《計(jì)算機(jī)組成原理》綜合教學(xué)輔助平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄧吉利+夏朝陽+魏樂

摘要：針對目前《計(jì)算機(jī)組成原理》教學(xué)中存在的學(xué)生對原理理解不夠透徹、師生交流渠道不通暢、學(xué)生參與教學(xué)程度不高、教考分離尚未實(shí)現(xiàn)等問題，將計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的理念引入課程教學(xué)中，設(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè)《計(jì)算機(jī)組成原理》綜合教學(xué)輔助平臺(tái)。該平臺(tái)基于Java EE技術(shù)框架，實(shí)現(xiàn)了題庫管理、作業(yè)管理、實(shí)驗(yàn)管理、在線交流、公告管理、課程資源管理、成績管理和在線測試等功能，有效地提高了學(xué)生參與教學(xué)的興趣，強(qiáng)化了學(xué)生對知識(shí)的理解，同時(shí)也為課程平時(shí)成績和考核方式的改革提供了有力的支持。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)組成原理；輔助教學(xué)；軟件模擬技術(shù)；Java EE

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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

計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，它通過對計(jì)算機(jī)各部件工作原理、信息加工處理及控制過程的分析，培養(yǎng)學(xué)生對計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的分析、開發(fā)和使用能力，為今后進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。該課程具有知識(shí)點(diǎn)瑣碎、內(nèi)容較多、難點(diǎn)不易掌握等特點(diǎn)，同時(shí)由于教學(xué)環(huán)境的客觀原因，現(xiàn)今計(jì)算機(jī)組成原理的教學(xué)存在學(xué)生對原理理解不夠透徹、師生交流渠道不夠通暢、學(xué)生參與教學(xué)程度不高、教考分離尚未實(shí)現(xiàn)等問題。因此，利用信息技術(shù)，開發(fā)一個(gè)《計(jì)算機(jī)組成原理》綜合輔助教學(xué)平臺(tái)，將會(huì)為學(xué)生課外學(xué)習(xí)提供一個(gè)良好的學(xué)習(xí)環(huán)境[1]，從而促進(jìn)課程教學(xué)質(zhì)量的提高。

目前，隨著教育信息化的深入發(fā)展，各個(gè)高校紛紛開展了計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的研究和實(shí)踐，出現(xiàn)了一大批輔助教學(xué)軟件[2-5]，并在教學(xué)中取得了較好應(yīng)用效果。雖然輔助教學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)較為成熟，但依然存在一些問題，主要體現(xiàn)在：現(xiàn)今的輔助教學(xué)系統(tǒng)主要考慮通用性，未考慮課程之間的差異；現(xiàn)有的輔助教學(xué)系統(tǒng)目標(biāo)用戶廣泛，因此主要實(shí)現(xiàn)的是課程資料的發(fā)布、下載和瀏覽，缺少對課程過程考核的支持；已有教學(xué)輔助系統(tǒng)對按照用戶要求組織習(xí)題，進(jìn)行在線測試的支持能力較差；在輔助教學(xué)系統(tǒng)中，尚未見到將軟件模擬技術(shù)引入《計(jì)算機(jī)組成原理》輔助教學(xué)的案例。

基于此，本文在借鑒參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合《計(jì)算機(jī)組成原理》課程的特點(diǎn)，基于Java EE技術(shù)框架，采用MVC模式，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)綜合教學(xué)輔助平臺(tái)。該平臺(tái)由過程考核子系統(tǒng)、題庫子系統(tǒng)、原理模擬子系統(tǒng)和教學(xué)資源管理子系統(tǒng)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了題庫管理、作業(yè)管理、實(shí)驗(yàn)管理、在線交流、公告管理、課程資源管理、成績管理和在線測試等功能，滿足了《計(jì)算機(jī)組成原理》課程輔助教學(xué)的需求。

2 需求分析

軟件需求分析的任務(wù)是確定系統(tǒng)必須完成哪些工作，也就是對目標(biāo)系統(tǒng)提出完整、準(zhǔn)確、清晰 、具體的要求[6]?！队?jì)算機(jī)組成原理》綜合輔助教學(xué)平臺(tái)主要是為了提高課程教學(xué)的質(zhì)量而開發(fā)的，作為對課堂教學(xué)的一個(gè)有益補(bǔ)充，該平臺(tái)的用戶主要是任課教師和學(xué)生。教師通過平臺(tái)能夠發(fā)布課程資源和信息、更新維護(hù)題庫、批改相關(guān)作業(yè)、分析學(xué)生成績、回答學(xué)生問題；學(xué)生通過平臺(tái)可以下載課程相關(guān)資源、瀏覽相關(guān)信息、進(jìn)行在線測試、上傳作業(yè)和報(bào)告、提交課程問題等。

綜合來看，《計(jì)算機(jī)組成原理》綜合教學(xué)輔助平臺(tái)應(yīng)該具備以下特點(diǎn)：1）切合《計(jì)算機(jī)組成原理》課程的教學(xué)實(shí)際；2）具有易于使用的人機(jī)界面；3）方便教師和學(xué)生使用，應(yīng)采用B/S結(jié)構(gòu)；4）為教師提供題庫管理、實(shí)驗(yàn)管理、作業(yè)管理、成績管理等功能；5）為學(xué)生提供在線學(xué)習(xí)、在線作業(yè)、在線測試、問題提問等功能；6）使用數(shù)據(jù)庫，保證數(shù)據(jù)的安全性和正確性。

3 平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)

為了提高平臺(tái)的邏輯性和可擴(kuò)展性，《計(jì)算機(jī)組成原理》綜合教學(xué)輔助平臺(tái)采用如圖1所示的體系結(jié)構(gòu)，即由下向上分為數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯曾、控制層和用戶層。將平臺(tái)分為多個(gè)邏輯層級，有利于提高編碼邏輯的清晰度，不容易混亂出錯(cuò)，同時(shí)具有良好的擴(kuò)展性，并便于進(jìn)行單元測試，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1）用戶層

該層直接面向用戶，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)與用戶的交互；該層接收用戶輸入的請求信息，并將信息送往控制層，同時(shí)該層也接受響應(yīng)結(jié)果，在界面上展示；在B/S結(jié)構(gòu)中，用戶可以通過瀏覽器來使用平臺(tái)。

2）控制層

該層主要完成權(quán)限、數(shù)據(jù)過濾及業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)的操作。具體可描述為：可根據(jù)不同用戶的賬號(hào)登錄，來顯示不同界面和功能，控制用戶的訪問權(quán)限；實(shí)現(xiàn)用戶在使用系統(tǒng)時(shí)一些請求操作的轉(zhuǎn)發(fā)。該層不處理業(yè)務(wù)邏輯，只做轉(zhuǎn)發(fā)控制，這樣使得開發(fā)系統(tǒng)條理清晰，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，安全性好。

3）業(yè)務(wù)邏輯層

該層接收上層傳遞過來的請求，然后根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行處理，在需要數(shù)據(jù)時(shí)調(diào)用數(shù)據(jù)訪問接口，獲取需要的數(shù)據(jù)并封裝返回到上層。

4）數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層是平臺(tái)各種數(shù)據(jù)的來源，包括數(shù)據(jù)庫和文件。為了簡化數(shù)據(jù)訪問，該層為應(yīng)用提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，以實(shí)現(xiàn)程序與數(shù)據(jù)源松耦合。通過數(shù)據(jù)訪問接口，上一層只需要調(diào)用這些接口，即可完成相應(yīng)的對數(shù)據(jù)庫的操作，以返回查詢的數(shù)據(jù)或者進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，最終完成數(shù)據(jù)持久化操作。

4 平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

結(jié)合《計(jì)算機(jī)組成原理》課程輔助教學(xué)的業(yè)務(wù)需求，平臺(tái)主要由過程考核子系統(tǒng)、題庫子系統(tǒng)、原理模擬子系統(tǒng)和教學(xué)資源管理子系統(tǒng)構(gòu)成。其具體功能劃分如圖2所示。

1）題庫管理子系統(tǒng)

題庫管理子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)信息管理、試題錄入、試題維護(hù)和試卷管理工作，其中基礎(chǔ)信息管理主要完成題型、章節(jié)、知識(shí)點(diǎn)等基礎(chǔ)信息的錄入、修改和刪除操作；試題錄入主要完成試題的錄入操作，支持手工輸入和Excel導(dǎo)入，同時(shí)支持圖片的上傳；試題維護(hù)完成試題的修改和刪除操作；試卷管理支持根據(jù)指定的規(guī)則從題庫中抽取試題生成試卷的操作，同時(shí)也支持手動(dòng)選擇試題生成試卷。

2）過程考核子系統(tǒng)

過程考核子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)作業(yè)管理、實(shí)驗(yàn)管理、在線測試和成績管理工作，其中：

作業(yè)管理：將傳統(tǒng)的紙質(zhì)作業(yè)遷移到網(wǎng)絡(luò)上，老師布置電子文檔形式的作業(yè)，學(xué)生在線完成作業(yè)，并能在線自動(dòng)對客觀題進(jìn)行評分，然后給出參考答案，從而減輕教師和學(xué)生的負(fù)擔(dān)。作業(yè)可以從題庫中生成，也可以老師手動(dòng)布置。學(xué)生在以后也能看的自己的作業(yè)完成情況。系統(tǒng)會(huì)記錄每個(gè)學(xué)生每次作業(yè)的分?jǐn)?shù)，以后便能進(jìn)行成績管理和分析。

實(shí)驗(yàn)管理：對于教學(xué)實(shí)驗(yàn)，教師給出實(shí)驗(yàn)要求、實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡葍?nèi)容，學(xué)生需要學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，并書寫電子版的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，最后上傳實(shí)驗(yàn)報(bào)告。教師能批改學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告并給出分?jǐn)?shù)。成績也會(huì)記錄到成績系統(tǒng)中。

在線測試：教師可以在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間安排在線測試，學(xué)生也可以根據(jù)自己的實(shí)際情況進(jìn)行自主測試，例如可以專門針對自己的薄弱章節(jié)或者知識(shí)點(diǎn)生成在線測試。平臺(tái)記錄學(xué)生測試的時(shí)間、次數(shù)和成績，并將其計(jì)入平時(shí)成績，作為過程考核的一部分。

成績管理：記錄學(xué)生在作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、在線測試等一些環(huán)節(jié)的分?jǐn)?shù)情況。學(xué)生可以查看自己的相關(guān)成績，教師可以查看整體或每個(gè)學(xué)生的成績情況，并進(jìn)行分析和導(dǎo)出。

3）原理模擬子系統(tǒng)

由于計(jì)算機(jī)組成原理這門課程設(shè)計(jì)較多的復(fù)雜的原理，很多原理理解比較困難，所以平臺(tái)增加了原理模擬子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)對一些復(fù)雜的原理提交演示，多原理進(jìn)行拆分，以圖形的形式展現(xiàn)出來，增強(qiáng)學(xué)生對原理的理解。同時(shí)，該子系統(tǒng)提供了程序管理的功能，學(xué)生采用軟件模擬技術(shù)編寫模擬硬件工作機(jī)制的模擬程序，并通過程序管理功能提交到平臺(tái)，平臺(tái)自動(dòng)判斷程序的正確性，并給出成績。

4）資源管理子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)課件、教學(xué)大綱、授課教案、教學(xué)日歷等教學(xué)資源的上傳、瀏覽和下載功能。

5）其他功能

數(shù)據(jù)管理實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的備份和恢復(fù)，以及日志管理功能。平臺(tái)的用戶主要有教師和學(xué)生兩種，每種用戶有自己的角色、姓名、性別等信息，教師還有授課班級等特有信息，學(xué)生有專業(yè)、成績、班級等特有信息；用戶管理各類用戶的信息。權(quán)限管理能夠?qū)崿F(xiàn)所有欄目和功能的權(quán)限指定，具有自動(dòng)和自主增加權(quán)限功能；能夠?qū)γ款愘Y源指定瀏覽/下載/修改/添加/刪除等控制權(quán)限；能夠進(jìn)行用戶級別設(shè)置，可自定義不同級別，每個(gè)級別能劃分不同權(quán)限；能夠?qū)Σ煌脩舾鶕?jù)需要進(jìn)行不同級別指定，能對同一用戶同時(shí)指定不同級別，能對用戶單獨(dú)添加某種權(quán)限。公告管理使得教師可以發(fā)布公告，可以利用此公能發(fā)布課程相關(guān)的一些公告，學(xué)就可以在自己的主頁看到這些公告。通過師生在線交流功能，學(xué)生可以將自己的疑問，或者對教學(xué)的建議發(fā)表在交流區(qū)內(nèi)，教師瀏覽后可以進(jìn)行回復(fù)。

5平臺(tái)部分功能實(shí)現(xiàn)

5.1 實(shí)現(xiàn)技術(shù)

在眾多的Web開發(fā)技術(shù)中，經(jīng)過研究，選擇Java EE技術(shù)框架進(jìn)行開發(fā)，整體采用JSP和Servlet實(shí)現(xiàn)原生JavaEE MVC框架，前端采用HTML + CSS + JavaScript，并結(jié)合一些前端框架，使界面更友好；后臺(tái)開發(fā)語言使用Java，使用MVC模式，使開發(fā)更靈活，同時(shí)提高系統(tǒng)可重用性。在開發(fā)中，利用Dbutils實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫持久化操作；利用JSTL編寫沒有Java代碼的JSP頁面，減少程序錯(cuò)誤，使程序更容易維護(hù)；利用Dom4j完成對XML文件的讀寫；利用Jfreechart完成數(shù)據(jù)的圖形化顯示。平臺(tái)開發(fā)環(huán)境選擇Eclipse，數(shù)據(jù)庫選擇MySQL，Web服務(wù)器選擇Tomcat。

5.2 作業(yè)管理

在作業(yè)管理模塊，教師可以發(fā)布作業(yè)，學(xué)生可以查看作業(yè)并完成作業(yè)。在學(xué)生完成作業(yè)之后，教師可以對學(xué)生所完成的作業(yè)進(jìn)行評改，主要是對主觀題的評分。作業(yè)管理流程如圖3所示。

5.3 題庫管理

題庫是各種試題的合集，每個(gè)試題都有所屬章節(jié)、難度、知識(shí)點(diǎn)、類型、分值、答案等屬性。教師能對題庫進(jìn)行管理，可以向題庫里添加試題、刪除試題、修改試題和查看試題。題庫管理的流程如圖4所示。

6 結(jié)束語

本文從提高課程教學(xué)質(zhì)量的角度出發(fā)，結(jié)合教學(xué)中的實(shí)際需求，對《計(jì)算機(jī)組成原理》綜合教學(xué)輔助平臺(tái)進(jìn)行了較為深入的研究，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于Java EE的《計(jì)算機(jī)組成原理》綜合教學(xué)輔助平臺(tái)。平臺(tái)具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：1）將軟件模擬技術(shù)引入《計(jì)算機(jī)組成原理》綜合教學(xué)輔助平臺(tái)，將計(jì)算機(jī)的工作原理以軟件的形式，直觀的進(jìn)行展示；并提供對學(xué)生提交代碼的在線檢查功能。2）將學(xué)生練習(xí)成績與平時(shí)成績相結(jié)合，并通過作業(yè)的電子化實(shí)現(xiàn)課程的過程化考核。平臺(tái)具有結(jié)構(gòu)合理、可擴(kuò)展性強(qiáng)、操作便捷等特點(diǎn)，通過與課堂教學(xué)的相輔相成，極大地提高了《計(jì)算機(jī)組成原理》的課程教學(xué)質(zhì)量。

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