智能時代下計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的重構(gòu)與教學(xué)設(shè)計

摘 要：智能時代下信息技術(shù)的加速演化對計算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)的目標(biāo)和模式提出變革訴求。從計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程出發(fā)，總結(jié)建設(shè)過程中培養(yǎng)學(xué)生軟硬件協(xié)同的計算機(jī)系統(tǒng)能力的思路、舉措以及成效。對教學(xué)內(nèi)容和實踐項目進(jìn)行重構(gòu)，實現(xiàn)經(jīng)典體系結(jié)構(gòu)與智能系統(tǒng)的交叉融合、課程思政與教學(xué)內(nèi)容的深度融合，取得顯著的成效，推動計算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的內(nèi)容和形式變革。課程經(jīng)驗可被推廣至其他課程，以實現(xiàn)計算機(jī)專業(yè)課以及新工科課程的改造升級。

關(guān)鍵詞：智能時代；計算機(jī)系統(tǒng)能力；軟硬件協(xié)同；課程重構(gòu)；教學(xué)設(shè)計

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）35-0042-04

Abstract： In the era of intelligence， the accelerated evolution of information technology has put forward change to the goals and models of computer professional talent training. This paper takes the course Computer Architecture of Shanghai Jiao Tong University as an example to summarize the ideas， measures and effects of cultivating software and hardware collaborative system ability. Through reconstruction of teaching content and practical projects， the cross-integration of classical computer architecture and new intelligent systems， and the deep integration of ideological and political and teaching content have been realized， which achieved significant effects， and promoted the content and form of computer system ability training. The experience can be extended to other professional courses of computer science and emerging engineering education so as to realize the transformation and upgrading.

Keywords： the era of intelligence; computer system ability; software and hardware coordination; course reconstruction; instructional design

步入人機(jī)協(xié)同、跨界融合、共創(chuàng)分享的智能時代，新一輪科技革命與全球可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)正強(qiáng)化教育變革訴求[1]。教育部在《第二批新工科研究與實踐項目指南》[2]中指出，新工科課程建設(shè)要“面向人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，探索基于現(xiàn)有工科專業(yè)改造升級的新方向、新領(lǐng)域”，逐步形成新的課程體系。

計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)所具有的技術(shù)加速演化和計算系統(tǒng)形態(tài)多極等特性使得計算機(jī)專業(yè)教育必須適應(yīng)智能時代特征[3]，對計算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)定位與目標(biāo)提出了新的期望，尤其對自主創(chuàng)新設(shè)計面向新一代信息技術(shù)的計算系統(tǒng)、解決復(fù)雜工程問題的能力的培養(yǎng)提出了更高的要求[4]。計算機(jī)類專業(yè)人才需要具有比以往更多、更深入的系統(tǒng)級設(shè)計、實現(xiàn)和應(yīng)用能力[5]（簡稱“系統(tǒng)能力”）。

通過介紹計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學(xué)團(tuán)隊對課程內(nèi)容的重構(gòu)與擴(kuò)展、對知識體系的梳理與優(yōu)化，總結(jié)了智能時代下軟硬協(xié)同的系統(tǒng)能力培養(yǎng)的思路、舉措以及成效，以期對同類課程的教學(xué)改革提供參考。

一 課程特點以及面臨的挑戰(zhàn)

（一） 課程簡介

計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是面向計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生開設(shè)的專業(yè)核心必修課。作為一門選擇或設(shè)計功能部件及其互聯(lián)方法來滿足計算機(jī)系統(tǒng)的功能、性能、價格約束的科學(xué)與藝術(shù)[6]，課程內(nèi)容涉及計算機(jī)軟件與硬件之間的接口層。課程著重培養(yǎng)學(xué)生軟硬件協(xié)同的系統(tǒng)分析與設(shè)計能力，即根據(jù)算法需求設(shè)計硬件、根據(jù)硬件特點優(yōu)化軟件。智能時代下的計算機(jī)系統(tǒng)已演變?yōu)橛尚螒B(tài)多樣的CPU（中央處理器）、GPU（圖形處理單元）、DSA（領(lǐng)域?qū)Ｓ脝卧┑榷嗖考M成的超異構(gòu)并行系統(tǒng)，正如圖靈獎得主David Patterson指出[7]：“程序員必須將算法和硬件融會貫通，才能寫出高質(zhì)量的代碼。未來的程序員還必須懂硬件！”

隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和云計算等新一代信息技術(shù)呈加速度向經(jīng)濟(jì)社會各領(lǐng)域全面滲透融合，以及chatGPT為代表的生成式人工智能的爆發(fā)，新型計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及芯片算力正在成為發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力[8]的核心技術(shù)。系統(tǒng)能力將是發(fā)展人工智能技術(shù)的核心實力，也是解決卡脖子難題和進(jìn)行高端工程的關(guān)鍵能力。課程所屬領(lǐng)域在國家科技進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級上有重大戰(zhàn)略意義。

課程具有內(nèi)容廣、知識結(jié)構(gòu)變化快、實踐和創(chuàng)新要求高等特點。培養(yǎng)的人才需要擁有扎實的專業(yè)基礎(chǔ)和開闊的視野、創(chuàng)新性解決復(fù)雜工程問題的能力以及強(qiáng)烈的團(tuán)隊合作意識。

（二） 面臨的挑戰(zhàn)

通過調(diào)研、分析和反饋，當(dāng)前計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程建設(shè)所面臨的問題可總結(jié)如下。

1 系統(tǒng)思維難啟發(fā)

為了滿足人工智能、大數(shù)據(jù)處理在算力、存儲和節(jié)能等方面的需求，新型計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)和發(fā)展。課程知識結(jié)構(gòu)變化快、新概念和新技術(shù)多，學(xué)生往往會陷入到眾多知識碎片中，從而只見樹木不識森林，辯證發(fā)展觀以及系統(tǒng)性思維難以啟發(fā)。

2 軟硬協(xié)同待引導(dǎo)

學(xué)生對人工智能技術(shù)的興趣浮于表面。大部分學(xué)生誤認(rèn)為本課程僅是一門硬件技術(shù)原理課，而將學(xué)習(xí)熱情投入到流行的人工智能模型和算法中，卻忽略了模型和算法的性能與硬件結(jié)構(gòu)之間的密切聯(lián)系，軟硬件協(xié)同的意識和能力急需引導(dǎo)和培養(yǎng)。

3 實踐深度難協(xié)調(diào)

智能時代計算機(jī)系統(tǒng)規(guī)模不一、形態(tài)多樣，實踐環(huán)境復(fù)雜。學(xué)生的編程和系統(tǒng)開發(fā)能力卻參差不齊，部分學(xué)生有畏難情緒，另一部分學(xué)生因起步早相較能輕松應(yīng)對，導(dǎo)致課程實踐所能達(dá)到的深度難以協(xié)調(diào)、高度難以統(tǒng)一。

二 課程的教學(xué)創(chuàng)新思路

（一） 教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)：以新促思，交叉整合

為了順利地從現(xiàn)有的系統(tǒng)能力培養(yǎng)模式平滑過渡，并保證各計算機(jī)專業(yè)核心課程之間內(nèi)容的銜接順暢，不同于依據(jù)新型應(yīng)用領(lǐng)域特點開設(shè)新課程[9]的模式，作為計算機(jī)專業(yè)的傳統(tǒng)核心課程，教學(xué)團(tuán)隊在已有優(yōu)秀教材和豐富教學(xué)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，依據(jù)智能時代的發(fā)展需求對課程的知識結(jié)構(gòu)進(jìn)行有機(jī)組合與重構(gòu)。適度壓縮過細(xì)的知識點，將機(jī)理穩(wěn)定的“要素”即經(jīng)典理論以慕課的形式呈現(xiàn)；總結(jié)當(dāng)前人工智能各個子領(lǐng)域?qū)τ嬎阆到y(tǒng)的共性需求和關(guān)鍵技術(shù)，以人工智能應(yīng)用的需求為導(dǎo)向、性能優(yōu)化為目標(biāo)，通過交叉對比將經(jīng)典與新知識有機(jī)融合。

例如，在“數(shù)據(jù)編碼和表示”章節(jié)，經(jīng)典教學(xué)內(nèi)容為浮點數(shù)標(biāo)準(zhǔn)編碼格式，而智能計算系統(tǒng)為了優(yōu)化推理性能往往會降低精度使用低位寬數(shù)據(jù)。在教學(xué)設(shè)計中將基礎(chǔ)知識與應(yīng)用需求進(jìn)行融會式交叉對比教學(xué)（表1），保證在打下扎實基本功的同時強(qiáng)化對新型體系結(jié)構(gòu)的理解，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生以辯證發(fā)展的思維方式整合知識結(jié)構(gòu)，把握計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變遷和發(fā)展，培養(yǎng)歷史觀[10]和系統(tǒng)觀[11]。

表1 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)經(jīng)典內(nèi)容與新知識點的交叉對比教學(xué)

（二） 實踐內(nèi)容重組：以智提質(zhì)，應(yīng)用驅(qū)動

為了培養(yǎng)軟硬協(xié)同的系統(tǒng)設(shè)計與分析能力，實踐內(nèi)容劃分為系統(tǒng)調(diào)優(yōu)和綜合實踐兩個模塊（圖1）。系統(tǒng)調(diào)優(yōu)模塊安排在4—11教學(xué)周，綜合實踐模塊被安排在第12—15教學(xué)周。在系統(tǒng)調(diào)優(yōu)模塊，學(xué)生獨立完成4個實踐型編程作業(yè)，圍繞人工智能算法的核心模塊“矩陣乘法”展開，利用各章所學(xué)的知識點基于硬件體系結(jié)構(gòu)的特點優(yōu)化算法的性能；隨著實踐的深入，矩陣運算的性能從提升幾倍到提升幾千倍，該問題的軟硬協(xié)同性能優(yōu)化貫穿整個教學(xué)過程。在綜合實踐模塊，小組合作將矩陣乘法性能優(yōu)化的綜合解決方案運用于真實場景，如圖像識別、大模型推理等等。循序漸進(jìn)地實施以上結(jié)構(gòu)化組織的實踐內(nèi)容，有助于提升學(xué)生的綜合問題求解能力，豐富計算機(jī)系統(tǒng)能力[12]培養(yǎng)的內(nèi)涵。

圖1 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程實踐模塊的層次遞進(jìn)關(guān)系

在完成教學(xué)階段后，鼓勵開展個性化創(chuàng)新實踐項目或者參加與課程內(nèi)容關(guān)聯(lián)的學(xué)科競賽。教學(xué)團(tuán)隊提供往屆項目庫、賽題庫和文獻(xiàn)庫作為參考，為學(xué)生提供創(chuàng)新思路。學(xué)生按興趣和特長組隊，合作完成調(diào)研選題、方案制定、實驗設(shè)計與實施和結(jié)果分析等工作。從而培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力和突破核心難題的務(wù)實精神。

（三） 多樣化活動：進(jìn)階挑戰(zhàn)，課內(nèi)外聯(lián)動

布魯姆理論[13]將教學(xué)目標(biāo)的認(rèn)知維度分為具有層次梯度的6類：記憶、理解、應(yīng)用、分析、評價、創(chuàng)造。細(xì)化教學(xué)目標(biāo)有利于教師設(shè)計教學(xué)過程、安排教學(xué)活動和設(shè)計教學(xué)評價。教學(xué)團(tuán)隊基于布魯姆認(rèn)知目標(biāo)分類法，在教學(xué)全周期過程中創(chuàng)設(shè)了6個進(jìn)階式教學(xué)活動（表2），化被動學(xué)習(xí)為主動挑戰(zhàn)。在“記憶”階段，通過錯題討論強(qiáng)化學(xué)生對重要知識點的掌握；在“理解”階段，師生合作整理思維導(dǎo)圖以理解各層級概念，并通過繪制可視化的知識圖譜等方式整理跨章節(jié)單元的知識點之間的邏輯關(guān)系以及新知識點與經(jīng)典理論之間的辯證關(guān)系；在“應(yīng)用”階段，通過在課堂上的編程實踐和程序性能優(yōu)化比賽等活動，培養(yǎng)軟硬件協(xié)同的系統(tǒng)設(shè)計能力，同時促進(jìn)了課堂交流、課后的線上以及線下交流；在“分析”階段，討論程序運行結(jié)果，結(jié)合量化評估模型找出性能瓶頸，培養(yǎng)分析、歸納與總結(jié)能力；在“評價”階段，課前整理資料比較產(chǎn)業(yè)和技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，例如比較不同指令集（ARM、RISC-V）和處理器結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點、比較不同人工智能專用體系結(jié)構(gòu)（Tensor Core、昇騰等）、閱讀前沿論文并形成觀點，在課上進(jìn)行分享與展示，進(jìn)而培養(yǎng)批判性思維和表達(dá)能力；在“創(chuàng)造”階段，基于緩存替換等算法，根據(jù)新型應(yīng)用的特點進(jìn)行調(diào)整和重新設(shè)計，以培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力以及創(chuàng)新思維。

表2 基于布魯姆認(rèn)知目標(biāo)分類法開展的課堂教學(xué)活動

為了促進(jìn)在線課堂、實體課堂、實踐課堂之間的快速聯(lián)動，教學(xué)團(tuán)隊整理項目案例、更新慕課和實驗指導(dǎo)書，不斷充實視頻庫、項目庫和文獻(xiàn)庫以保證教學(xué)和實踐資源的持續(xù)迭代。學(xué)生利用線上資源自主建構(gòu)學(xué)習(xí)路徑，與同伴交流沉浸于教學(xué)情境中，在體驗自我和觀察同伴學(xué)習(xí)認(rèn)知的過程中組建 “自主建構(gòu)、反思反饋、互促共進(jìn)”的學(xué)習(xí)實踐共同體，收獲自我驅(qū)動的學(xué)習(xí)體驗，培養(yǎng)可持續(xù)競爭力[14]。

（四） 多維度思政：思政元素融入教學(xué)案例

教學(xué)團(tuán)隊整理了國家民族、社會責(zé)任和科學(xué)精神等多維度的與時代發(fā)展緊密相連的思政資源（表3）。借助案例教學(xué)法，介紹國產(chǎn)處理器、存儲器、人工智能芯片的發(fā)展歷程和最新進(jìn)展，將社會主義核心價值觀、家國情懷、社會責(zé)任、科研倫理和工匠精神等相關(guān)德育元素融入教學(xué)全過程。

課程還與華為公司共建智能基座課程，將教學(xué)與思政建設(shè)深度融合。教學(xué)過程中對急需自主掌握的核心技術(shù)展開學(xué)習(xí)和調(diào)研，鼓勵學(xué)生正視與發(fā)達(dá)國家壁壘技術(shù)之間的差距，培養(yǎng)擔(dān)當(dāng)時代責(zé)任、挑戰(zhàn)壟斷的勇氣。

表3 多維度思政元素與教學(xué)案例相融合的實例

（五） 多方位支持：在線資源、超算環(huán)境：

自建慕課提供的在線資源包括：超過700分鐘的69個教學(xué)視頻、66個參考文檔、50個開放式討論題、90道測驗題及一套期末考題，覆蓋核心知識點。還建設(shè)了項目庫、文獻(xiàn)庫、案例庫和實驗指導(dǎo)手冊等資源用于開展多樣化的混合式教學(xué)。為了支持順利開展實踐，提供虛實結(jié)合的實踐環(huán)境，既有軟件模擬仿真，也有真實硬件支撐。模擬和仿真軟件幫助有畏難情緒的學(xué)生順利起步實踐；利用全國高校算力排名第一的校超算中心為每個班級提供了人均200機(jī)時的計算資源。AI計算集群峰值算力高達(dá)6千萬億次浮點運算，采用先進(jìn)的溫水水冷技術(shù)進(jìn)行能量循環(huán)回收利用，為課程教學(xué)提供頂尖的計算資源和創(chuàng)新實踐環(huán)境。

三 課程內(nèi)容重構(gòu)成果與教學(xué)成效

（一） 問題解決情況

1 系統(tǒng)思維啟發(fā)

通過內(nèi)容重構(gòu)以及教學(xué)模式提升，課程實現(xiàn)了計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)經(jīng)典理論與智能計算系統(tǒng)、前沿理論的有機(jī)融合。學(xué)生不再滿足于作業(yè)和考試，而是歸納應(yīng)用領(lǐng)域特點，軟硬協(xié)同挖掘架構(gòu)性能。向后總結(jié)計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史，向前擁抱智能計算系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等新技術(shù)新趨勢，保持持續(xù)競爭力和應(yīng)變發(fā)展能力。解決了“深陷局部”問題，達(dá)到了“綜覽全局”的效果。教改班學(xué)生的學(xué)習(xí)成績2022—2024年穩(wěn)步提升，期末考試平均分從77分上升到86分。與同期的其他平行班比較，教改班的期末平均成績均分更高、對計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)知識的系統(tǒng)性掌握更優(yōu)秀。

2 軟硬協(xié)同引導(dǎo)

課程以智能應(yīng)用為牽引，從算法、編程、結(jié)構(gòu)層次自上而下貫穿軟硬件技術(shù)全棧，抑制“重應(yīng)用、輕系統(tǒng)”風(fēng)氣的滋長，培養(yǎng)軟硬件協(xié)同的解決復(fù)雜工程問題的能力。課程改革后學(xué)生參與實踐的熱情與積極性顯著提高，實踐型大作業(yè)完成率100%，完成質(zhì)量逐年提高，學(xué)生對實踐內(nèi)容的滿意度從82%上升到91%。對實踐類作業(yè)的評價為“形式很新穎，讓同學(xué)們能融會貫通所學(xué)的知識，確實地應(yīng)用到實際當(dāng)中”。

3 實踐深度挖掘

通過多維度改革，強(qiáng)化了課程的實用性和前沿性。從進(jìn)階式活動到參與個性化創(chuàng)新項目，激發(fā)了學(xué)生投身科研的熱情，最近一個班級自愿參與課外拓展型創(chuàng)新項目和學(xué)科競賽的學(xué)生占班級總?cè)藬?shù)的95%。近年來學(xué)生通過課程項目延展在計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域會議或期刊上發(fā)表多篇論文，并獲全國大學(xué)生超級計算機(jī)競賽等多個獎項。

（二） 課程教學(xué)評價

通過更新教學(xué)內(nèi)容以及優(yōu)化教學(xué)方法，學(xué)生參與課堂、主動思考的熱情和積極性顯著提高，線上討論組發(fā)帖數(shù)從平均每學(xué)期517次提升至1 639次。課堂活躍度明顯提升，50%以上的課堂時間被學(xué)生討論和師生互動占據(jù)。學(xué)生在評價中寫道：“課程內(nèi)容豐富質(zhì)量高，理論和實踐結(jié)合”“教師授課富有激情，與學(xué)生互動多，課程很有意思”“收獲遠(yuǎn)超預(yù)期！不僅收獲了知識，更收獲了如何進(jìn)行有效的團(tuán)隊合作以及如何將結(jié)果展示給大家”等等。此外，課程還獲得了良好的同行評價，建設(shè)的中國大學(xué)MOOC慕課計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)獲評國家級一流本科課程。

四 結(jié)束語

本文總結(jié)了計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程在智能時代下培養(yǎng)軟硬協(xié)同的計算機(jī)系統(tǒng)能力的思路、舉措以及成效。課程的教學(xué)改革與創(chuàng)新經(jīng)驗可總結(jié)如下：重構(gòu)課程內(nèi)容，以交叉對比的方式將經(jīng)典理論和新知識有機(jī)融合并優(yōu)化課程知識結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性；重組實踐內(nèi)容，圍繞一個典型案例，循序漸進(jìn)地達(dá)到實踐目標(biāo)，聚焦真實系統(tǒng)的應(yīng)用，提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的綜合能力和軟硬件協(xié)同的系統(tǒng)能力；進(jìn)階式挑戰(zhàn)，實施多樣化的教學(xué)活動，通過創(chuàng)設(shè)在線課堂、實體課堂、實踐課堂“三堂聯(lián)動”的混合式教學(xué)環(huán)境，構(gòu)建學(xué)習(xí)與實踐共同體，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性；多維度思政資源和教學(xué)資源，實現(xiàn)了思想教育與知識傳授的目標(biāo)統(tǒng)一。目前，上述創(chuàng)新舉措已經(jīng)取得了顯著的成效，并成功推廣至其他專業(yè)課程，為正在與人工智能技術(shù)融合的新工科專業(yè)課程改造升級的新理念、新方向、逐步形成新的課程體系提供了經(jīng)驗和思路。

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