計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革實(shí)踐

喬百友 趙相國(guó) 袁野

摘要：計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程理論性強(qiáng)、內(nèi)容抽象且理解困難，容易造成學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高、影響教學(xué)效果。針對(duì)這個(gè)問題，結(jié)合學(xué)校的實(shí)際情況，從課程內(nèi)容設(shè)置、教學(xué)方法、考核方式等方面對(duì)該課程進(jìn)行了改革嘗試，并利用多種方法和手段來增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。初步實(shí)踐表明，所采取的措施激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu);教學(xué)改革;教學(xué)方法;考核方式

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2019）51-0085-02

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生的骨干課程，也是計(jì)算機(jī)分析和設(shè)計(jì)技術(shù)方面的核心課程。它主要從整體上研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成、分析及優(yōu)化技術(shù)，將計(jì)算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)、編譯原理、匯編語(yǔ)言、高級(jí)語(yǔ)言等課程所學(xué)的軟硬件知識(shí)有機(jī)地結(jié)合起來，從而能夠使學(xué)生更好地理解計(jì)算機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，掌握硬件設(shè)計(jì)和軟件優(yōu)化技術(shù)，建立起對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的完整概念。該課程的學(xué)習(xí)能夠使學(xué)生從總體結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)分析的角度來理解和研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，從而為設(shè)計(jì)出合理的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以及開發(fā)出高效的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用程序打下良好的基礎(chǔ)，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)分析問題、解決問題和抽象思維能力都有非常重要的作用。

一、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)教學(xué)中存在的問題

根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我校的情況，目前計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程教學(xué)和學(xué)習(xí)方面主要存在以下問題：

1.課程內(nèi)容抽象、理解難度大。這門課涉及諸多軟硬件方面的知識(shí)、包括計(jì)算機(jī)組成、操作系統(tǒng)、編譯原理、匯編語(yǔ)言等，其涉及的概念多，內(nèi)容廣泛且抽象，學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)部的各硬件的工作原理和運(yùn)行機(jī)制缺乏直觀的認(rèn)識(shí)。如果僅憑課本及課堂講解，缺乏形象而具體的教學(xué)手段，就會(huì)比較枯燥，也會(huì)導(dǎo)致學(xué)生難以理解課程內(nèi)容。加之計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面發(fā)展迅速，現(xiàn)有課本的內(nèi)容也無(wú)法保持快速更新，同樣影響了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。因此，如何合理組織更新教學(xué)內(nèi)容，并采用新穎教學(xué)手段來吸引學(xué)生注意力，增強(qiáng)對(duì)內(nèi)容的理解和掌握，是需要深入研究的問題。

2.教學(xué)方法和考核方式單一。傳統(tǒng)的教學(xué)方法忽略了學(xué)生的主體地位，無(wú)法調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，因此需要探索啟發(fā)式、任務(wù)驅(qū)動(dòng)式、問題驅(qū)動(dòng)等互動(dòng)式教學(xué)方法，從而更好地激發(fā)學(xué)生的興趣。在考核模式方面，傳統(tǒng)的考核方式比較單一，通常由平時(shí)成績(jī)、期中成績(jī)和期末成績(jī)?nèi)糠纸M成。期中和期末成績(jī)采用筆試形式;平時(shí)成績(jī)主要由出勤、測(cè)試和作業(yè)成績(jī)組成。這種考核模式不能充分、全面地評(píng)價(jià)學(xué)生的能力，不利于學(xué)生綜合能力的培養(yǎng);同時(shí)忽視了過程考核對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)作用，也缺少問題及時(shí)反饋和調(diào)整功能，因此需要研究基于過程的考核模式，并形成多元化的考評(píng)模式來評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)情況。

3.課程實(shí)踐環(huán)節(jié)薄弱。該課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)一直比較薄弱，目前有的學(xué)校開設(shè)了一些簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，大部分學(xué)校還沒有開設(shè)相應(yīng)的實(shí)踐課程，這限制了學(xué)生的理解能力，不利于學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)。因此，研究并合理設(shè)置相應(yīng)的實(shí)踐課程已成為一個(gè)亟待解決的問題。

對(duì)于存在的上述共性問題，已有很多專家學(xué)者進(jìn)行了建設(shè)性的探索。陳智勇等[1]嘗試了在該課程的教學(xué)過程中采用基于程序設(shè)計(jì)的啟發(fā)式教學(xué)方法。劉鵬等[2]則探索了實(shí)施“名人導(dǎo)我”教學(xué)過程中的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革問題。鄭緯民等[3]提出了開設(shè)面向“計(jì)算機(jī)使用者”的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程，并對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行了組織。謝艷新[4]構(gòu)建了自己學(xué)校的新型“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課群，并對(duì)課程內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行了探討。關(guān)昕[5]探討了問題驅(qū)動(dòng)法在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學(xué)中的應(yīng)用。孫輝[6]則探討了大數(shù)據(jù)時(shí)代下的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)方法。這些工作極大地豐富了該課程的教學(xué)，具有重要的參考價(jià)值。然而不同學(xué)校對(duì)人才培養(yǎng)的要求各不相同，因此還需要結(jié)合學(xué)校的實(shí)際和對(duì)人才培養(yǎng)的目標(biāo)，來對(duì)這門課程的教學(xué)進(jìn)行研究和改革。

二、課程改革措施

在對(duì)現(xiàn)有計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程教學(xué)內(nèi)容和方法進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合東北大學(xué)的實(shí)際情況，對(duì)該課程教學(xué)工作進(jìn)行了改革，采取了下列措施。

1.重新組織課程內(nèi)容、加強(qiáng)互動(dòng)式教學(xué)。結(jié)合學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神培養(yǎng)目標(biāo)，重新對(duì)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行組織，在原有教材“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)量化研究方法”的基礎(chǔ)上，增加了兩方面的內(nèi)容：（1）適當(dāng)增加多核處理器、通用GPU、集群系統(tǒng)等高性能微處理器和大型集群系統(tǒng)方面的知識(shí)，這有助于學(xué)生對(duì)當(dāng)前最新的微處理器和超級(jí)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的深入理解;（2）在優(yōu)化技術(shù)方面，適當(dāng)增加多種類型存儲(chǔ)組織的優(yōu)化及代碼優(yōu)化，增加處理器無(wú)關(guān)的優(yōu)化和處理器相關(guān)的優(yōu)化等方面的內(nèi)容，方便學(xué)生對(duì)整體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)存儲(chǔ)層次和指令執(zhí)行流程的理解。同時(shí)運(yùn)用動(dòng)畫、圖像、聲音、文字等制作高水平的教學(xué)課件，突出重點(diǎn)、難點(diǎn)，更直觀地顯示計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成及交互過程，如指令流水線及多操作部件處理機(jī)中的執(zhí)行過程等，有助于提高教學(xué)效果。在教學(xué)過程中，采用多種教學(xué)手段來增強(qiáng)學(xué)習(xí)的互動(dòng)性，除了課堂發(fā)言、提問等，增加學(xué)生小組互動(dòng)授課、專題研討等形式，同時(shí)采用啟發(fā)式、互動(dòng)式及問題引導(dǎo)等多種互動(dòng)式教學(xué)方式，活躍課堂氣氛，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性。

2.增加實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，加強(qiáng)對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程具有概念多、內(nèi)容抽象、理論性強(qiáng)等特點(diǎn)，合理設(shè)置相應(yīng)的實(shí)踐課程是加強(qiáng)學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)理解和增強(qiáng)動(dòng)手能力的關(guān)鍵。為此，我們基于FPEG技術(shù)設(shè)計(jì)了“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，主要包括兩類實(shí)驗(yàn)：（1）基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)針對(duì)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程教學(xué)內(nèi)容，其內(nèi)容和難度都與教學(xué)中涉及的基礎(chǔ)理論和基本設(shè)計(jì)方法相一致，使得學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)有一個(gè)直觀的感受，從而幫助學(xué)生對(duì)相關(guān)理論和運(yùn)行機(jī)制的深入理解。（2）綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。這類實(shí)驗(yàn)主要為培養(yǎng)高水平的軟硬件設(shè)計(jì)人才。為此結(jié)合一些競(jìng)賽項(xiàng)目來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，如結(jié)合全國(guó)CPU設(shè)計(jì)大賽、電子競(jìng)賽來挖掘新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。比如設(shè)計(jì)支持動(dòng)態(tài)調(diào)度、動(dòng)態(tài)分支預(yù)測(cè)等相關(guān)技術(shù)的處理機(jī)，并執(zhí)行相應(yīng)的測(cè)試指令等。（3）在實(shí)驗(yàn)管理上，嘗試了開放式實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行模式，從而充分利用實(shí)驗(yàn)室資源，同時(shí)吸收優(yōu)秀學(xué)生參與到創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的開發(fā)中來，使學(xué)生能真正通過實(shí)驗(yàn)得到認(rèn)知的升華。實(shí)驗(yàn)的設(shè)置使學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成和執(zhí)行過程有了更直觀的感受，極大地加深了對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解，取得了良好的教學(xué)效果。

3.考核模式改革?，F(xiàn)有的考核模式主要強(qiáng)調(diào)“評(píng)價(jià)”功能，忽視過程考核對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)作用，不利于學(xué)生“應(yīng)用能力”和“創(chuàng)新能力”的培養(yǎng)。為此采取了以下改進(jìn)措施：（1）采用多樣化的考核形式，考核成績(jī)由過程考核成績(jī)和期末考試成績(jī)共同組成，過程考核成績(jī)占大部分，包括出勤、課堂提問、作業(yè)、小測(cè)試、大作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、課堂討論、課堂講解等的考核，形成綜合全面的考核。（2）考核貫穿于整個(gè)教學(xué)過程，起到督促學(xué)生平時(shí)努力學(xué)習(xí)的作用;考核內(nèi)容主要圍繞課程核心知識(shí)，要有利于培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力、應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。（3）構(gòu)建課程在線測(cè)試和考核系統(tǒng)，提升考核效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)考核信息的透明化，以便于學(xué)生及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題和調(diào)整狀態(tài)，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)。

三、結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中存在的問題，我們從以上三個(gè)方面對(duì)課程教學(xué)進(jìn)行了改革嘗試，從學(xué)生的反饋來看，這門課不但傳授了計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識(shí)，更為重要的是課程將應(yīng)用、編程、系統(tǒng)軟硬件等層面的內(nèi)容貫穿起來，幫助學(xué)生建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體思維，取得了較好的教學(xué)效果。

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