué)年第五學(xué)期，其他前導(dǎo)課開(kāi)課時(shí)間及影響程度排名如表2所示。

從專(zhuān)業(yè)課程體系構(gòu)建及課程內(nèi)容來(lái)看，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)原理課程中的數(shù)據(jù)模型、關(guān)系代數(shù)、規(guī)范化等基礎(chǔ)知識(shí)有助于理解計(jì)算機(jī)組成原理課程中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和訪(fǎng)問(wèn)的機(jī)制。學(xué)生通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)原理課程能夠更深入地理解計(jì)算機(jī)內(nèi)存、磁盤(pán)存儲(chǔ)等部件的工作原理；同時(shí)，程序設(shè)計(jì)C中的數(shù)據(jù)類(lèi)型、指針、函數(shù)調(diào)用等知識(shí)與計(jì)算機(jī)組成原理課程中數(shù)據(jù)的表示、存儲(chǔ)、棧、中斷等知識(shí)相互對(duì)應(yīng)，有助于學(xué)生更好地理解軟硬件之間的關(guān)系；電路電子學(xué)實(shí)驗(yàn)、數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生更好地了解計(jì)算機(jī)基本器件元件級(jí)的底層實(shí)現(xiàn)邏輯，從而對(duì)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)功能部件的構(gòu)建有深刻的理解；離散數(shù)學(xué)作為計(jì)算機(jī)學(xué)科的重要數(shù)學(xué)工具，為學(xué)生理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜工程問(wèn)題的解決思路提供了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

4）教學(xué)環(huán)節(jié)薄弱點(diǎn)

①前導(dǎo)課程沒(méi)有達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。課程的前后順序是課程體系設(shè)置中的重要內(nèi)容，新疆大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的課程體系設(shè)置以《中國(guó)工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì)工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》為基本依據(jù)，組織教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)、各課程組、相關(guān)行業(yè)專(zhuān)家開(kāi)展了多次分析和論證后確定，符合專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)方案和畢業(yè)要求。前導(dǎo)課程在課程體系設(shè)置上有比較重要的作用，前導(dǎo)課的出現(xiàn)不僅可以幫助學(xué)生盡快地適應(yīng)課程內(nèi)容，也對(duì)教師選擇適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法和內(nèi)容起到了很好的輔助作用，高校應(yīng)當(dāng)提高對(duì)前導(dǎo)課的重視程度[5]。根據(jù)課程目標(biāo)與定位、教學(xué)內(nèi)容和知識(shí)結(jié)構(gòu)，通過(guò)和教研組授課教師交流溝通，均普遍認(rèn)為前導(dǎo)課中的電路與電子學(xué)、數(shù)字電路、程序設(shè)計(jì)C對(duì)本課程影響較大。數(shù)字電路課程中學(xué)習(xí)到的邏輯門(mén)、譯碼器、寄存器、邏輯功能設(shè)計(jì)方法等是計(jì)算機(jī)組成原理課程講授中用到的基本知識(shí)，是學(xué)生理解計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)各部件功能實(shí)現(xiàn)必不可少的知識(shí)儲(chǔ)備，但從生成的決策樹(shù)來(lái)看，公認(rèn)應(yīng)該有較大影響的直接前序課數(shù)字電路排名第9；電路與電子學(xué)是集成電路技術(shù)的基礎(chǔ)，在當(dāng)前國(guó)產(chǎn)芯片自主可控需求下，該課程是對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理課程核心內(nèi)容的技術(shù)基礎(chǔ)，而決策樹(shù)中電路與電子學(xué)理論課程由于影響較小沒(méi)有出現(xiàn)。上述兩門(mén)課程情況相同，說(shuō)明前序課程沒(méi)有對(duì)后續(xù)課程起到支撐作用，前后序的授課教師應(yīng)重視該問(wèn)題并進(jìn)行改進(jìn)。電路與電子學(xué)實(shí)驗(yàn)課程排名第4，數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程排名第5，說(shuō)明實(shí)踐環(huán)節(jié)彌補(bǔ)了理論環(huán)節(jié)的缺失，起到了較好的支撐效果。

②理論課程與實(shí)踐課程分離。理論課程和實(shí)驗(yàn)課程是相輔相成，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握。通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理課程決策樹(shù)的分析，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)課程和理論課程關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，反映出該教學(xué)環(huán)節(jié)存在一定問(wèn)題。

2課程改革措施

2.1加強(qiáng)思政內(nèi)容融入專(zhuān)業(yè)課堂

決策樹(shù)中編號(hào)為7的課程是“思想道德修養(yǎng)與法律基礎(chǔ)”，這一結(jié)果較為出乎意料，從數(shù)據(jù)的角度證明了正確的思想引領(lǐng)對(duì)專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)具有顯著影響。大學(xué)的專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)不僅涵蓋專(zhuān)業(yè)知識(shí)和技能的培養(yǎng)，更是培養(yǎng)社會(huì)主義建設(shè)者和接班人的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。專(zhuān)業(yè)課程不應(yīng)與思政課程脫節(jié)，思政課程是落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)的關(guān)鍵。將思政內(nèi)容融入專(zhuān)業(yè)課程，可以進(jìn)一步引導(dǎo)、加強(qiáng)和深化思政課程的教育成果，對(duì)塑造學(xué)生正確的價(jià)值觀、人生觀、世界觀起到重要作用。只有幫助學(xué)生樹(shù)立正確的學(xué)習(xí)觀，將學(xué)習(xí)動(dòng)力從外部驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)化為內(nèi)部驅(qū)動(dòng)，才能有效激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效果。

2.2加強(qiáng)理論課程與實(shí)驗(yàn)課程的聯(lián)系

經(jīng)過(guò)對(duì)理論課程和配套實(shí)踐課程的深入了解，發(fā)現(xiàn)由于排課時(shí)間等客觀原因，理論課程授課進(jìn)度與實(shí)驗(yàn)課程授課進(jìn)度難以匹配，導(dǎo)致學(xué)生知識(shí)掌握缺乏連貫性。針對(duì)此問(wèn)題，建議盡量安排同一位教師同時(shí)講授理論課和實(shí)驗(yàn)課；若條件不允許，授課教師應(yīng)及時(shí)溝通課程進(jìn)度。同時(shí)，教務(wù)部門(mén)應(yīng)允許教師靈活設(shè)置實(shí)驗(yàn)課上課時(shí)間，確保與理論課程進(jìn)度相匹配。

2.3面向自主可控需求，增加核心技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化內(nèi)容

當(dāng)前，以美國(guó)為首的西方國(guó)家在核心芯片、操作系統(tǒng)、移動(dòng)通信等高端技術(shù)領(lǐng)域?qū)ξ覈?guó)實(shí)施了越來(lái)越嚴(yán)格的封鎖策略。為實(shí)現(xiàn)全面自主、獨(dú)立的發(fā)展，我國(guó)必須擺脫對(duì)他國(guó)技術(shù)的依賴(lài)。華為、龍芯等企業(yè)在芯片和通信領(lǐng)域已取得突破性進(jìn)展。因此，建議在課程內(nèi)容中增加國(guó)產(chǎn)處理器新技術(shù)、新發(fā)展內(nèi)容，如Arm體系、Arm指令集、龍芯自主研發(fā)指令集的設(shè)計(jì)方式以及鯤鵬CPU編程結(jié)構(gòu)等。這不僅有助于加深學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解，還能進(jìn)一步樹(shù)立民族自信，提升自足獨(dú)立的時(shí)代使命感，為信息技術(shù)“國(guó)產(chǎn)化”的人才培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

2.4構(gòu)建基于鯤鵬處理器的實(shí)踐課程融合體系

通過(guò)分析計(jì)算機(jī)組成原理課程后續(xù)課程的決策樹(shù)，發(fā)現(xiàn)該課程對(duì)軟件工程、Java程序設(shè)計(jì)等應(yīng)用類(lèi)課程的影響較小。這反映出學(xué)生未能將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，同時(shí)也表明課程之間缺乏有效融合。針對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用能力培養(yǎng)的整體要求，結(jié)合當(dāng)前信息技術(shù)“國(guó)產(chǎn)化”的人才培養(yǎng)需求，建議使用華為公司提供的TaiShan服務(wù)器、OpenEuler操作系統(tǒng)、Gauss數(shù)據(jù)庫(kù)等，從實(shí)踐環(huán)節(jié)將計(jì)算機(jī)組成原理、ARM匯編、操作系統(tǒng)、JavaWeb等專(zhuān)業(yè)核心課程內(nèi)容打通，構(gòu)建基于華為鯤鵬平臺(tái)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。通過(guò)探索多門(mén)課程內(nèi)容相融合、理論與實(shí)踐相結(jié)合的系統(tǒng)能力培養(yǎng)方式，取得了顯著效果。

3結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析課程成績(jī)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)中存在的問(wèn)題和不足。結(jié)合信息技術(shù)“國(guó)產(chǎn)化”人才需求，本文從課程內(nèi)容、實(shí)踐平臺(tái)、課程銜接、課程融合等方面提出了教學(xué)改革措施，并在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)班級(jí)教學(xué)中進(jìn)行了實(shí)施，取得了顯著效果。通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查，80%以上的同學(xué)表示對(duì)課程內(nèi)容有了更深的理解，絕大多數(shù)同學(xué)認(rèn)為作為當(dāng)代計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的大學(xué)生，應(yīng)更積極地在芯片設(shè)計(jì)、國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、國(guó)產(chǎn)軟件使用等方面發(fā)揮自身作用。