《计算机组成原理》综合教学辅助平台的设计与实现

邓吉利+夏朝阳+魏乐

摘要：针对目前《计算机组成原理》教学中存在的学生对原理理解不够透彻、师生交流渠道不通畅、学生参与教学程度不高、教考分离尚未实现等问题，将计算机辅助教学的理念引入课程教学中，设计开发了一个《计算机组成原理》综合教学辅助平台。该平台基于Java EE技术框架，实现了题库管理、作业管理、实验管理、在线交流、公告管理、课程资源管理、成绩管理和在线测试等功能，有效地提高了学生参与教学的兴趣，强化了学生对知识的理解，同时也为课程平时成绩和考核方式的改革提供了有力的支持。

关键词：计算机组成原理；辅助教学；软件模拟技术；Java EE

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）28-0076-03

Abstract： In teaching of Computer Composition Principle， students cannot thoroughly understand the principle. Communication between teachers and students is not smooth. Students participation in teaching is not enough. And separation of teaching and examination has not yet been achieved. Aiming these problems， the thought of the computer aided teaching is introduced in. A comprehensive teaching aided platform of Computer Composition Principle is designed and developed. Based on the Java EE technology framework， the platform achieves several functions， which include the question bank management， job management， experimental management， online communication， announcement management， curriculum resource management， performance management and the online testing， etc. The platform effectively improves students interest in teaching and strengthens students understanding of knowledge. At the same time， it also provides strong support for reforms of the course performance and assessment methods.

Key words： computer composition principle； aided teaching； software simulation technology； Java Platform Enterprise Edition

1 背景

计算机组成原理是计算机相关专业的一门重要专业基础课，它通过对计算机各部件工作原理、信息加工处理及控制过程的分析，培养学生对计算机硬件系统的分析、开发和使用能力，为今后进行硬件设计打下基础。该课程具有知识点琐碎、内容较多、难点不易掌握等特点，同时由于教学环境的客观原因，现今计算机组成原理的教学存在学生对原理理解不够透彻、师生交流渠道不够通畅、学生参与教学程度不高、教考分离尚未实现等问题。因此，利用信息技术，开发一个《计算机组成原理》综合辅助教学平台，将会为学生课外学习提供一个良好的学习环境[1]，从而促进课程教学质量的提高。

目前，随着教育信息化的深入发展，各个高校纷纷开展了计算机辅助教学的研究和实践，出现了一大批辅助教学软件[2-5]，并在教学中取得了较好应用效果。虽然辅助教学系统的发展已经较为成熟，但依然存在一些问题，主要体现在：现今的辅助教学系统主要考虑通用性，未考虑课程之间的差异；现有的辅助教学系统目标用户广泛，因此主要实现的是课程资料的发布、下载和浏览，缺少对课程过程考核的支持；已有教学辅助系统对按照用户要求组织习题，进行在线测试的支持能力较差；在辅助教学系统中，尚未见到将软件模拟技术引入《计算机组成原理》辅助教学的案例。

基于此，本文在借鉴参考文献的基础上，结合《计算机组成原理》课程的特点，基于Java EE技术框架，采用MVC模式，设计实现了一个综合教学辅助平台。该平台由过程考核子系统、题库子系统、原理模拟子系统和教学资源管理子系统构成，实现了题库管理、作业管理、实验管理、在线交流、公告管理、课程资源管理、成绩管理和在线测试等功能，满足了《计算机组成原理》课程辅助教学的需求。

2 需求分析

软件需求分析的任务是确定系统必须完成哪些工作，也就是对目标系统提出完整、准确、清晰 、具体的要求[6]。《计算机组成原理》综合辅助教学平台主要是为了提高课程教学的质量而开发的，作为对课堂教学的一个有益补充，该平台的用户主要是任课教师和学生。教师通过平台能够发布课程资源和信息、更新维护题库、批改相关作业、分析学生成绩、回答学生问题；学生通过平台可以下载课程相关资源、浏览相关信息、进行在线测试、上传作业和报告、提交课程问题等。

综合来看，《计算机组成原理》综合教学辅助平台应该具备以下特点：1）切合《计算机组成原理》课程的教学实际；2）具有易于使用的人机界面；3）方便教师和学生使用，应采用B/S结构；4）为教师提供题库管理、实验管理、作业管理、成绩管理等功能；5）为学生提供在线学习、在线作业、在线测试、问题提问等功能；6）使用数据库，保证数据的安全性和正确性。

3 平台体系结构

为了提高平台的逻辑性和可扩展性，《计算机组成原理》综合教学辅助平台采用如图1所示的体系结构，即由下向上分为数据层、业务逻辑曾、控制层和用户层。将平台分为多个逻辑层级，有利于提高编码逻辑的清晰度，不容易混乱出错，同时具有良好的扩展性，并便于进行单元测试，提高系统的稳定性。

1）用户层

该层直接面向用户，实现平台与用户的交互；该层接收用户输入的请求信息，并将信息送往控制层，同时该层也接受响应结果，在界面上展示；在B/S结构中，用户可以通过浏览器来使用平台。

2）控制层

该层主要完成权限、数据过滤及业务转发的操作。具体可描述为：可根据不同用户的账号登录，来显示不同界面和功能，控制用户的访问权限；实现用户在使用系统时一些请求操作的转发。该层不处理业务逻辑，只做转发控制，这样使得开发系统条理清晰，系统稳定性高，安全性好。

3）业务逻辑层

该层接收上层传递过来的请求，然后根据业务逻辑进行处理，在需要数据时调用数据访问接口，获取需要的数据并封装返回到上层。

4）数据层

数据层是平台各种数据的来源，包括数据库和文件。为了简化数据访问，该层为应用提供了统一的数据接口，以实现程序与数据源松耦合。通过数据访问接口，上一层只需要调用这些接口，即可完成相应的对数据库的操作，以返回查询的数据或者进行数据更新，最终完成数据持久化操作。

4 平台功能设计

结合《计算机组成原理》课程辅助教学的业务需求，平台主要由过程考核子系统、题库子系统、原理模拟子系统和教学资源管理子系统构成。其具体功能划分如图2所示。

1）题库管理子系统

题库管理子系统主要实现基础信息管理、试题录入、试题维护和试卷管理工作，其中基础信息管理主要完成题型、章节、知识点等基础信息的录入、修改和删除操作；试题录入主要完成试题的录入操作，支持手工输入和Excel导入，同时支持图片的上传；试题维护完成试题的修改和删除操作；试卷管理支持根据指定的规则从题库中抽取试题生成试卷的操作，同时也支持手动选择试题生成试卷。

2）过程考核子系统

过程考核子系统主要实现作业管理、实验管理、在线测试和成绩管理工作，其中：

作业管理：将传统的纸质作业迁移到网络上，老师布置电子文档形式的作业，学生在线完成作业，并能在线自动对客观题进行评分，然后给出参考答案，从而减轻教师和学生的负担。作业可以从题库中生成，也可以老师手动布置。学生在以后也能看的自己的作业完成情况。系统会记录每个学生每次作业的分数，以后便能进行成绩管理和分析。

实验管理：对于教学实验，教师给出实验要求、实验过程和实验目的等内容，学生需要学习实验的内容，独立完成实验，并书写电子版的实验报告，最后上传实验报告。教师能批改学生的实验报告并给出分数。成绩也会记录到成绩系统中。

在线测试：教师可以在适当的时间安排在线测试，学生也可以根据自己的实际情况进行自主测试，例如可以专门针对自己的薄弱章节或者知识点生成在线测试。平台记录学生测试的时间、次数和成绩，并将其计入平时成绩，作为过程考核的一部分。

成绩管理：记录学生在作业、实验、在线测试等一些环节的分数情况。学生可以查看自己的相关成绩，教师可以查看整体或每个学生的成绩情况，并进行分析和导出。

3）原理模拟子系统

由于计算机组成原理这门课程设计较多的复杂的原理，很多原理理解比较困难，所以平台增加了原理模拟子系统，该子系统对一些复杂的原理提交演示，多原理进行拆分，以图形的形式展现出来，增强学生对原理的理解。同时，该子系统提供了程序管理的功能，学生采用软件模拟技术编写模拟硬件工作机制的模拟程序，并通过程序管理功能提交到平台，平台自动判断程序的正确性，并给出成绩。

4）资源管理子系统

该子系统主要实现课件、教学大纲、授课教案、教学日历等教学资源的上传、浏览和下载功能。

5）其他功能

数据管理实现数据的备份和恢复，以及日志管理功能。平台的用户主要有教师和学生两种，每种用户有自己的角色、姓名、性别等信息，教师还有授课班级等特有信息，学生有专业、成绩、班级等特有信息；用户管理各类用户的信息。权限管理能够实现所有栏目和功能的权限指定，具有自动和自主增加权限功能；能够对每类资源指定浏览/下载/修改/添加/删除等控制权限；能够进行用户级别设置，可自定义不同级别，每个级别能划分不同权限；能够对不同用户根据需要进行不同级别指定，能对同一用户同时指定不同级别，能对用户单独添加某种权限。公告管理使得教师可以发布公告，可以利用此公能发布课程相关的一些公告，学就可以在自己的主页看到这些公告。通过师生在线交流功能，学生可以将自己的疑问，或者对教学的建议发表在交流区内，教师浏览后可以进行回复。

5平台部分功能实现

5.1 实现技术

在众多的Web开发技术中，经过研究，选择Java EE技术框架进行开发，整体采用JSP和Servlet实现原生JavaEE MVC框架，前端采用HTML + CSS + JavaScript，并结合一些前端框架，使界面更友好；后台开发语言使用Java，使用MVC模式，使开发更灵活，同时提高系统可重用性。在开发中，利用Dbutils实现数据库持久化操作；利用JSTL编写没有Java代码的JSP页面，减少程序错误，使程序更容易维护；利用Dom4j完成对XML文件的读写；利用Jfreechart完成数据的图形化显示。平台开发环境选择Eclipse，数据库选择MySQL，Web服务器选择Tomcat。

5.2 作业管理

在作业管理模块，教师可以发布作业，学生可以查看作业并完成作业。在学生完成作业之后，教师可以对学生所完成的作业进行评改，主要是对主观题的评分。作业管理流程如图3所示。

5.3 题库管理

题库是各种试题的合集，每个试题都有所属章节、难度、知识点、类型、分值、答案等属性。教师能对题库进行管理，可以向题库里添加试题、删除试题、修改试题和查看试题。题库管理的流程如图4所示。

6 结束语

本文从提高课程教学质量的角度出发，结合教学中的实际需求，对《计算机组成原理》综合教学辅助平台进行了较为深入的研究，设计实现了一个基于Java EE的《计算机组成原理》综合教学辅助平台。平台具有以下创新点：1）将软件模拟技术引入《计算机组成原理》综合教学辅助平台，将计算机的工作原理以软件的形式，直观的进行展示；并提供对学生提交代码的在线检查功能。2）将学生练习成绩与平时成绩相结合，并通过作业的电子化实现课程的过程化考核。平台具有结构合理、可扩展性强、操作便捷等特点，通过与课堂教学的相辅相成，极大地提高了《计算机组成原理》的课程教学质量。

参考文献：

[1] 韩立毛. 基于Web的网络辅助教学系统的设计与实现[J]. 盐城工学院学报：自然科学版， 2007， 20（2）： 40-43.

[2] 胡慧， 何文霞. 辅助教学平台的设计与开发[J].常州信息职业技术学院学报， 2015， 14（1）： 26-30.

[3] 施瑶. 基于MVC的Web辅助教学系统的设计与实现[J].福建电脑， 2016（7）： 117-119.

[4] 聂静. 基于移动网络的辅助教学系统的探讨[J]. 电脑知识与技术， 2016， 12（9）：112-113.

[5] 王一斌， 侯楠楠， 申东明， 等. 基于云平台的在线作业管理系统的设计与实现[J]. 软件工程， 2016， 19（7）： 32-34.

[6] 徐赛华. 软件需求分析研究[J]. 吉林师范大学学报：自然科学版， 2006， 27（1）： 104-105， 110.