大数据专业计算机组成原理课程教学改革探究

摘要：根据数据科学与大数据技术专业的特点以及学生培养目标的设置，对计算机组成原理课程在教学过程中需进行改革的方面进行了探究。课程教学以培养学生获得计算机系统结构认知能力、综合分析能力与系统设计创新能力为主要目标，提出教学方式多元化设计、教学内容多方位的融合、考核评审机制多样化等内容，帮助学生建立起计算机系统以及应用的知识体，使学生拥有系统化的专业知识;构建以FPGA为中心的综合实验平台，提高学生的动手实践能力;同时在理论课和实验课讲授的过程中嵌入思政元素，培养学生的爱国情怀。通过对计算机组成原理课程的教学改革探究，对大数据专业的建设具有较强的指导意义。

关键词：混合式教学;计算机组成原理;以学生为中心;综合实验平台;数据科学与大数据技术专业

中图分类号：G424      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）26-0113-03

1 引言

数据科学与大数据技术专业（简称“大数据专业”）是以大数据为核心研究对象，以在数据中获取知识和智慧为主要目的，以统计学、计算机科学、可视化及专业领域知识为理论基础，以数据采集与预处理、数据存储、数据分析及数据计算为研究内容的一门交叉学科[1]。合肥学院是一所应用型本科高校，开设该专业目标是对接区域需要，重点注重学生创新能力和实践应用能力培养，努力培养出满足国家和地方经济发展需要的大数据实用型人才。在人才培养过程中需要学生掌握必要的计算机知识，要求学生能够应用计算机硬件与网络的理论知识与原理，理解和分析大数据系统，实现的途径包括开设计算机组成原理课程。

大数据是一门新建交叉学科专业，在专业设置上更偏重各种计算机课程。计算机组成原理课程知识点多、内容抽象，并且大数据专业的学生更倾向于培养软件编程建模能力，很难建立起计算机硬件结构知识的思维，独立学习能力较差，传统的教学方法很难满足新专业学生的需求。因此，对计算机组成原理课程进行改革探究，满足大数据专业目标设置，对专业的建设具有较强的指导意义。

2 大数据专业计算机组成原理教学要求

2.1 大数据专业课程体系对计算机原理教学的要求

数据科学与大数据技术专业是教育部为落实构建《促进大数据发展行动纲要》而批准设立的新专业[2]，该专业是一个理论实践结合、以计算技术为基础、围绕数据价值化为特色的宽口径专业。开设的课程以计算机相关课程为基础，兼顾大数据科学理论与应用，利用数据建模设计以及工程实践应用为范例来设置课程 [3]。计算机组成原理是大数据专业的专业基础课程，学生可通过学习课程获得计算机系统结构认知能力、综合分析能力与系统设计创新能力。

2.2 大数据专业培养目标对计算机原理教学的要求

合肥学院为适应人工智能时代大数据领域巨大的人才缺口设置大数据专业，2019年开始招生。旨在培养具备从事大数据相关系统开发、大数据项目施工、云计算系统运行和维护等能力，能在科研、金融、企事业单位等部门从事大数据分析处理、大数据应用开发和大数据运维、大数据研究等工作的高级复合型、创新型、应用型人才。该培养目标要求计算机原理课程要实现学生对计算机系统架构理论知识的掌握，还要提高学生的应用实践以及创新能力。在計算机原理教学过程中要发挥学生的主观能动性，引导学生自主学习与自主思考、创造性地解决计算机组成原理中遇到的问题，培养学生的创新能力。

2.3 大数据专业对计算机原理教学教师的要求

大数据课程体系和培养目标的设定对大数据专业课程的教师提出了更高的要求，通常教师要具有较强的工程背景和专业技术能力。计算机原理的教师在传授理论知识时，要能够结合电子电路、汇编语言、操作系统等课程知识，自顶向下详细地讲解，使学生能够更加立体地掌握计算机硬件结构知识，并且还要运用工程背景和项目经历，引入基于项目的学习方法，通过基于项目的教学方式[3]，培养学生利用计算维度来思考计算机结构知识，鼓励学生综合运用计算机知识来解决复杂问题。

3 大数据专业的计算机组成原理课程教学改革探究

3.1 多元化的教学方法设计、多方位教学内容相融合以及多样化考核评审机制设置

合肥学院大数据专业计算机组成原理课程采用的是高等教育出版社唐朔飞教授编写的《计算机组成原理（第3版）》作为教材，该教材采用计算机组成五大部分包括计算机概述、存储器、运算器、控制器和外部设备内容进行组织并且采用自顶向下方式进行编写，内容多且抽象、知识面广、难度大，目前各大院校在计算机组成原理课程教学中采用的模式基本以“课堂讲授理论+实验”为主[4]。在当今信息化、“互联网+”时代传统的教学模式很难满足学生对新知识获取的需求，因此必须对课程的教学方式、教学内容以及教学考核方式进行创新与改进。

1） 教学方式采用多元化设计

首先采用案例式教学。教师在传授理论知识讲到相关章节时，可结合本人的科研项目或者企业项目为引子，采用分组式、问题式教学，每组应由不同特点的 4～6 名学生组成，设置讨论问题，倡导学生发挥想象，运用章节所学的知识，去完成项目的某部分功能设计。并鼓励学生走上讲台去展示讨论结果，这种具体案例分组式教学，强调理论实践结合，使学生在学习思考过程中，设计性地解决复杂问题，学生理解更加深入，学习效果也提升显著。

其次，在教学过程中借助多媒体设备，利用思维导图、在线技能演示等先进教学形式，实现侧重应用、回归理论的教学理念。教师鼓励学生在课前制作思维导图，建立起记忆链接树，将抽象难懂的文字以组合的方式构成简单易懂的脉络图。这样可以大大提升学生课堂参与度，提高学生自主学习的积极性、开拓思维以及实现创新能力的培养。同时，可通过课堂教学效果实时反馈。比如，在讲解计算机基本构成章节内容时，老师利用多媒体设备播放实际的计算机组成框架，并且在下节课时让学生利用多媒体设备（例如电子白板）在线描绘计算机基本组成硬件框图，对绘制框图进行自己的理解阐述。通过师生互动、生生互动，为学生提供更多的展现自我的机会，完成教学方式以学生主导探索研究的转变，实现学生自主学习能力的提升，调动参与的积极性，提升课堂教学氛围。

最后，采用线上线下相结合的教学方法。第一、传统的线下教学，学生很难在教室有限的45分钟课堂时间内进行知识的深入梳理。因此可将所授课课件以及各种教学视频作为共享资源发布在线上平台，并建立在线交流答疑、在线作业与自测平台的教学效果跟进。同时可向学生推荐国内外一流院校录制的课程，如MOOC 在线课堂等，使其进行在线的自我学习，实现课堂学习的有效延伸，发挥学生自己的主观能动性。第二、合理设置课后作业。除了常规的课堂习题作业外，还应按照课程内容模块定期给学生布置思考作业，以课堂基础教学内容结合实践案例，既要考查学生对课堂知识的了解情况，还要能体现学生运用课堂知识解决实际问题，培养学生的创新思维。

2） 教学内容采用多方位的融合

对于大数据专业的学生而言，计算机组成原理课程内容更侧重于计算机的运行，注重与实践的结合。

课程内容设置时要优化章节内容，紧跟技术发展拓宽教学内容，从而满足学生专业知识的需求以及教学发展的需要。发挥课程在整個大数据专业课程体系中与其他课程联系紧密的作用。

在授课过程中，课程内容资源应引进其他课程的相关知识，形成计算机系统知识树的构建。使学生学到的知识不是碎片化、孤立的，而是一个完整的计算机知识体，培养学生对计算机问题的综合分析能力，为成为复合型人才提供必要条件。例如，在讲授存储器章节时，课前将模拟电路知识MOS管的工作状态、等效电路以及反相器等知识资料上传到智慧平台，让学生对知识储备有个反刍的过程，结合模拟电路知识对储存器的架构以及工作原理过程有更加全面的掌握;在进行指令系统内容讲解时，可与高级语言编程和操作系统为代表的软件课程互相融合，使学生明白机器语言和编程语言之间如何变换、链接等问题，从更高的角度审视计算机系统结构和软件设计方法的联系，使学生掌握了硬件结构的理解能力的同时，也提升了学生综合程序设计的能力。

制作课件时，内容不仅要参考教科书，还要借助互联网等新时代信息技术与资源，例如国内外知名高校同类别专业课件PPT、教学大纲等。课件内容还可增添计算机相关专业如信号处理、电子工程、自动化工程等涉及计算机硬件相关章节内容的使用案例。通过典型的案例分析，学生在情境现场中讨论学习，尝试解决实际问题，使学生及早感受知识运用到实际中解决问题的魅力。利用这种方式，让学生明白理论知识在具体工程运用中的效果，建立学生应对实际复杂开发情境分析以及解决能力，有效规避了传统教学模式中一味灌输的弊端，培养学生良好的科学素养、创新意识以及团队合作意识。

通过不断地拓展讲授内容，保持教学内容新颖。及时补充相关教学领域最新的技术动态内容，引入计算机发展过程中新的概念知识点以及工程应用实例，这些内容更能够激发学生的学习兴趣帮助学生更好地走在专业领域前沿。可充分利用现有互联网以及专业领域资源，使学生意识到计算机组成原理课在整个专业课程体系中设置的必要性以及学习掌握课程内容对专业能力提升的重要性，帮助学生理解枯燥理论知识是培养专业科学素养的核心和基础。

3） 考核评审机制多样化

在学生的成绩评定过程中引入进程式考核方式，也即随机考核、过程考核、课堂成绩和期末考核多种方式相结合的模式。

首先，在教师的课堂授课过程中，可以按照课程节奏随时安排口试题目。题目可以安排具有探索性的小作业，考试方式可以采用线上的形式。该方式不仅考核学生解题以及知识掌握能力，还锻炼学生清晰的思维表达能力。同时在每学期安排过程考核、期末考核对学生平时的学习是一种有效的督促，要求学生紧跟课程进度，有利于培养学生良好的学习习惯，而不是抱有“临时抱佛脚”的侥幸。

其次，平时上课时的课程成绩也应作为成绩评定的一大组成部分，比如在教学过程中对具体的案例分析分组讨论时，按照组内解决方案内容进行打分，并且要考虑组内成员对于方案制定过程中的贡献，考查学生在单个案例中的表现，综合评价学生的完成程度，以评价体系推动学生高质量地完成所学知识的反馈输出。

最后，可建立线上考评机制，由学生和老师之间互评，帮助学生对自己的学习效果及时掌握，同时老师能够根据学生的情况，及时对教学进度和教学方式进行有效调整。为了增加学生参与评价或者提供意见的积极性，可考虑有偿征集建议。

3.2 构建以FPGA为中心的综合实验平台

大数据专业在教学过程中的重要环节之一就是实践教学，实践教学主旨是为了培养具有自主学习能力的研究型和应用型复合人才。教学过程应该以理论知识为基础，注重实践内容实施，实现学生数据处理分析能力、系统开发能力以及工程应用能力的提升。因此在实验教学过程中，需要选择一套能够衔接数字逻辑电路、计算机组成原理、嵌入式计算系统等课程实验内容的综合实验平台。经过调研构建了以FPGA为主芯片的实验平台，该实验平台在大数据专业课程体系实验中起到承上启下的作用。首先，学生经过数字逻辑电路实验已经掌握门电路基本功能部件，然后计算机组成原理综合性实验中采用基本功能部件构建CPU、存储器、外围电路等设备，由Verilog编程语言通过总线互联形成完整的计算机硬件系统。学生可以通过实验对各级子系统进行深入了解，使之从微观角度来认识实现计算机的自动工作，清晰地建立起计算机系统的整机概念。例如，利用软件自带的IP核（16×8） 以及通过字扩展技术完成64×8 位的存储器设计，首先在工程文件中调用IP核，然后用verilog编程语言实现仿真软件的编写，最后生成bit文件下载到实验平台上验证设计原理。通过实验帮助学生深入地理解存储器扩展技术，使抽象晦涩的知识变得立体化、形象化。

根据大数据专业的学生更侧重于软件能力培养的特点，编写实验指导书时对实验内容和实验步骤尽量详尽，需软件代码实现的功能部分在工程文件中空缺，由学生完善;同时将深奥的、抽象的实验内容制作成多媒体实验课件，帮助学生提前预习、准备实验。实验过程中提倡以单人形式独自完成实验，培养学生独立动手能力、逻辑设计和计算机系统分析能力。

同时，可以在理论课和实验课讲授的过程中嵌入思政元素[7]。在理论课时，深入挖掘课程中的思想政治教育内容，启发学生课后调研专业知识科技前沿;在实验中，引导学生了解FPGA、相关开发软件以及硬件系统在国家高新技术发展中所起到的关键作用，并结合国外对中兴、华为等民族企业的制裁以及我国半导体芯片领域国产化自主可控来激发学生的爱国热情、端正学生的思想，培养学生的爱国情怀，樹立为祖国未来信息化产业努力奋斗的学习目标。

4 结束语

在当今信息时代，国家大力发展数据产业，越来越多的企业重视大数据所带来的效益，培养大数据人才成为时代所趋。计算机组成原理作为大数据专业主干课程，在课程体系中将软件和硬件有机结合起来，课程学习效果对学生计算机系统能力的培养起到至关重要的作用。本文跟随时代步伐，对计算机组成原理课程的教学改革进行了深入探究，力求能够培养满足社会需求的大数据专业人才。

参考文献：

[1] 王艳丽，张敏，尤国强.新工科背景下数据科学与大数据技术专业建设初探[J].陕西教育（高教），2020（2）：44-45.

[2] 汪中，施培蓓.数据科学与大数据技术专业建设研究[J].安庆师范大学学报（自然科学版），2019，25（1）：117-120.

[3] 陈燕，屈莉莉.数据科学与大数据技术专业课程体系与教学方法研究[J].教育现代化， 2021（1）： 87-89，93.

[4] 兰勇，张朝阳，王伟，等.计算机组成原理教学改革探索与实践[J].计算机教育，2019（1）：13-15，20.

[5] 周骏.计算机组成原理课程教学改革思考[J].西南师范大学学报（自然科学版），2014，39（6）：161-165.

[6] 丁爱芬. 基于混合模式的计算机组成原理课程教学改革探索与实践[J].智库时代， 2021（2）： 204-205.

[7] 李锐，娄树勇.计算机组成原理课程教学改革与探讨[J].蚌埠学院学报，2021，10（3）：94-97.

【通联编辑：唐一东】

收稿日期：2022-06-15

基金项目： 2021年度安徽高校自然科学研究项目（项目编号：KJ2021A0992）

作者简介：焦喜香（1982—） ，女，山东聊城人，高级工程师，博士，研究方向为数据获取处理，智能控制。