基于知識(shí)圖譜的匯編語言程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)方法探索

劉 瑩，張曉紅，信俊昌，楊曉春

（東北大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110819）

當(dāng)前計(jì)算機(jī)語言類教學(xué)中如何保持學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力已成為國內(nèi)外信息類相關(guān)專業(yè)高校教師研究的重點(diǎn)問題。Google 于2012 年提出知識(shí)圖譜[1]，并利用該項(xiàng)技術(shù)增強(qiáng)其搜索服務(wù)。知識(shí)圖譜給互聯(lián)網(wǎng)語義搜索帶來了活力，同時(shí)也在問答系統(tǒng)中展現(xiàn)出了強(qiáng)大的能力。當(dāng)前廣泛使用的基于知識(shí)庫搜索、推薦與問答等技術(shù)均是基于知識(shí)圖譜相關(guān)知識(shí)實(shí)現(xiàn)的。將知識(shí)圖譜相關(guān)知識(shí)應(yīng)用于匯編語言程序設(shè)計(jì)課堂教學(xué)領(lǐng)域，通過反復(fù)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過基于知識(shí)圖譜的知識(shí)點(diǎn)梳理，形成面向?qū)W生個(gè)性化需求的定制學(xué)習(xí)路徑，再配以線上線下結(jié)合教學(xué)及多維度實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的教學(xué)方案，提升了匯編語言程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)質(zhì)量，為學(xué)生后續(xù)硬件課程的學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

一、匯編語言程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)概況

匯編語言程序設(shè)計(jì)是高校信息類專業(yè)學(xué)生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程。本課程通過最接近于機(jī)器語言的匯編語言讓學(xué)生認(rèn)識(shí)機(jī)器的思維，感知計(jì)算機(jī)的運(yùn)行過程和基本原理，進(jìn)而對(duì)計(jì)算機(jī)硬件和應(yīng)用程序之間的聯(lián)系與交互形成一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)[2]。但是在教學(xué)中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)于這門課存在著不理解、抵觸的心態(tài)，這樣的心態(tài)對(duì)于教學(xué)產(chǎn)生了阻礙作用，無法很好地完成教學(xué)工作，學(xué)生也就沒法很好地形成一個(gè)完整的知識(shí)體系。

在信息化高度發(fā)展的今天，高級(jí)語言占據(jù)了主要的地位。與高級(jí)語言相比，匯編語言存在指令繁多、程序可讀性差和尋址方式多樣等問題[3]。同時(shí)匯編語言具有與硬件相容性較高，語言結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的特點(diǎn)，并且在學(xué)習(xí)這門課程過程中，上機(jī)調(diào)試結(jié)果并不像其他高級(jí)語言那樣的明顯，這些都使得學(xué)生對(duì)匯編語言程序設(shè)計(jì)課程望而卻步。

通過多年的教學(xué)，發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)有的教學(xué)中，如果將匯編語言作為一門語言，過多地關(guān)注指令及其語法知識(shí)的教學(xué)，會(huì)導(dǎo)致課程枯燥晦澀，沒有針對(duì)性，達(dá)不到好的教學(xué)效果。因此，將知識(shí)圖譜相關(guān)內(nèi)容[4-5]應(yīng)用于匯編教學(xué)，探索出新的教學(xué)方法，達(dá)到提升教學(xué)質(zhì)量、增強(qiáng)教學(xué)效果，并通過本文分享在教學(xué)上的經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)。

二、基于知識(shí)圖譜的知識(shí)點(diǎn)梳理

在匯編語言程序設(shè)計(jì)教學(xué)中，按照程序設(shè)計(jì)的思路將匯編課程的重要知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)成為一個(gè)知識(shí)體系，但是在教學(xué)過程中，我們發(fā)現(xiàn)指令系統(tǒng)的教學(xué)存在著諸多難點(diǎn)，主要體現(xiàn)在其指令的數(shù)量龐大，可以劃分為14 類92種，但是可記憶性相對(duì)較差。如果只將匯編語言作為一門語言，僅僅機(jī)械地講述指令的含義及其語法知識(shí)，學(xué)生并不能很好地掌握這些指令，就更不要說融會(huì)貫通地運(yùn)用這些指令來設(shè)計(jì)具有指定功能的程序了。指令系統(tǒng)的教學(xué)目標(biāo)在于讓學(xué)生能夠熟練掌握14 類指令，尤其是其中的數(shù)據(jù)傳送、算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、移位、標(biāo)志位操作、轉(zhuǎn)移、數(shù)據(jù)串操作、循環(huán)控制、調(diào)用與返回、輸入輸出和中斷處理這11 類指令，這些指令關(guān)系到學(xué)生是否能夠真正設(shè)計(jì)出匯編語言程序的基礎(chǔ)指令。而在指令中操作數(shù)的尋址方式又有9 種之多，且不同指令的執(zhí)行會(huì)影響到標(biāo)志寄存器相應(yīng)的標(biāo)志位，這些知識(shí)點(diǎn)互相關(guān)聯(lián)，組成一個(gè)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。如何能夠熟練掌握，靈活而巧妙地運(yùn)用這些指令，除了要求學(xué)生在實(shí)踐中逐步積累經(jīng)驗(yàn)，在教學(xué)中我們也在尋找創(chuàng)新的教學(xué)方法，以新技術(shù)推動(dòng)課堂教學(xué)的轉(zhuǎn)變，最終達(dá)到提升教學(xué)質(zhì)量的目標(biāo)。為了達(dá)成這一目標(biāo)，運(yùn)用知識(shí)圖譜構(gòu)建的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，使靜態(tài)知識(shí)點(diǎn)的數(shù)據(jù)與動(dòng)態(tài)教學(xué)活動(dòng)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，為學(xué)生的個(gè)性化培養(yǎng)提供數(shù)據(jù)支撐。

在課程教學(xué)的過程中，利用相關(guān)工具從匯編教學(xué)大綱、教材等非結(jié)構(gòu)化文本中抽取知識(shí)點(diǎn)作為實(shí)體，對(duì)知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系進(jìn)行識(shí)別，將知識(shí)點(diǎn)的重要程度和學(xué)習(xí)難度作為屬性，構(gòu)建知識(shí)圖譜，形成可關(guān)聯(lián)性查詢的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。在充分了解學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況之下，根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況因人而異地調(diào)整教學(xué)重點(diǎn)，在知識(shí)網(wǎng)絡(luò)上，運(yùn)用當(dāng)代多媒體、人工智能和大數(shù)據(jù)等新技術(shù)形成面向?qū)W生個(gè)性化需求的定制學(xué)習(xí)路徑，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的教學(xué)方案。構(gòu)建的乘除法相關(guān)指令知識(shí)網(wǎng)絡(luò)圖如圖1 所示。

圖1 乘除法相關(guān)指令知識(shí)網(wǎng)絡(luò)圖

通過形成可關(guān)聯(lián)性查詢的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)匯編語言相關(guān)指令進(jìn)行梳理，再結(jié)合對(duì)學(xué)生知識(shí)掌握情況的調(diào)查，我們?cè)O(shè)計(jì)了面向匯編語言程序設(shè)計(jì)課程學(xué)習(xí)的推薦系統(tǒng)（圖2）來幫助學(xué)生掌握指令的特征與要點(diǎn)[6]。我們把面向匯編語言程序設(shè)計(jì)課程學(xué)習(xí)的推薦系統(tǒng)劃分為面向?qū)W生的推薦方案、基于知識(shí)點(diǎn)的推薦方案和基于學(xué)生描述模型的推薦方案。具體方案如下。

圖2 面向匯編語言程序設(shè)計(jì)課程學(xué)習(xí)的推薦系統(tǒng)

（1）面向?qū)W生的推薦方案會(huì)為相似偏好的學(xué)生推薦他們需要重點(diǎn)學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)。

（2）基于知識(shí)點(diǎn)的推薦方案會(huì)幫助學(xué)生根據(jù)自己關(guān)注的知識(shí)點(diǎn)來匹配和這個(gè)知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，將這些相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)推薦給這名學(xué)生。

（3）基于學(xué)生描述模型的推薦方案則是通過對(duì)某學(xué)生一段時(shí)間學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行整合，建立一個(gè)學(xué)生描述模型來預(yù)測(cè)下一步需要推薦的知識(shí)點(diǎn)。

面向匯編語言程序設(shè)計(jì)課程學(xué)習(xí)的推薦系統(tǒng)采用了一種較為著名和常用的算法——協(xié)同過濾算法，在我們的推薦系統(tǒng)中，可以分為基于學(xué)生的協(xié)同過濾算法和基于知識(shí)點(diǎn)的協(xié)同過濾算法。利用相關(guān)工具從匯編教學(xué)大綱、教材等非結(jié)構(gòu)化文本中抽取知識(shí)點(diǎn)作為實(shí)體，對(duì)知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系進(jìn)行識(shí)別，將知識(shí)點(diǎn)的重要程度和學(xué)習(xí)難度作為屬性，構(gòu)建知識(shí)圖譜，形成可關(guān)聯(lián)性查詢的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，從而解決了處理過程中可能出現(xiàn)的稀疏性和冷啟動(dòng)問題。具體而言，知識(shí)圖譜引入豐富的語義關(guān)系，方便面向匯編語言程序設(shè)計(jì)課程學(xué)習(xí)的推薦系統(tǒng)深入發(fā)掘?qū)W生與知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)。此外，知識(shí)網(wǎng)絡(luò)中多樣化的關(guān)系鏈接，也可以避免面向匯編語言程序設(shè)計(jì)課程學(xué)習(xí)的推薦系統(tǒng)給出過于單一的推薦結(jié)果，形成面向?qū)W生的個(gè)性化推薦方案。同時(shí)，知識(shí)圖譜的三元組結(jié)構(gòu)包含的關(guān)系信息提高了面向匯編語言程序設(shè)計(jì)課程學(xué)習(xí)的推薦系統(tǒng)推薦結(jié)果的可解釋性。面向匯編語言程序設(shè)計(jì)課程學(xué)習(xí)的推薦系統(tǒng)工作流程如圖3 所示。

圖3 面向匯編語言程序設(shè)計(jì)課程學(xué)習(xí)的推薦系統(tǒng)工作流程

三、線上線下結(jié)合的教學(xué)

匯編語言是一種強(qiáng)有力的語言，其能透徹地反映、巧妙而充分地運(yùn)用計(jì)算機(jī)的硬件功能及特點(diǎn)，并且匯編語言與硬件聯(lián)系緊密，但是需要學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)的底層有較為深刻地了解。教學(xué)中，教師需要在有限的課時(shí)講述大量的指令，這無論是對(duì)于教師，還是對(duì)于學(xué)生，都是極大的考驗(yàn)[7]。對(duì)于習(xí)慣高級(jí)語言的學(xué)生來說，匯編的指令與之前學(xué)過的高級(jí)語言語句大相徑庭，毫無頭緒，容易喪失學(xué)習(xí)興趣。因此，我們?cè)诮虒W(xué)過程中結(jié)合前述的推薦系統(tǒng)給出有針對(duì)性的知識(shí)點(diǎn)，突出重點(diǎn)，有目標(biāo)地展開課程，充分發(fā)揮視聽多媒體的優(yōu)勢(shì)，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、進(jìn)棧和出棧等過程，跟蹤程序運(yùn)行，給出存儲(chǔ)器存儲(chǔ)內(nèi)容以及堆棧內(nèi)容的變化，使學(xué)生能對(duì)程序執(zhí)行過程有一個(gè)直觀的印象。對(duì)于一些程序的代碼，教師會(huì)結(jié)合課程中上機(jī)調(diào)試的相關(guān)知識(shí)，用DEBUG 來跟蹤檢查程序，讓枯燥的內(nèi)容與實(shí)際操作相結(jié)合，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生也在手邊的電腦上面操作，增加了學(xué)生動(dòng)手的機(jī)會(huì)，讓學(xué)生樂于自己去實(shí)踐，同時(shí)也增加了師生的互動(dòng)環(huán)節(jié)。

在豐富教學(xué)手段的基礎(chǔ)上，受2020 年新冠肺炎疫情期間線上教學(xué)的啟發(fā)，在匯編教學(xué)中應(yīng)用MOOC（大型開放式網(wǎng)絡(luò)課程）平臺(tái)，突破了傳統(tǒng)課程時(shí)間、空間的限制，突破了傳統(tǒng)教學(xué)中固定化、統(tǒng)一化的教學(xué)進(jìn)度，學(xué)生在一定程度上掌握了自己學(xué)習(xí)的進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)了面向?qū)W生個(gè)性化需求的定制學(xué)習(xí)路徑。學(xué)生可以根據(jù)前述推薦系統(tǒng)給出的方案有針對(duì)性地學(xué)習(xí)的相關(guān)內(nèi)容，在整個(gè)學(xué)習(xí)過程，學(xué)生充分發(fā)揮了主觀能動(dòng)性，提高了學(xué)習(xí)效率。

另外，除了通過課上程序調(diào)試的環(huán)節(jié)增加師生互動(dòng)外，我們也將答疑這個(gè)環(huán)節(jié)充分利用了起來。在傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生的答疑一般在每次課講述之后，時(shí)間較短，且僅有很少部分同學(xué)參與。通過啟用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中使用的平臺(tái)進(jìn)行答疑，將答疑貫穿到課程教學(xué)的全過程，平臺(tái)特有的匿名提問也讓部分膽小與害羞的學(xué)生能夠大膽提問。由于大部分提問是為大家所見的，在方便大家討論的同時(shí)，也給有相同問題的同學(xué)以啟迪，同學(xué)們?cè)诨ハ嘤懻摰倪^程中加深了理解，增加了互動(dòng)性。

四、多維度的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

上機(jī)實(shí)驗(yàn)是匯編語言程序設(shè)計(jì)課程的基本教學(xué)組成部分，教學(xué)團(tuán)隊(duì)非常重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)，幫助學(xué)生把所學(xué)的理論知識(shí)充分運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)中，從中體會(huì)到匯編程序?qū)嶋H運(yùn)行的原理。學(xué)生可以通過實(shí)驗(yàn)，鞏固課堂上學(xué)到的理論知識(shí)，做到理論與實(shí)踐相結(jié)合，增長對(duì)計(jì)算機(jī)硬件類課程和相關(guān)研究方向的興趣，提高自身的工程實(shí)踐能力[8]。

從以下多個(gè)維度對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法進(jìn)行了探索，這些維度包括實(shí)驗(yàn)工具的優(yōu)化、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)考核方式的優(yōu)化。

在實(shí)驗(yàn)工具的優(yōu)化中，依托學(xué)校的國家級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心開展實(shí)驗(yàn)，針對(duì)當(dāng)前學(xué)生普遍使用的電腦都安裝64 位操作系統(tǒng)Windows 10 乃至Windows 11 這一現(xiàn)狀，選取了DosBox+MASM for Windows 作為匯編開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了從實(shí)驗(yàn)室到個(gè)人電腦的無縫對(duì)接，學(xué)生可以隨時(shí)隨地編寫程序，將原本只能在機(jī)房里做的實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展到有電腦的地方隨時(shí)可以編程調(diào)試。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法優(yōu)化中，教師在課內(nèi)講重點(diǎn)、關(guān)鍵點(diǎn)和要點(diǎn)，掌握好學(xué)生實(shí)驗(yàn)的方向，在實(shí)驗(yàn)中注重對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)方法和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師只給出實(shí)驗(yàn)題目，學(xué)生獨(dú)自設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)作用，最大限度地調(diào)動(dòng)學(xué)生自己動(dòng)手的積極性和主動(dòng)性。

在實(shí)驗(yàn)考核方式的優(yōu)化中，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)考核通常以紙質(zhì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的成績?yōu)橹鳎@種考核方式導(dǎo)致學(xué)生出現(xiàn)抄襲、作業(yè)雷同的現(xiàn)象，不能體現(xiàn)學(xué)生的實(shí)際操作能力。因此我們對(duì)于實(shí)驗(yàn)考核方式進(jìn)行了優(yōu)化，一是在電子版實(shí)驗(yàn)報(bào)告中必須給出相應(yīng)程序算法的描述和流程圖；二是在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收中增加上機(jī)調(diào)試的環(huán)節(jié)，根據(jù)要求在限定的時(shí)間內(nèi)完成相關(guān)程序的修改，并提交程序源代碼、運(yùn)行過程和結(jié)果的截圖，進(jìn)一步提升實(shí)驗(yàn)考核的真實(shí)性和合理性。

五、結(jié)束語

建設(shè)高等教育強(qiáng)國，必須堅(jiān)持“以本為本”，我們從現(xiàn)階段高校匯編語言程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)中存在的難題入手進(jìn)行分析，基于知識(shí)圖譜進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)梳理，形成可關(guān)聯(lián)性查詢的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，并運(yùn)用當(dāng)代多媒體、人工智能和大數(shù)據(jù)等新技術(shù)形成面向?qū)W生個(gè)性化需求的定制學(xué)習(xí)路徑，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的教學(xué)方案；利用線上線下結(jié)合的課程教學(xué)方法，豐富課程內(nèi)容，提升學(xué)生的自學(xué)能力；探索多維度的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，增強(qiáng)學(xué)生的應(yīng)用實(shí)踐能力，從而整體提升課程的教學(xué)效果，為學(xué)生后續(xù)硬件課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。