“計算機系統(tǒng)結構”課程改革與探索

王　華　徐　潔　王雁東　吳曉華

文章編號：1672-5913(2009)10-0015-03

摘要：本文主要介紹了我院在“計算機系統(tǒng)結構”課程的教學實踐中進行的改革措施，在分析了國內(nèi)外高校在該門課程的教學模式的基礎上，引入先進的教學理念，改革了教學模式中的教學方法、教學內(nèi)容等多個方面。實踐證明，該模式的改革取得了預期的良好效果，提高了學生的學習興趣，增加了學生的知識寬度和深度。

關鍵詞：計算機系統(tǒng)結構；教學模式；教學改革

中圖分類號：G642

文獻標識碼：A

1引言

眾所周知，“計算機系統(tǒng)結構”(Computer Architecture)歷來是高校計算機科學與技術專業(yè)必修的主干專業(yè)基礎課程之一。通過對“計算機系統(tǒng)結構”課程的學習，學生可以了解計算機系統(tǒng)的內(nèi)部工作原理以及在軟硬界面劃分的權衡策略，從而建立起計算機軟硬件整機的概念。由于該課程教學內(nèi)容覆蓋了“計算機組成原理”、“編譯系統(tǒng)”、“操作系統(tǒng)”、“數(shù)據(jù)結構”、“數(shù)字邏輯”等計算機專業(yè)的重要課程，因此，國內(nèi)外著名高校對這門課程都非常重視。

為了使學生能夠真正將課本上的理論知識與實際的計算機系統(tǒng)結構融會貫通，我們在該課程的教學模式上進行了一系列的改革和嘗試。在此過程中，我們學習和借鑒了國內(nèi)外著名高校的有效經(jīng)驗，在教學內(nèi)容、教學方法等多個方面進行了調(diào)整，取得了良好的預期效果。

2引進國內(nèi)外先進教學經(jīng)驗

2.1教學內(nèi)容及時更新

教學內(nèi)容的及時有效更新主要體現(xiàn)在國外著名高校的教學當中。美國的麻省理工學院MIT(Massachusetts Institute of Technology)，卡內(nèi)基-梅隆大學CMU(Carnegie Mellon University)，伊利諾伊大學厄巴納香檳分校UIUC(University of Illinois - Urbana-Champaign)，斯坦福大學(Stanford University)等著名大學每年都采用一本最新的最權威的教材，如David A. Patterson等人編寫的《Computer Architecture:：A Quantitative Approach》等。教材的更新并非做秀，他們在選擇更新教材的同時，同樣注重課程內(nèi)容的更新。他們每年更新的內(nèi)容約占總的教學內(nèi)容的15%～20%。而這些更新的內(nèi)容并非完全由學生進行課后消化，而是盡可能在課堂教學時抽出一定的比例進行講解和介紹，并盡可能進行實物講解或者模擬教學，從而加深了學生的理解，并提高了學生的學習興趣。

我們目前在教學內(nèi)容的更新上比起國外著名高校還有一定的距離，總的來看，國內(nèi)的大學在“計算機系統(tǒng)結構”的教學方面，教材的更新和課程內(nèi)容的更新普遍存在著“理論脫離實際”的狀況，主要原因在于新技術的發(fā)展速度與課程講授知識更新頻度的不一致、不統(tǒng)一。而從教材本身的更新速度來看，目前我們國內(nèi)是無法與國外相提并論的，因為在計算機系統(tǒng)結構領域的研究上，我們國家的發(fā)展遠不如國外發(fā)展迅速，很多含有最新或者較新技術的教材或者教參還不能及時引入國內(nèi)，而這正是制約我們培養(yǎng)該領域技術革新人才的重大瓶頸。為了盡量減少這方面的影響，我們課題組提出了爭取教材每年更新、保證教參年年更新的要求，盡量縮小課堂教學與實際發(fā)展之間的差距，實際上，教材教參的更新對于課程組的授課教師們提出了更高的專業(yè)要求，所謂教學相長道理就在于此。

2.2課堂教學+自我調(diào)研的教學方法的運用

在教學方法上，我們借鑒了國內(nèi)外一些著名高校的有效經(jīng)驗，總的來說可以歸結為課堂教學+自我調(diào)研相結合的教學方法。

在課堂教學中，我們主要解決基本的概念和理論。比如：通過學習了解精簡指令系統(tǒng)計算機(RISC)和復雜指令系統(tǒng)計算機(CISC)的體系結構特點和區(qū)別；掌握RISC處理器的設計原則和指令系統(tǒng)特征等等。而在自我調(diào)研的階段，要求在老師的引導下，學生通過互聯(lián)網(wǎng)自行搜集和整理當前在某個子領域最新的發(fā)展動向和最新產(chǎn)品的性能情況，并根據(jù)所學理論，進行橫向和縱向的比較并得出自己的結論。最后形成一篇調(diào)研論文，并以平時成績或者是考試成績的一部分的形式進行考核。

通過這種方式的學習，一方面鍛煉了學生自己動手查找最新科技資料的能力，另一方面也彌補了課堂教學在內(nèi)容上的不足，同時還能增強學生對知識點的深入理解，提高學生的學習興趣，可謂一舉多得。而老師也通過該課程的教學網(wǎng)站將自己的調(diào)研所得與學生進行分享，學生的學習不僅僅局限于課堂，知識的獲取途徑增加了，知識的寬度和深度也增加了，學習質量和效果也就提高了。實踐證明，這樣的教學形式完全可行并且十分高效。

2.3加強實踐教學環(huán)節(jié)的力度

說到實踐教學，由于“計算機系統(tǒng)結構”課程具有抽象性、理論綜合性、概念性等固有特點，國內(nèi)在該課程的實踐教學環(huán)節(jié)一直比較薄弱，很多高校甚至沒有開設相應的實踐課程，僅僅將學習停留在理論的階段，學生的理解能力受到了限制，學生的動手能力也沒有得到加強，這也是前述問題所產(chǎn)生的一個直接結果。為了再次避免出現(xiàn)這樣的問題，我們課題組開發(fā)了相應的軟件仿真實驗和硬件設計實驗，其內(nèi)容涵蓋了“計算機系統(tǒng)結構”軟硬界面的主要知識點。目前，我們的實踐環(huán)節(jié)主要還處于基礎實驗的層次，實驗的內(nèi)容和難度都與教學中多涉及的基礎理論和基本設計方法緊密掛鉤，與國外高校相比還缺少一系列系統(tǒng)性強、綜合性強的大型實驗項目，這對于培養(yǎng)高水平的軟硬設計人才是極為不利的。因此，我們在該課程教學改革的過程中，著重就開出大型實驗項目方面開展了大量的工作，專門成立了實踐教學指導小組，將科研項目轉化成為實驗項目，以及從電子設計競賽項目中挖掘出新的實驗項目等，多形式多渠道地進行了一系列的實驗改革。目前，我們正著重在計算機模擬和性能評測、系統(tǒng)芯片(System-on-a-Chip)設計等方向開發(fā)一些大型實踐項目(Project)，由于該類實驗難度較大，受實驗時間和實驗環(huán)境、器材等一些客觀條件的限制，到目前為止，該類實驗剛剛進入嘗試階段，將以課程設計的方式向一些有較強動手能力和對該領域有很強興趣的學生開放。

我們不僅在實驗內(nèi)容上進行重新設計，在實驗時間上也做出了相應的調(diào)整。為了提高學生的動手能力，我們在不降低課堂教學學時數(shù)的前提下，增加了實驗環(huán)節(jié)的學時數(shù)，并且開始嘗試開放式實驗室的運行模式，實驗室最大化地得到有效利用。我們還吸收優(yōu)秀學生參與到新實驗的開發(fā)中來，使學生真正能通過實驗得到認知的升華。

3理清教學思路，明確學生學習重點

由于“計算機系統(tǒng)結構”課程內(nèi)容隨著計算機軟硬件技術的發(fā)展而不斷更新，加之這門課程的系統(tǒng)性，綜合性和實踐性較強，給這門課程的教學和學習帶來了一定的困難，學生很難將所學到的知識綜合應用到具體的實際問題中去，因此，理清教學思路，明確學生學習重點是提高該門課程教學質量的前提。

一直以來，“計算機系統(tǒng)結構”在內(nèi)容上與“計算機組成原理”、“微機原理與接口技術”等課程有一定的重疊，當然，三者都屬于與硬件相關的計算機專業(yè)課程，之間有著很強的邏輯聯(lián)系，但是我們應該仔細區(qū)分三者在在知識結構和專業(yè)層次上的不同，把握好教學的重點，使學生真正從整機的層次上把握系統(tǒng)的構建和各個部分的設計方法和原則。

我們都知道，“計算機組成原理”更多的是偏向硬件的整機，它系統(tǒng)地講解了計算機的五大硬件組成部分的基本概念、基本組成和基本功能，為培養(yǎng)學生對硬件系統(tǒng)的分析、設計、開發(fā)和使用能力打下基礎。其前驅課程是數(shù)字邏輯、離散數(shù)學等?！坝嬎銠C系統(tǒng)結構”和“微機原理與接口技術”是其后續(xù)課程。

而“微機原理與接口技術”是在學生對計算機組成等基礎知識有了初步了解后，針對廣泛應用的微型機軟硬件系統(tǒng)知識和技術進行的更深入和系統(tǒng)的學習。通過該課程的學習，使學生對計算機軟硬件知識的掌握達到系統(tǒng)級專業(yè)水平，并為后繼的計算機應用課程(如計算機網(wǎng)絡、計算機通信、計算機控制、計算機圖形學、多媒體技術等)的學習打下堅實的基礎。因此，該課程在計算機專業(yè)學科中起著承上啟下的作用。

總體上看，三門課程在教學層次上如圖1所示。

其中，“計算機系統(tǒng)結構”課程跨越了軟件和硬件兩個層次。而“計算機組成原理”和“微機原理與接口技術”主要講解硬件相關的設計和功能原理。美國普渡大學(Purdue University)計算機科學系資深教授科默(Douglas E. Comer)博士就曾經(jīng)在他的著作當中指出了“計算機系統(tǒng)結構”課程是如何統(tǒng)一計算機軟硬件知識的：在許多計算機科學(Computer Science)的教學計劃中，“計算機系統(tǒng)結構”是惟一一門能讓學生接觸到與編程相關的計算機結構方面的基本概念的課程。實際上，懂得硬件可以把程序構造得更加高效、更少出錯。從廣義上講，有了“計算機系統(tǒng)結構”方面的知識，程序員就能理解程序設計中不同選擇和取舍所帶來的影響，有助于提高程序的效率；另一方面，知道硬件工作原理，還可以改善編程的過程，因為這使得程序員能夠更迅速地查明故障來源。

由于上述課程在內(nèi)容上有一定的相似，近年來很多高校都提出了要將“計算機組成原理”與“計算機系統(tǒng)結構”課程在內(nèi)容上進行整合，甚至有些高校在制定培養(yǎng)計劃時，沒有單獨區(qū)分兩門課程，而是進行“二合一”，直接開設了“計算機組成和體系結構”的課程。我們堅持認為，計算機系統(tǒng)結構課程在知識層次上高于計算機組成原理，并且兩門課程本質核心有著截然的不同，因此，我們堅持獨立設課，以使學生從硬件和軟件的不同層次深入了解計算機系統(tǒng)的工作。當然，盡量減少之間重疊的部分是提高課時含金量的必要途徑。上述三門課程在教學內(nèi)容上的知識重疊如表1所示。

表1三門課程內(nèi)容重疊一覽表

改革后的課程主要內(nèi)容及其培養(yǎng)目標如表2所示。

4結束語

圍繞“計算機系統(tǒng)結構”所進行的一系列改革經(jīng)過近兩年的實踐取得了很好的預期效果，學生不僅明晰了各門課程之間的關系，而且對于計算機系統(tǒng)結構的發(fā)展也表現(xiàn)出了濃厚的興趣。在實驗環(huán)節(jié)，學生能夠很快進入角色，掌握實驗的主要目的和有針對性地進行課前預習和準備工作，極大提高了實驗的效果。

隨著計算機系統(tǒng)結構的不斷發(fā)展，隨著社會對于熟悉計算機軟硬雙重技術人才需求量的不斷擴大，掌握計算機系統(tǒng)結構的基本原理、組成方式、關鍵技術和設計方法等方面的知識對于學生就業(yè)和深造等都具有越來越重要的現(xiàn)實意義。我們現(xiàn)階段面臨的主要問題還有很多，比如如何保證教學內(nèi)容的先進性、如何設計綜合性和趣味性相結合的大中型實驗等，這些都需要我們不斷地在教學實踐中進行探索和嘗試。

參考文獻：

[1] 吳曉華,徐潔,王雁東,等.《計算機系統(tǒng)結構》課程教學探討[J]. 實驗科學與技術,2006(6).

[2] 王華,傅彥,崔金鐘.《微機原理與接口》實驗教學改革的實踐[J]. 實驗科學與技術,2007(1).

[3] 科默(美). 計算機系統(tǒng)結構精髓[M]. 方存正,譯. 北京:清華大學出版社,2006.

[4] 王新忠,熊書興. 論計算機系統(tǒng)結構、組成及實現(xiàn)之間的內(nèi)在關系[J]. 科技廣場,2007(11).

[5] 童小念,何秉嬌,舒萬能.“計算機系統(tǒng)結構”實踐教學環(huán)節(jié)的研究與實施[J]. 學科建設與教學研究,2008(3).

Research about the Teaching Mode Reform of Computer Architecture Course

WANG Hua, XU Jie, WANG Yan-dong, WU Xiao-hua

(Computer Science and Engineering College，University of Electronics Science and Technology of China，Chengdu 610054，China)

Abstract: In this paper, we described mainly about some reform measures on Computer Architecture course in Computer Science and Engineering College, UESTC. After we analyzed the teaching modes about the same course of some other colleges in some domestic and overseas famous universities, some advanced ideals have been adopted in our teaching reform. The new teaching methods, the new teaching contents and so on have been used for a period of time and consequently we get a good result. Not only the students interests in the course have been inspired, but also the width and the depth of their knowledge in this field have been enlarged.

Key words: Computer Architecture; teaching mode; teaching reform