計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)教學(xué)改革與實(shí)踐

宋鑫 張瑜 伊開

[摘 要] 近年來，河北大學(xué)以參加“龍芯杯”全國大學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)大賽為契機(jī)，開展面向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的教學(xué)改革與實(shí)踐。通過分析教學(xué)改革現(xiàn)狀，提出了以競賽倒逼教學(xué)的改革思路，探討了以競賽倒逼教學(xué)的改革實(shí)踐：在教學(xué)內(nèi)容組織上分析比賽要求，建立覆蓋比賽知識(shí)結(jié)構(gòu)的授課內(nèi)容;在實(shí)踐教學(xué)上設(shè)計(jì)評(píng)分便捷的分層次實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，貫徹“軟硬件全棧貫通”的思路;在考核方式上不局限于理論考試，引導(dǎo)學(xué)生把理論運(yùn)用于實(shí)踐。學(xué)生考核成績、參加大賽表現(xiàn)等方面表明，教改活動(dòng)具有顯著的效果。

[關(guān)鍵詞] 以賽促學(xué);系統(tǒng)能力培養(yǎng);軟硬件貫通;計(jì)算機(jī)組成;計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)

[基金項(xiàng)目] 2018年度河北省高等教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目“面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)課程改革與實(shí)踐”（2018GJJG014）

[作者簡介] 宋 鑫（1980—），男，河北石家莊人，博士，河北大學(xué)網(wǎng)絡(luò)空間安全與計(jì)算機(jī)學(xué)院講師，主要從事信息檢索、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究;張 瑜（1982—），女，河北石家莊人，工學(xué)碩士，河北大學(xué)數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院講師，主要從事個(gè)性化推薦、大數(shù)據(jù)研究;伊 開（1965—），男，河北保定人，工學(xué)學(xué)士，河北大學(xué)網(wǎng)絡(luò)空間安全與計(jì)算機(jī)學(xué)院高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究。

[中圖分類號(hào)] TP391.1? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2021）19-0067-04? ?[收稿日期] 2020-12-14

一、引言

計(jì)算機(jī)專業(yè)培養(yǎng)的人才首先是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者，每一代計(jì)算技術(shù)的發(fā)展都是以底層計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的進(jìn)步為核心的。近年來，人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、云計(jì)算等技術(shù)飛速發(fā)展，這些技術(shù)的發(fā)展是以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展為基礎(chǔ)的。如果僅僅側(cè)重學(xué)習(xí)高層的算法和應(yīng)用，是無本之木、無源之水。例如，谷歌有世界上最大的人工智能團(tuán)隊(duì)，但是團(tuán)隊(duì)核心人員是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)科學(xué)家或者研究者;圖計(jì)算是大數(shù)據(jù)處理的熱點(diǎn)問題，構(gòu)建高時(shí)效的圖計(jì)算處理體系結(jié)構(gòu)需要異構(gòu)混合的內(nèi)存架構(gòu)和高能效比的圖計(jì)算加速器。這些新技術(shù)對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)提出了更高的要求。近年來中興、華為的芯片危機(jī)，使我國計(jì)算機(jī)界迫切需要培養(yǎng)底層軟硬件技術(shù)人才，只有培養(yǎng)出具備較強(qiáng)“系統(tǒng)能力”的計(jì)算機(jī)專業(yè)人才，才能為我國計(jì)算機(jī)新技術(shù)和國家各行各業(yè)發(fā)展做好支撐。

教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)自2017年開始每年舉辦一次“龍芯杯”全國大學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)大賽（以下簡稱“比賽”）。我校自2017年起連續(xù)四年參加了比賽。2018年、2019年、2020年均有隊(duì)伍進(jìn)入決賽并獲得三等獎(jiǎng)。通過參賽我校在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)方面開展了“以競賽倒逼教學(xué)”的模式，取得了顯著的教學(xué)效果。

二、教學(xué)改革現(xiàn)狀

2013年，教育部計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)系統(tǒng)研究組分析了計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)，介紹系統(tǒng)能力的主要內(nèi)涵及培養(yǎng)需求，闡述系統(tǒng)能力培養(yǎng)和課程體系設(shè)置的總體思路[1]。

系統(tǒng)能力培養(yǎng)活動(dòng)早期，主要是探索思路。清華大學(xué)較早開設(shè)了“計(jì)算機(jī)組成與操作系統(tǒng)”課程的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生在自己設(shè)計(jì)的CPU上運(yùn)行自己設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)[2]。北京航空航天大學(xué)提出“以課程群為中心”的建設(shè)模式，介紹了一種新穎的教學(xué)方法——工程化綜合方法，旨在指導(dǎo)學(xué)生開發(fā)具有足夠規(guī)模的系統(tǒng)[3]。北京航空航天大學(xué)還提出啟發(fā)式教學(xué)的思路，這是一種從整體功能推進(jìn)到局部組成，從微觀實(shí)現(xiàn)抽象到宏觀結(jié)構(gòu)的層次化教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)模式，探討了“計(jì)算機(jī)組成原理”教學(xué)與學(xué)生能力培養(yǎng)之間的關(guān)系，探索并實(shí)踐了一種研究性的教學(xué)方法[4]。這兩所學(xué)校提出的改革方案可以很好地鍛煉學(xué)生獨(dú)立思考和解決工程問題的能力，但是實(shí)驗(yàn)難度較大，普通院校的學(xué)生難以完成。南京大學(xué)提出了立足“現(xiàn)代”，強(qiáng)調(diào)“系統(tǒng)”，注重“設(shè)計(jì)能力”的教學(xué)理念[5]。此外，南京大學(xué)還提出了課程群建設(shè)的思路[6]。在實(shí)踐教學(xué)上，東南大學(xué)提出了虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)設(shè)備為特點(diǎn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)踐平臺(tái)的框架[7]。華中科技大學(xué)、東南大學(xué)等院校構(gòu)建了豐富的MOOC資源。這些在系統(tǒng)能力培養(yǎng)方面的理念和實(shí)踐，為國內(nèi)高校計(jì)算機(jī)專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)工作提供了很好的借鑒。

三、以競賽倒逼教學(xué)的改革思路

結(jié)合我校生源、師資、課程設(shè)置和實(shí)驗(yàn)條件，確定了教學(xué)改革的思路：通過比賽要求倒逼教學(xué)內(nèi)容，重新組織教學(xué)內(nèi)容;使學(xué)生具備基本的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)能力。以“數(shù)字邏輯和硬件描述語言”課程為基礎(chǔ)，以自主設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)單周期CPU為核心，利用現(xiàn)有的編譯工具編譯簡單應(yīng)用，在自主實(shí)現(xiàn)的CPU上運(yùn)行簡單應(yīng)用。相應(yīng)的課程群包括“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”“硬件描述語言”“計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)”四門課程。具體的教改目標(biāo)如下：（1）建立覆蓋比賽知識(shí)結(jié)構(gòu)的教學(xué)體系。參考比賽對(duì)軟硬件知識(shí)體系的需求，組建系統(tǒng)能力培養(yǎng)課組，明確課程任務(wù)和邊界，理順課程間知識(shí)點(diǎn)銜接，使教學(xué)內(nèi)容能夠覆蓋比賽要求。（2）建立軟硬件貫通的實(shí)踐體系。采用Logisim方式和硬件描述語言方式并行的思路，前者的學(xué)習(xí)可以使學(xué)生掌握傳統(tǒng)電路設(shè)計(jì)方式，后者的學(xué)習(xí)可以使學(xué)生掌握現(xiàn)代的電路設(shè)計(jì)方式。兩條線都經(jīng)過硬件、軟件和應(yīng)用三個(gè)階段，在思路和實(shí)踐上形成了對(duì)比，培養(yǎng)了學(xué)生的系統(tǒng)能力。（3）建立清晰高效的量化評(píng)分體系。針對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)檢查難、評(píng)分難的問題，建立硬件設(shè)計(jì)評(píng)分項(xiàng)目、指令執(zhí)行能力評(píng)分項(xiàng)目，使學(xué)生和教師都可以快速評(píng)價(jià)實(shí)踐效果。

四、以競賽倒逼教學(xué)的改革實(shí)踐

以競賽為抓手，培養(yǎng)組織系統(tǒng)能力，結(jié)合課程群各門課程的教學(xué)內(nèi)容，吸取競賽中實(shí)踐性較強(qiáng)的內(nèi)容，在保證知識(shí)體系系統(tǒng)性的前提下，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行剪裁或增加。

（一）教學(xué)內(nèi)容組織

通過參加比賽倒推出平時(shí)教學(xué)內(nèi)容的不足，補(bǔ)充實(shí)踐性強(qiáng)的知識(shí)，加強(qiáng)理論教學(xué)和實(shí)踐的聯(lián)系。