計算機體系結構層疊式教學模式研究

張元鳴，雷艷靜，高 飛，肖 剛

（浙江工業(yè)大學 計算機科學與技術學院，浙江 杭州 310023）

0 引 言

計算機體系結構是高等院校計算機科學與技術專業(yè)本科生一門重要的專業(yè)主干課程，能夠有機地結合計算機組成原理、操作系統(tǒng)、編譯原理、匯編語言等課程的軟、硬件知識，幫助學生建立計算機系統(tǒng)的完整概念，提高學生從系統(tǒng)結構角度設計、分析和量化評價計算機系統(tǒng)的能力。

經過較長期的教學實踐發(fā)現(xiàn)，以理論授課為主的教學模式存在以下幾個主要問題。

（1）教學內容枯燥，學生學習積極性不高。由于計算機體系結構的概念和原理較多，內容抽象，學生感覺課程內容枯燥難學，學習的積極性不高[1-2]。

（2）教材內容更新緩慢，教學與實際應用脫節(jié)。計算機體系結構發(fā)展迅速，新的技術和成果不斷涌現(xiàn)，而這些課程在現(xiàn)有的教學模式下較難引入課堂，使得授課內容與當前研究熱點和實際應用相脫節(jié)，不利于學生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)[3-4]。

（3）傳統(tǒng)的教學模式束縛學生的主動性和創(chuàng)造性。傳統(tǒng)的教學模式使得學生在整個教學過程中始終處于被動地位，跟著教師的思路，按照教材的內容按部就班地學習，不利于創(chuàng)新思維和實踐能力的培養(yǎng)。

為了克服以理論授課為主的計算機體系結構教學模式的缺陷，可以采用理論授課與專題研究相結合的層疊式教學模式，秉承教學“既重視傳授理論知識，又要重視培養(yǎng)能力的理念”，在教師的引導下，以類似科學研究的方式獲取知識并尋求解決問題的思路，讓學生在掌握知識內容的同時，培養(yǎng)學生探尋新知識的能力，增強創(chuàng)新意識和綜合能力。

1 層疊式教學模式的內涵

層疊式教學模式是一種將理論授課和專題研究相結合的教學模式，理論授課側重于核心知識講述，以學習經典的原理與關鍵技術為主；專題研究則側重于當前的研究熱點，以學習最新的研究成果為主，其中理論授課是基礎，專題研究是授課內容的拓展和深入，兩個教學環(huán)節(jié)相互補充、交叉進行，以迭代的方式逐步展開。層疊式教學模式的示意圖如圖1所示。

圖1 層疊式教學模式示意圖

理論授課主要圍繞課程的基本概念、基本原理和關鍵技術進行教學，授課內容是經過教師認真思考，從教材以及相關資料中選取的重要內容，具有針對性和典型性，避免面面俱到，如計算機體系結構需要突出定量原理、指令集設計、指令級并行技術、層次結構存儲器和Cache優(yōu)化、多處理器架構等內容，這些內容涵蓋課程的主要內容。

專題研究圍繞若干專題由學生自主學習和研究，通過查閱一定數(shù)量的文獻，對最新的研究成果消化吸收，理解其研究的背景、解決的科學問題，采用的基本思想和技術，取得的實際效果[5-6]。在總結文獻的基礎上，撰寫專題報告并在課堂上宣講和討論。

專題研究的題目由教師根據當前本領域的研究熱點以及教師研究課題設置，這樣做主要基于以下幾個考慮。

（1）體現(xiàn)教師的主導作用。教師清楚目前該領域的最新研究進展和成果，避免學生自主選題的盲目性，提高選題的質量。

（2）保證理論授課與專題內容的一致性和互補性。專題研究是對理論授課的進一步拓展，避免內容過于分散、不夠深入。

（3）促使教師了解本領域最新研究成果，不僅要吃透教材，而且需要了解計算機體系結構的最新發(fā)展現(xiàn)狀[7]。

（4）使專題研討更深入、更具體。教師設置專題，使得其對學生的研究結果有一定的預期，可以在討論階段對專題內容進行引導和點評。

專題研究是在已掌握本課程基本理論之后的一個再學習過程，要求學生能夠發(fā)揮主觀能動性，積極地收集、分析、歸納、整理該專題范圍內的學術資料，理解專題內容，注重獲取知識的過程。在宣講階段將所學內容介紹給大家，這對學生的要求較高，因為只有對所研究的專題有較為深入的理解，才能夠將學到的知識講清楚、讓別人理解。

理論授課、專題研究和教學目標的關系如圖2所示，理論授課側重傳授知識，專題研究側重培養(yǎng)能力，這兩個教學環(huán)節(jié)密切相關、互為補充，共同確保教學目標的實現(xiàn)。該模式既強調傳授知識，又強調培養(yǎng)能力，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下3方面。

圖2 理論授課、專題研究和教學目標的關系

（1）理論授課和專題研究是有機的統(tǒng)一體，可相互補充。理論授課突出授課的重點，而專題研究則是授課內容的進一步拓展和深入。

（2）及時將最新研究成果引入教學課堂，保證教學內容與最新研究進展的同步，同時達到傳授知識和培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識的目的。

（3）充分發(fā)揮教師的主導作用和學生的主觀能動性，避免單一教學模式帶來的局限性，實現(xiàn)“教”與“學”的相互促進和統(tǒng)一。

該教學模式較為適合專業(yè)課和專業(yè)基礎課的教學，因為這些課程一般面向某一專業(yè)領域，授課內容也與最新的研究進展密切相關。

2 層疊式教學模式的實施過程

層疊式教學模式包括兩個教學環(huán)節(jié)：一是理論教學，包括選取教學重點、講授經典理論、設置專題內容3個階段，以教師為主導和以學生為主體，屬于課內學習；二是專題研究，包括查閱文獻資料、整理撰寫報告、專題演講討論3個階段，以學生為主導和以學生為主體，屬于課外學習和課內研討相結合。該教學模式的實施過程如圖3所示。

2.1 理論教學內容選取

選取理論教學內容之前，先要對與本課程緊密相關的課程有一個較為深入系統(tǒng)的研究，吃透課程間的關聯(lián)關系[7]。計算機系統(tǒng)結構課程教學內容的選取可緊緊圍繞設計“高性能、低成本、低功耗”的計算機系統(tǒng)組織，避免與計算機組成、操作系統(tǒng)等課程內容的重疊，同時遵循以下3個原則。

（1）著重選取經典的思想和理論。經典的思想和理論代表著計算機體系結構最基礎、最核心的內容，對設計和理解計算機體系結構具有無可替代的作用。

圖3 層疊式教學模式實施過程

（2）選取具有系統(tǒng)性和典型性的教學內容。選取的內容應該是計算機體系結構經典的技術，具有良好的啟發(fā)性和代表性，而且能夠自成體系。

（3）強調量化的分析方法。高性能是計算機系統(tǒng)設計的目標，而量化分析計算機性能是評價一種技術是否有效的基本手段。

以浙江工業(yè)大學計算機體系結構課程的授課內容為例，該課程的總學時為32學時，其中24學時為理論授課，8學時為專題研究。表1為按知識模塊劃分的理論授課的主要教學內容[8]，根據實際的教學時數(shù)，可對教學內容作適當擴充或刪減。

表1 計算機體系結構理論授課內容

2.2 專題研究內容設置

專題研究的目的是通過對某一專題的探索和學習，學生能掌握科學研究的基本方法，包括解決的問題、基本思想、關鍵技術以及最終的效果。一般地，設置的專題應該符合以下幾個原則。

（1）專題內容與授課內容緊密相關。開設的專題應該是理論教學的深入和拓展，與理論教學具有良好的銜接性和內在的關聯(lián)性。

（2）專題內容具有新穎性。最新的研究成果是理論授課的必要補充，專題應該具有新穎性，能夠代表該領域的最新研究進展。

（3）專題內容難度適宜。學生通過努力能夠獨立完成所設定的專題，而難度太大的專題內容會影響學生的積極性。

表2為教學中采用的部分專題內容，與表1的知識模塊相對應，每個知識模塊根據學生授課人數(shù)、學時要求以及實際情況可以設置1～3個專題。

為了能夠組織好“專題研究”教學，可由學生自由組合成研究學習小組（3～5人），在選定的主題下，查閱相關資料，開展自主學習和研究，撰寫報告，然后在課堂上宣講；可鼓勵學生使用英文，報告時間是10～15 min，之后要求其他同學進行深入討論，以便充分交流和思想碰撞，同時教師對專題涉及的重點內容做好引導和解釋。

表2 計算機體系結構專題研究內容

2.3 成績考核方法

在該教學模式下，總成績考核需要充分反映教學過程中的各主要階段，包括理論授課、報告質量、報告宣講、課堂討論等方面，每個部分的成績占適當?shù)谋壤?，最后計算出總成績，成績考核方法如下?/p>

總成績=考試成績×X1+報告成績×X2+宣講成績×X3+課堂討論成績×X4

其中，參數(shù)列表（X1,X2,X3,X4）分別是（0.4,0.3,0.2,0.1），這些參數(shù)值可根據實際情況進行調整。

3 教學實踐效果

截至2018年，我們在5屆計算機科學與技術專業(yè)的計算機體系結構課程中采用層疊式教學模式，課堂教學突出教學的重點和難點，專題研究突出最新研究成果和實際應用，教學效果明顯提升。計算機體系結構中較為抽象的理論、公式和原理能夠在專題研究中得到進一步學習，加深學生對相關原理的理解，如計算機的CPU性能公式在諸多文獻中被用來量化評價計算機的性能。此外，學生也進一步理解學術界和業(yè)界之前通過提升主頻提高計算機性能，而目前通過多核技術提升計算機性能。

專題的設置能充分調動學生的積極性和主動性，如通過設置計算機指令集專題，學生能夠主動地弄清楚各類計算機上采用的計算機指令集，并分析Intel指令集、AMD指令集和MIPS指令集的發(fā)展脈絡和各自優(yōu)勢，理解指令集在CPU設計中的重要地位。

該模式能夠提高學生的文獻查閱能力、文獻閱讀能力、報告撰寫能力、PPT制作能力、宣講能力和團隊能力，進一步培養(yǎng)學生的研究能力。每個專題的相關資料（文獻資料、專題報告和PPT）可上傳到公共的云服務平臺上，供感興趣的學生和教師下載和學習，如利用新秀科教平臺分享相關專題報告資料。

從學生對課程的滿意度調查看（結果來自學校匿名學評教），學生對本課程的滿意度非常高，每年的學評教成績都在98分以上，表明該教學模式具有一定的優(yōu)勢，能夠顯著提高本課程的教學質量和學習效果。

4 結 語

基于理論授課和專題研究相結合的層疊式教學模式，能夠有效實現(xiàn)傳授知識與培養(yǎng)能力并重的目的，實踐證明該模式在高校計算機體系結構的教學中能夠提高教學效果，對其他專業(yè)課和專業(yè)基礎課的教學具有一定的借鑒意義。