基于成绩数据分析的计算机组成原理课程教学改革探索

王晓莉 石刚 周鲁梅 张艺昊

关键词：计算机组成原理；决策树算法；成绩数据

0引言

计算机专业学生需要更多地关心计算系统的整体性能，培养自身计算机系统能力，这也是工程教育的特征[1]。计算机组成原理课程是培养学生计算机硬件系统认知、设计和创新能力，使学生对计算机的整体系统架构有清晰的认知，并为计算机系统结构、操作系统等后续课程的学习奠定良好的基础[2]。课程建设应以新工科专业建设为目标，更新教学内容和教学方法，着重于解决复杂工程问题能力的培养，致力于培养适应新工科行业需求的工程人才。

数据挖掘技术在教育教学领域有着广泛的应用。由于成绩数据是教师教学效果和学生学习效果的客观体现，因此，基于成绩数据的分析挖掘研究是提高教学质量的重要途径。本文通过深入分析成绩数据，发现了计算机组成原理课程教学环节中教学内容的薄弱点和课程环节设置的间断点，为课程教学改革提供了有力的数据支持和决策依据。

1基于决策树算法的计算机组成原理课程数据分析

1.1方案设计

决策树算法是通过信息论中的信息增益去寻找数据库中具有最大信息量的属性，建立决策树的一个结点，再根据这个属性字段的不同取值去建立树的分支，每个分支子集重复建立树的下层结点和分支的过程，最终生成决策树[3]。使用决策树算法对计算机组成原理课程和先序课程进行分析，针对性地设计教学改革措施，具体方案如图1所示。

1.2决策树构建

1）本文选择新疆大学计算机科学与技术学院2013-2018级计算机专业学生的33门课程成绩作为基础数据，经过数据预处理，清除缺失数据、错误数据、对数据进行归一化，获得331组有效数据。对33门课程进行编号，主要专业课程对应编号如表1所示。

2）ID4.5等算法生成的决策树是一种类似二叉树和多叉树的树形结构[4]。实验以计算机组成原理课程为目标，属性按照培养方案中的先修课程设置，用信息增益比选择特征的CA4.5算法，通过不断调整参数，最终决策树模型正确率达到89.12%，如图2所示，构建出计算机组成原理决策树，如图3所示。

3）结果分析。从生成的决策树得出对计算机组成原理课程产生影响的前5个课程按程度依次是：数据库系统原理、离散数学、程序设计C、电路与电子学实验、数字电路实验。根据培养方案，计算机原理组成课程开课时间为第三学年第五学期，其他前导课开课时间及影响程度排名如表2所示。

从专业课程体系构建及课程内容来看，数据库系统原理课程中的数据模型、关系代数、规范化等基础知识有助于理解计算机组成原理课程中数据存储和访问的机制。学生通过数据库系统原理课程能够更深入地理解计算机内存、磁盘存储等部件的工作原理；同时，程序设计C中的数据类型、指针、函数调用等知识与计算机组成原理课程中数据的表示、存储、栈、中断等知识相互对应，有助于学生更好地理解软硬件之间的关系；电路电子学实验、数字电路实验可以帮助学生更好地了解计算机基本器件元件级的底层实现逻辑，从而对计算机硬件系统功能部件的构建有深刻的理解；离散数学作为计算机学科的重要数学工具，为学生理解计算机系统复杂工程问题的解决思路提供了数学基础。

4）教学环节薄弱点

①前导课程没有达到教学目标。课程的前后顺序是课程体系设置中的重要内容，新疆大学计算机学院计算机科学与技术专业的课程体系设置以《中国工程教育专业认证协会工程教育认证标准》为基本依据，组织教学指导委员会、各课程组、相关行业专家开展了多次分析和论证后确定，符合专业的培养方案和毕业要求。前导课程在课程体系设置上有比较重要的作用，前导课的出现不仅可以帮助学生尽快地适应课程内容，也对教师选择适当的教学方法和内容起到了很好的辅助作用，高校应当提高对前导课的重视程度[5]。根据课程目标与定位、教学内容和知识结构，通过和教研组授课教师交流沟通，均普遍认为前导课中的电路与电子学、数字电路、程序设计C对本课程影响较大。数字电路课程中学习到的逻辑门、译码器、寄存器、逻辑功能设计方法等是计算机组成原理课程讲授中用到的基本知识，是学生理解计算机硬件系统各部件功能实现必不可少的知识储备，但从生成的决策树来看，公认应该有较大影响的直接前序课数字电路排名第9；电路与电子学是集成电路技术的基础，在当前国产芯片自主可控需求下，该课程是对计算机组成原理课程核心内容的技术基础，而决策树中电路与电子学理论课程由于影响较小没有出现。上述两门课程情况相同，说明前序课程没有对后续课程起到支撑作用，前后序的授课教师应重视该问题并进行改进。电路与电子学实验课程排名第4，数字电路实验课程排名第5，说明实践环节弥补了理论环节的缺失，起到了较好的支撑效果。

②理论课程与实践课程分离。理论课程和实验课程是相辅相成，通过实验可以促进学生对理论知识的理解和掌握。通过对计算机组成原理课程决策树的分析，发现实验课程和理论课程关联性不强，反映出该教学环节存在一定问题。

2课程改革措施

2.1加强思政内容融入专业课堂

决策树中编号为7的课程是“思想道德修养与法律基础”，这一结果较为出乎意料，从数据的角度证明了正确的思想引领对专业课程学习具有显著影响。大学的专业课程学习不仅涵盖专业知识和技能的培养，更是培养社会主义建设者和接班人的关键环节。专业课程不应与思政课程脱节，思政课程是落实立德树人根本任务的关键。将思政内容融入专业课程，可以进一步引导、加强和深化思政课程的教育成果，对塑造学生正确的价值观、人生观、世界观起到重要作用。只有帮助学生树立正确的学习观，将学习动力从外部驱动转化为内部驱动，才能有效激发学习兴趣，提高学习效果。

2.2加强理论课程与实验课程的联系

经过对理论课程和配套实践课程的深入了解，发现由于排课时间等客观原因，理论课程授课进度与实验课程授课进度难以匹配，导致学生知识掌握缺乏连贯性。针对此问题，建议尽量安排同一位教师同时讲授理论课和实验课；若条件不允许，授课教师应及时沟通课程进度。同时，教务部门应允许教师灵活设置实验课上课时间，确保与理论课程进度相匹配。

2.3面向自主可控需求，增加核心技术的国产化内容

当前，以美国为首的西方国家在核心芯片、操作系统、移动通信等高端技术领域对我国实施了越来越严格的封锁策略。为实现全面自主、独立的发展，我国必须摆脱对他国技术的依赖。华为、龙芯等企业在芯片和通信领域已取得突破性进展。因此，建议在课程内容中增加国产处理器新技术、新发展内容，如Arm体系、Arm指令集、龙芯自主研发指令集的设计方式以及鲲鹏CPU编程结构等。这不仅有助于加深学生对课程内容的理解，还能进一步树立民族自信，提升自足独立的时代使命感，为信息技术“国产化”的人才培养奠定基础。

2.4构建基于鲲鹏处理器的实践课程融合体系

通过分析计算机组成原理课程后续课程的决策树，发现该课程对软件工程、Java程序设计等应用类课程的影响较小。这反映出学生未能将所学知识应用于实际系统开发，同时也表明课程之间缺乏有效融合。针对系统设计和应用能力培养的整体要求，结合当前信息技术“国产化”的人才培养需求，建议使用华为公司提供的TaiShan服务器、OpenEuler操作系统、Gauss数据库等，从实践环节将计算机组成原理、ARM汇编、操作系统、JavaWeb等专业核心课程内容打通，构建基于华为鲲鹏平台的实践教学环节。通过探索多门课程内容相融合、理论与实践相结合的系统能力培养方式，取得了显著效果。

3结束语

本文通过分析课程成绩数据，发现了计算机组成原理课程教学中存在的问题和不足。结合信息技术“国产化”人才需求，本文从课程内容、实践平台、课程衔接、课程融合等方面提出了教学改革措施，并在计算机科学与技术专业班级教学中进行了实施，取得了显著效果。通过问卷调查，80%以上的同学表示对课程内容有了更深的理解，绝大多数同学认为作为当代计算机专业的大学生，应更积极地在芯片设计、国产操作系统开发、国产软件使用等方面发挥自身作用。