0引言
计算机组成原理是计算机和软件工程等相关专业的一门专业必修基础课，不但与离散数学和计算机网络原理等先修课程相关，同时也与微机接口技术和计算机体系结构等后续课程息息相关[1-5]。因此，该课程在计算机和软件工程等相关专业的专业基础课中占有举足轻重的地位，不但与其他课程有着千丝万缕的关系，还对系统思维的培养起着至关重要的作用。正由于该课程涉及内容宽泛且相对抽象，导致学生对该课程产生高深和难学的预感。
1计算机组成原理课程特点和问题
作为计算机和软件工程等相关专业核心课程之一，计算机组成原理重点讲授计算机单机系统的硬件组成及其工作原理，使学生理解并掌握计算机的运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大功能部件的组成和工作原理，对培养学生理解计算机硬件系统及其子部件的基本概念和理论、工作原理、逻辑实现和设计方法有重要作用，并培养学生获得基础的硬件系统及其子系统的设计能力，为学生更深入地学习掌握计算机领域复杂工程问题做好硬件方面的基础知识储备。
相较于程序设计类和数据结构等课程，计算机组成原理具有理论性强、系统性强、知识结构模块化等特点，与较多的先后修课程密切相关，即需要扎实的先修知识才能理解和掌握该课程内容，同时对后续本科课程的学习和掌握有很大影响。因此，该课程通常都被认为是“难教难学”的课程，根据笔者的5年授课经验，分析目前该课程的教学工作，发现存在如下几个问题。
（1）课程内容抽象难懂，尤其是对于软件工程和网络工程专业的学生。这2个专业学生没有电路与模拟电子技术、数字电路与数字逻辑和汇编语言等先修课程知识。由于课程讲授的计算机五大功能部件及其工作原理所涉及的新概念繁多，且功能部件之间的关系复杂，学生难以对整个计算机系统及五大功能部件形成感性认识，无法深入理解，学生积极性不高，学习兴趣低迷，直至最后丧失信心，甚至部分学生出现逃课和放弃学习的现象。
（2）学生对该课程的重视程度不够而导致学习态度不够端正，且缺乏有效的学习方法。学生仅仅把该课程当做一门普通课程修读，对课程重要性认识不够，采用的学习方法也不适于课程的学习，仅仅是为了考试成绩而非夯实计算机基础。该课程本身具有很强的系统性，计算机系统五大功能部件之间关系复杂，同时每个功能模块又与其他课程密切相关，如果学生割裂这些关系和联系，采用传统的单模块学习方法，就不利于该课程的学习和掌握。
（3）课堂教学以单向的知识讲授为主，学生被动接受知识，课堂缺少互动，无法激发学生学习兴趣。因为该课程包括运算器、存储器、指令系统、控制器、总线、输入输出系统和输入输出设备等教学内容，而对于48学时的理论教学来说，教学任务较重，容易导致教师采取“满堂灌”的教学方式，缺乏师生沟通互动，教师不了解学生对知识的掌握情况。同时，教师在教学中很少结合其他课程，没能很好地引导和辅助学生进行课程学习，学生很难掌握课程知识的前后衔接关系，从而导致该课程课堂教学效果极其不好，学生课后自主学习容易遇到困难。
（4）理论课与实践课脱节。计算机组成课程设计是单独一门课，课程内无实验安排，这导致理论和实践不连贯，也难以根据实践课优化指导理论课的学习。由于实验设备欠缺而采用多人分组实验，且实验考核方式以实验报告为主，所以存在部分学生“搭顺风车”的现象，无法使得学生产生对该理论课程和实验课程的学习兴趣和热情。由于计算机组成课程设计的20学时限制，只能安排一些验证性实验，无法充分开展设计创新实验，不利于学生创新性思维和系统模块化思维的培养。
综上可见，该课程在整个本科教学体系所构建的知识网络中起到了非常重要的作用，并且上述问题严重制约和影响了该课程的教学效果和教学质量。如何将本课程简单化和具象化，提高学生学习兴趣和学习激情，更好地引导学生构建自己的知识网络，是教师必须要思考和解决的问题。
2以计算机组成原理课程为中心的知识图谱
计算机组成原理授课内容主要包括运算器、存储器、指令系统、控制器、输入输出设备、总线和输入输出系统等，与本科的离散数学、程序设计基础、汇编语言、电路与模拟电子技术、数字电路与数字逻辑、计算机网络原理、数据结构等先修课程相关，甚至还需要高中物理的电磁理论和化学理论知识，同时也与本科的微机接口技术、单片机开发、嵌入式系统开发、操作系统原理、数据库系统实现、编译原理、高级语言程序设计、并行计算和并行程序设计、计算机体系结构等后续课程息息相关。可见，该课程在计算机和软件工程等相关专业课程体系中占据举足轻重的地位。根据该课程与先修课程及后续课程的关系构建的知识图谱如图1所示，比如讲授内部存储器需要借助电路与模拟电子技术、数字电路与数字逻辑和数据结构授课的相关知识，而内部存储器的学习对单片机开发、嵌入式系统开发、操作系统原理、数据库系统实现、高级语言程序设计、并行计算和并行程序设计、计算机体系结构的学习起到了一定促进作用。另一方面，内部存储器授课内容包括静态随机存取器SRAM、动态随机存储器DRAM、存储器扩展、只读存储器ROM和闪速存储器、并行存储器、高速缓存Cache、虚拟内存等内容，因此以存储器为中心的知识图谱如图2所示，即内存存储器与其先修课程（电路与模拟电子技术、数字电路和数字逻辑课程、数据结构）及后续课程（单片机开发、嵌入式系统开发、操作系统原理、数据库系统实现、高级语言程序设计、并行计算和并行程序设计、计算机体系结构）之间的关系，比如高速缓存Cache的讲授需要借助数字电路和数字逻辑课程和数据结构的相关知识，同时高速缓存Cache的学习对单片机开发、嵌入式系统开发、操作系统原理、数据库系统实现、计算机体系结构的学习具有较好的促进作用。
知识图谱不但对后续课程学习以及未来的学习有较好的辅助和促进作用，还与未来的职业规划紧密相连，图3为知识图谱与职业规划（保研、考研、就业、创业、出国）的关系，比如研究生招生考试初试和复试科目包含知识图谱中的若干门课程。图3所示知识图谱亦可以继续细化，就业可以根据工作职位继续细分，不同工作职位需要知识图谱中的不同课程。由此可见引导学生构建知识图谱的重要性，不仅能够促进学生课内外学习的积极性和主动性，而且使得学生容易了解和掌握新知识，并且为职业规划做好充分准备。
计算机组成原理其他部分也大量存在与先修和后续课程的密切关联。构建以计算机组成原理为核心的知识图谱，对于学生学习专业课尤其是学习专业必修基础课具有重要意义，这种知识图谱构建的思路也可作为其他专业必修基础课参考。
3计算机组成原理教学改革措施
时代发展和技术发展推动着任课教师对诸如计算机组成原理等专业必修基础课进行教学改革，使其为学生夯实基础并引导学生构建知识图谱，所以计算机组成原理教学改革势在必行。首先，引导学生构建知识图谱的关键是第一堂课[6-8]；其次，要把知识图谱构建导入[9]到每一次理论授课，经过构建知识图谱思维的不断训练，使学生能够自主学习并构建知识图谱。
3.1上好第一堂课
第一堂课在授课过程中起到了至关重要的作用。第一堂课总共90分钟，包含两个学时。教学改革前授课内容以教学大纲、授课计划、计算机系统概述（计算机的分类、计算机发展简史、计算机的硬件、计算机的软件和计算机的层次结构）和课程总结为主，第一堂课的90分钟分配如图4左侧部分所示。教学改革后，在授课内容中植入如图1所示的知识图谱和如图3所示的知识图谱与职业规划的关系图，第一堂课的90分钟分配如图4右侧部分所示，相较教学改革前授课内容更丰富。
通过举例方式讲授知识图谱和知识图谱与职业规划的关系图，更容易被学生理解和接受。运算方法和运算器的学习需要事先已经掌握离散数学的真值表和布尔表达式等概念。内部存储器和外围设备构成的二级存储结构是计算机体系结构中多级存储结构的典型示例。计算机组成原理是很多学校的研究生招生考试科目之一。可见，知识图谱以及知识图谱与职业规划关系图的植入，不但有利于学生自主地有选择地复习先修课，同时有助于学生选修后续课程和规划职业路线，最重要的是可以提高学生对该课程的重视程度和学习兴趣及热情。
3.2植入教学与导入教学相结合
除了第一堂课，计算机组成原理教学改革应该在整个授课过程中进行，即每次理论授课课程中采用植入教学把该部分细化知识图谱（例如图2所示以内部存储器为中心的知识图谱）植入到授课内容中，如图5所示。在课程授课开始，传统的温故而知新或者问题设计导入教学方式仍然适用，但是由于显性植入知识图谱（显示在授课讲义上），导入教学需要充分利用知识图谱来阐述即将讲授内容与先修和后续课程的关系，提高学生对本次授课的重视程度和学习兴趣。在课程授课过程中，讲述式授课和学生提问等传统教学方式仍然试用，但是可以隐性植入知识图谱（不显示在授课讲义上），针对植入的知识图谱可以采用学生提问等教学方式引起学生的思考和深层次回忆，有助于学生理解和掌握知识。在课程授课结尾，要点列表和问题设计是传统教学常用的一种方式，在该课程授课中仍然适用，但是仍然需要显性植入知识图谱，不但有利于强调和总结本次授课内容，而且更易于引出下次授课内容与其先修和后续课程，所以能够更好地再次强调本次授课内容的重要性和提高学生课后复习的热情，更易于引导学生对下次授课内容的自主学习。
4教学效果
为评估教学效果，发放的份调查问卷，回收调查问卷份。调查问卷的第一部分属于授课前问卷调查，数据统计如图6所示。57%的学生看重该课成绩的主要原因是毕业和就业，有37%的学生认为对保研和考研有帮助，另有4%的学生认为对出国有帮助。有49%和54%的学生未在意先修课程和后续课程，有42%的学生了解先修和后续课程，另有7%和4%的学生复习过先修课程和按照知识体系去学习。可见在授课前很多学生不了解该课程的性质和重要性，同时对该门课程的认识程度不够，所以有待于提高学生对该课程的重视程度，提高学生学习兴趣和热情，为后续课程学习夯实基础，同时辅助学生构建自己的知识网络。
调查问卷第二部分以教学内容、教学组织和教学效果评价为主，如图7所示。在图7中，有77%的学生认为教师有经常培养学生进行“体系学习”的习惯，18%的学生认为教师偶尔培养学生进行“体系学习”习惯；60%的学生认为教师经常启发学生思维培养，34%学生认为教师偶尔启发学生思维培养。可见，主讲教师对学生思维培养和学习方法指导起到了一定的效果。经统计数据分析，学生对教师教学内容和教学方法满意度排序由高到低如下：各章节内容衔接、学生分组报告、课程内容扩展、与先修课衔接、与后续课衔接。此外，还有74.8%学生认为有必要引入部分先修课和后续课的内容，以使所学课程形成完整的课程体系。可见，学生认可并满意教师的教学内容安排和教学方法，但是仍有很大进步空间，所以如何合理安排先修课和后续课内容的讲授成为提高该门课程整体授课效果和授课质量的关键。
调查问卷的第三部分围绕职业规划展开问卷调查。通过授课前后学生情况对比发现，无论未来保研、考研、出国或是就业，所有学生都认为授课过程中有必要引入职业规划的内容，以使所学课程与未来职业规划相连，甚至有74%学生认为非常有必要。可见，该课程授课过程直接影响了学生对于该课程的认识，间接影响了学生职业规划。
5结语
本科课程体系对应的知识图谱构建是一项巨大工程，贯穿于整个本科教学过程。知识图谱的构建有助于学生以及未来任何时候的学习。笔者解读和分析了计算机组成原理的先修和后续课程，构建了知识图谱，并在计算机组成原理课程教学改革中，植入知识图谱到第一堂课和后续理论授课过程中，并进行充分利用知识图谱的导入教学。调查问卷分析结果表明，这些措施提高了学生学习积极性、学习兴趣和学习热情，对其他专业必修基础课程教学具有一定启发作用。
参考文献:
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[5]牛玉*,张敏,王东.计算机组成原理课程在专业转型发展过程中的建设与探索[J].计算机教学与教育信息化,,14(4):97-98.
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[8]薛占熬,齐歌,杜浩翠,等.离散数学的课堂导入法研究[J].计算机教育,0(8):95-99.
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第一作者简介：范玉雷，男，讲师，研究方向为数据库系统、数据流系统、文本数据挖掘、时间序列分析，fyl
zjut.edu.cn。（完）（