《計算機組成原理》綜合教學輔助平臺的設計與實現

鄧吉利+夏朝陽+魏樂

摘要：針對目前《計算機組成原理》教學中存在的學生對原理理解不夠透徹、師生交流渠道不通暢、學生參與教學程度不高、教考分離尚未實現等問題，將計算機輔助教學的理念引入課程教學中，設計開發了一個《計算機組成原理》綜合教學輔助平臺。該平臺基于Java EE技術框架，實現了題庫管理、作業管理、實驗管理、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，有效地提高了學生參與教學的興趣，強化了學生對知識的理解，同時也為課程平時成績和考核方式的改革提供了有力的支持。

關鍵詞：計算機組成原理；輔助教學；軟件模擬技術；Java EE

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：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

計算機組成原理是計算機相關專業的一門重要專業基礎課，它通過對計算機各部件工作原理、信息加工處理及控制過程的分析，培養學生對計算機硬件系統的分析、開發和使用能力，為今后進行硬件設計打下基礎。該課程具有知識點瑣碎、內容較多、難點不易掌握等特點，同時由于教學環境的客觀原因，現今計算機組成原理的教學存在學生對原理理解不夠透徹、師生交流渠道不夠通暢、學生參與教學程度不高、教考分離尚未實現等問題。因此，利用信息技術，開發一個《計算機組成原理》綜合輔助教學平臺，將會為學生課外學習提供一個良好的學習環境[1]，從而促進課程教學質量的提高。

目前，隨著教育信息化的深入發展，各個高校紛紛開展了計算機輔助教學的研究和實踐，出現了一大批輔助教學軟件[2-5]，并在教學中取得了較好應用效果。雖然輔助教學系統的發展已經較為成熟，但依然存在一些問題，主要體現在：現今的輔助教學系統主要考慮通用性，未考慮課程之間的差異；現有的輔助教學系統目標用戶廣泛，因此主要實現的是課程資料的發布、下載和瀏覽，缺少對課程過程考核的支持；已有教學輔助系統對按照用戶要求組織習題，進行在線測試的支持能力較差；在輔助教學系統中，尚未見到將軟件模擬技術引入《計算機組成原理》輔助教學的案例。

基于此，本文在借鑒參考文獻的基礎上，結合《計算機組成原理》課程的特點，基于Java EE技術框架，采用MVC模式，設計實現了一個綜合教學輔助平臺。該平臺由過程考核子系統、題庫子系統、原理模擬子系統和教學資源管理子系統構成，實現了題庫管理、作業管理、實驗管理、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《計算機組成原理》課程輔助教學的需求。

2 需求分析

軟件需求分析的任務是確定系統必須完成哪些工作，也就是對目標系統提出完整、準確、清晰 、具體的要求[6]?！队嬎銠C組成原理》綜合輔助教學平臺主要是為了提高課程教學的質量而開發的，作為對課堂教學的一個有益補充，該平臺的用戶主要是任課教師和學生。教師通過平臺能夠發布課程資源和信息、更新維護題庫、批改相關作業、分析學生成績、回答學生問題；學生通過平臺可以下載課程相關資源、瀏覽相關信息、進行在線測試、上傳作業和報告、提交課程問題等。

綜合來看，《計算機組成原理》綜合教學輔助平臺應該具備以下特點：1）切合《計算機組成原理》課程的教學實際；2）具有易于使用的人機界面；3）方便教師和學生使用，應采用B/S結構；4）為教師提供題庫管理、實驗管理、作業管理、成績管理等功能；5）為學生提供在線學習、在線作業、在線測試、問題提問等功能；6）使用數據庫，保證數據的安全性和正確性。

3 平臺體系結構

為了提高平臺的邏輯性和可擴展性，《計算機組成原理》綜合教學輔助平臺采用如圖1所示的體系結構，即由下向上分為數據層、業務邏輯曾、控制層和用戶層。將平臺分為多個邏輯層級，有利于提高編碼邏輯的清晰度，不容易混亂出錯，同時具有良好的擴展性，并便于進行單元測試，提高系統的穩定性。

1）用戶層

該層直接面向用戶，實現平臺與用戶的交互；該層接收用戶輸入的請求信息，并將信息送往控制層，同時該層也接受響應結果，在界面上展示；在B/S結構中，用戶可以通過瀏覽器來使用平臺。

2）控制層

該層主要完成權限、數據過濾及業務轉發的操作。具體可描述為：可根據不同用戶的賬號登錄，來顯示不同界面和功能，控制用戶的訪問權限；實現用戶在使用系統時一些請求操作的轉發。該層不處理業務邏輯，只做轉發控制，這樣使得開發系統條理清晰，系統穩定性高，安全性好。

3）業務邏輯層

該層接收上層傳遞過來的請求，然后根據業務邏輯進行處理，在需要數據時調用數據訪問接口，獲取需要的數據并封裝返回到上層。

4）數據層

數據層是平臺各種數據的來源，包括數據庫和文件。為了簡化數據訪問，該層為應用提供了統一的數據接口，以實現程序與數據源松耦合。通過數據訪問接口，上一層只需要調用這些接口，即可完成相應的對數據庫的操作，以返回查詢的數據或者進行數據更新，最終完成數據持久化操作。

4 平臺功能設計

結合《計算機組成原理》課程輔助教學的業務需求，平臺主要由過程考核子系統、題庫子系統、原理模擬子系統和教學資源管理子系統構成。其具體功能劃分如圖2所示。

1）題庫管理子系統

題庫管理子系統主要實現基礎信息管理、試題錄入、試題維護和試卷管理工作，其中基礎信息管理主要完成題型、章節、知識點等基礎信息的錄入、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導入，同時支持圖片的上傳；試題維護完成試題的修改和刪除操作；試卷管理支持根據指定的規則從題庫中抽取試題生成試卷的操作，同時也支持手動選擇試題生成試卷。

2）過程考核子系統

過程考核子系統主要實現作業管理、實驗管理、在線測試和成績管理工作，其中：

作業管理：將傳統的紙質作業遷移到網絡上，老師布置電子文檔形式的作業，學生在線完成作業，并能在線自動對客觀題進行評分，然后給出參考答案，從而減輕教師和學生的負擔。作業可以從題庫中生成，也可以老師手動布置。學生在以后也能看的自己的作業完成情況。系統會記錄每個學生每次作業的分數，以后便能進行成績管理和分析。

實驗管理：對于教學實驗，教師給出實驗要求、實驗過程和實驗目的等內容，學生需要學習實驗的內容，獨立完成實驗，并書寫電子版的實驗報告，最后上傳實驗報告。教師能批改學生的實驗報告并給出分數。成績也會記錄到成績系統中。

在線測試：教師可以在適當的時間安排在線測試，學生也可以根據自己的實際情況進行自主測試，例如可以專門針對自己的薄弱章節或者知識點生成在線測試。平臺記錄學生測試的時間、次數和成績，并將其計入平時成績，作為過程考核的一部分。

成績管理：記錄學生在作業、實驗、在線測試等一些環節的分數情況。學生可以查看自己的相關成績，教師可以查看整體或每個學生的成績情況，并進行分析和導出。

3）原理模擬子系統

由于計算機組成原理這門課程設計較多的復雜的原理，很多原理理解比較困難，所以平臺增加了原理模擬子系統，該子系統對一些復雜的原理提交演示，多原理進行拆分，以圖形的形式展現出來，增強學生對原理的理解。同時，該子系統提供了程序管理的功能，學生采用軟件模擬技術編寫模擬硬件工作機制的模擬程序，并通過程序管理功能提交到平臺，平臺自動判斷程序的正確性，并給出成績。

4）資源管理子系統

該子系統主要實現課件、教學大綱、授課教案、教學日歷等教學資源的上傳、瀏覽和下載功能。

5）其他功能

數據管理實現數據的備份和恢復，以及日志管理功能。平臺的用戶主要有教師和學生兩種，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，學生有專業、成績、班級等特有信息；用戶管理各類用戶的信息。權限管理能夠實現所有欄目和功能的權限指定，具有自動和自主增加權限功能；能夠對每類資源指定瀏覽/下載/修改/添加/刪除等控制權限；能夠進行用戶級別設置，可自定義不同級別，每個級別能劃分不同權限；能夠對不同用戶根據需要進行不同級別指定，能對同一用戶同時指定不同級別，能對用戶單獨添加某種權限。公告管理使得教師可以發布公告，可以利用此公能發布課程相關的一些公告，學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，學生可以將自己的疑問，或者對教學的建議發表在交流區內，教師瀏覽后可以進行回復。

5平臺部分功能實現

5.1 實現技術

在眾多的Web開發技術中，經過研究，選擇Java EE技術框架進行開發，整體采用JSP和Servlet實現原生JavaEE MVC框架，前端采用HTML + CSS + JavaScript，并結合一些前端框架，使界面更友好；后臺開發語言使用Java，使用MVC模式，使開發更靈活，同時提高系統可重用性。在開發中，利用Dbutils實現數據庫持久化操作；利用JSTL編寫沒有Java代碼的JSP頁面，減少程序錯誤，使程序更容易維護；利用Dom4j完成對XML文件的讀寫；利用Jfreechart完成數據的圖形化顯示。平臺開發環境選擇Eclipse，數據庫選擇MySQL，Web服務器選擇Tomcat。

5.2 作業管理

在作業管理模塊，教師可以發布作業，學生可以查看作業并完成作業。在學生完成作業之后，教師可以對學生所完成的作業進行評改，主要是對主觀題的評分。作業管理流程如圖3所示。

5.3 題庫管理

題庫是各種試題的合集，每個試題都有所屬章節、難度、知識點、類型、分值、答案等屬性。教師能對題庫進行管理，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 結束語

本文從提高課程教學質量的角度出發，結合教學中的實際需求，對《計算機組成原理》綜合教學輔助平臺進行了較為深入的研究，設計實現了一個基于Java EE的《計算機組成原理》綜合教學輔助平臺。平臺具有以下創新點：1）將軟件模擬技術引入《計算機組成原理》綜合教學輔助平臺，將計算機的工作原理以軟件的形式，直觀的進行展示；并提供對學生提交代碼的在線檢查功能。2）將學生練習成績與平時成績相結合，并通過作業的電子化實現課程的過程化考核。平臺具有結構合理、可擴展性強、操作便捷等特點，通過與課堂教學的相輔相成，極大地提高了《計算機組成原理》的課程教學質量。

參考文獻：

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[3] 施瑤. 基于MVC的Web輔助教學系統的設計與實現[J].福建電腦， 2016（7）： 117-119.

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