“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”校級精品課程建設(shè)的探索與實踐

方 娟 毛國君 朱文軍

摘要:精品課程的建設(shè)可以促進教學水平和教學質(zhì)量的提高,本文通過對“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”校級精品課程建設(shè)的研究,對該課程的課程定位、教學模式、教學方法等做了有益的探索,提出創(chuàng)新教育、知識更新的思想。

關(guān)鍵詞:精品課程;教學模式;創(chuàng)新教育

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

精品課程建設(shè)是教育部啟動的“高等學校教學質(zhì)量與教學改革工程”中的一項重要內(nèi)容,是提高教學質(zhì)量進而提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的奠基性工作。我校2008年開始啟動“校級精品課程建設(shè)計劃”,我院的“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程被評為首屆校級精品課程。下面就課程定位、教學體系建設(shè)、知識模塊、教學模式、相關(guān)教學研究等方面介紹對該課程建設(shè)的探索與實踐。

1課程的基本定位和教學目標

在計算機專業(yè)人才需求越來越多的情況下,北京市對計算機硬件相關(guān)的技術(shù)人員也加大了需求量,在這樣的形勢下,我們建立了新的計算機硬件課程體系,對“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的定位也越來越明確。我校的計算機專業(yè)主要為北京市培養(yǎng)計算機應用型人才,學生的就業(yè)取向大多數(shù)是北京市的高新技術(shù)企業(yè)。因此,我們從教學計劃、教學大綱、教學平臺、實驗設(shè)計平臺和工具等方面均做了改革和調(diào)整,以適應形勢發(fā)展的需要。具體措施為:

(1) 通過“數(shù)字邏輯”解決數(shù)字邏輯電路的基本概念和原理;

(2) 通過“數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計”等課程讓學生掌握現(xiàn)代的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計平臺和工具(EDA、FPGA等),以及簡單電子部件的設(shè)計技術(shù);

(3) 通過“計算機組成原理”解決計算機的基本組成原理與技術(shù)問題;

(4) 通過“計算機接口技術(shù)”、“高檔微機系統(tǒng)”課程使學生掌握微機應用系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試基本概念和方法,提高學生工程素質(zhì)和設(shè)計、技術(shù)創(chuàng)新等方面的基本知識。

“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的教學目標是使學生在計算機應用系統(tǒng)和分析設(shè)計中,理解軟硬界面分配及如何最佳、最合理地分配硬件功能,即提高系統(tǒng)的性能價格比方面的知識;“嵌入式系統(tǒng)”等系列課程,讓學生在“嵌入式系統(tǒng)”、“微機系統(tǒng)及接口”等面向應用的專業(yè)方向上進行學習和實踐。

在“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”的教學中,以提高計算機的性能價格比為重點,輔以計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展中的新技術(shù),如流水線技術(shù)、并行技術(shù)等,最終的目標是提高學生從總體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)分析這一層次來研究和分析計算機系統(tǒng)的能力,幫助學生建立整機系統(tǒng)的概念;使學生掌握計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念、基本原理、基本結(jié)構(gòu)、基本設(shè)計方法,掌握基本的性能分析方法,特別是量化方法;并對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀有所了解。本課程強調(diào)培養(yǎng)學生的抽象思維能力和自頂向下、系統(tǒng)地分析和解決問題的能力,強調(diào)培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。

2知識模塊順序

本課程在建設(shè)中注重知識更新、創(chuàng)新教育,在2008年5月我校正式獲得批準成為《英特爾“多核技術(shù)課程”大學計劃》合作伙伴,成立了“北京工業(yè)大學——Intel多核技術(shù)實驗室”,并得到Intel公司的多核服務器及相關(guān)軟件的捐贈,在此基礎(chǔ)上,本課程在授課過程中增加了多核技術(shù)的內(nèi)容,使學生在課堂上能接觸到更多的新知識。具體知識模塊順序如下:

(1) 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識:計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識以及與計算機組成、計算機實現(xiàn)之間的關(guān)系,并對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)未來的發(fā)展做相應的介紹。

(2) 指令系統(tǒng):計算機指令系統(tǒng)的設(shè)計是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心問題,從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的角度介紹指令系統(tǒng)及與之相關(guān)的數(shù)據(jù)表示和尋址技術(shù)等。

(3) 存儲系統(tǒng):計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵問題之一是如何以合理的價格、設(shè)計容量和速度滿足計算機系統(tǒng)要求的存儲器系統(tǒng)。本模塊從存儲層次出發(fā),介紹多級存儲體系及各級存儲器。

(4) 流水線處理技術(shù):本章主要介紹流水線技術(shù)的基本概念、工作方式、流水線的分類和流水線在向量處理機中的應用。

(5) 并行處理技術(shù):并行處理技術(shù)的發(fā)展及應用,互連網(wǎng)絡(luò)的基本概念、幾種典型的互連網(wǎng)結(jié)構(gòu)和消息傳遞機制。

(6) 多處理機及新型計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu):多處理機模型和基本結(jié)構(gòu),多處理機結(jié)構(gòu)、性能和實例,介紹數(shù)據(jù)流機、歸約機和智能計算機等的工作原理、結(jié)構(gòu)、特點等。

(7) 多核技術(shù):多核處理器的基本概念、分類和工作原理。

3建立理論與實踐相結(jié)合的教學體系

本課程在近幾年的建設(shè)中,針對原課程計劃中沒有實驗的缺陷,通過加強對國內(nèi)外大學該課程進行調(diào)查和研究,建立了本課程的實驗體系。通過兩部分的實驗來加強學生對計算機流水線技術(shù)的理解。具體實驗內(nèi)容是:

(1) 在掌握基本原理的基礎(chǔ)上,通過使用WinDLX模擬器對流水線處理和指令調(diào)度進行測試,加深對數(shù)據(jù)相關(guān)、資源相關(guān)的理解,了解這兩類相關(guān)對CPU性能的影響以及如何用定向技術(shù)來解決。

(2) 設(shè)計四個流水線功能段的設(shè)計與實現(xiàn)的實驗,包括取指、譯碼、執(zhí)行、寫回階段,分析并設(shè)計流水線CPU各功能段的基本硬件結(jié)構(gòu),并用Verilog HDL硬件描述語言加以實現(xiàn),進行實驗結(jié)果分析,最后提交規(guī)范的實驗報告。隨著實驗的不斷完善,未來將增加多核方面的實驗。實驗體系的改革使本課程的教學過程更加完整,學生能夠從實驗中加深對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的技術(shù)的理解,使抽象的內(nèi)容變得具體化。

本課程的實驗為8學時,具體實驗內(nèi)容如表1所示:

由于學時的限制,上述實驗中1、2為必選題目,3～6可以任選一個。

4啟發(fā)式教學模式的建立

新教學模式的建立打破了以往純粹課堂講授的方式,采用創(chuàng)新型的教學模式:啟發(fā)式課堂講授、主題討論、自主學習三種方式的結(jié)合。啟發(fā)式教育的核心就是要培養(yǎng)學生獨立思考和創(chuàng)新思維。在課堂中,每章節(jié)均設(shè)置相關(guān)的思考題和與前沿技術(shù)有關(guān)的研究性專題,鼓勵學生自主查閱資料,提出問題,增強師生互動。在此過程中,突出自主學習和研究性學習,全面提高學生的思維能力、解決問題的能力以及創(chuàng)新能力。教學過程模型如圖1所示:

在上述基礎(chǔ)上,還采用了課堂授課與網(wǎng)絡(luò)學習相結(jié)合的方式,將多種現(xiàn)代教學媒體與自主開發(fā)的多媒體課件、課程教學網(wǎng)站優(yōu)化組合,構(gòu)建課堂授課與網(wǎng)絡(luò)學習的多媒體網(wǎng)絡(luò)教學環(huán)境?！坝嬎銠C系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”教學網(wǎng)站為學生提供了豐富的教學資源和良好的交流平臺,如提供教學大綱、教學內(nèi)容、教學團隊、教學錄像、教學課件、參考教材、習題與作業(yè)、自測題等資源;網(wǎng)站除了為課程提供基本的信息外,強調(diào)教師與學生的互動交流,教師可以針對核心問題設(shè)置分組,論壇帖子置頂,推薦精華帖,發(fā)布公告,設(shè)置論壇風格等;學生可以針對某個問題發(fā)帖討論,站內(nèi)搜索,收藏帖子等;論壇的數(shù)據(jù)庫進行定期自動備份(如一天一備份),同時可以以一周或幾天為單位,自動刪除前一周或幾天的數(shù)據(jù)庫備份文件,達到既維護數(shù)據(jù)又不使備份數(shù)據(jù)過大的目的,滿足論壇的持續(xù)性和擴展性的要求。

5結(jié)語

隨著精品課程建設(shè)的不斷推進,課程組的教師在教材建設(shè)、教學研究方面都取得了優(yōu)秀的成果,目前由課程組合著的《計算機組成原理與匯編語言》、《高檔微機原理與技術(shù)》等教材均已在清華大學出版社出版,并列入國家“十一五”規(guī)劃教材;《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》一書也于2009年在清華大學出版社出版。由課程組的老師主持的三項教育教學項目現(xiàn)已通過學校中期驗收,相關(guān)老師也在該課程的教學改革中不斷提出新的思路,力爭在不斷的建設(shè)中使該課程達到北京市精品課程的標準。

參考文獻:

[1] 毛國君,方娟. 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程群的“1+2+3”模式及其應用[J]. 中國大學教學,2008(3):40-42.

[2] 方娟. 多核技術(shù)在“高級計算機體系結(jié)構(gòu)”課程中的引入與探討[J]. 計算機教育,2008(20):41-42,14.

[3] 惠麗,吳玲. “數(shù)字邏輯”精品課程建設(shè)的探索與實踐[J]. 計算機教育,2009(2):110-111,133.