王　華　徐　潔　王雁東　吳曉華

文章編號(hào)：1672-5913(2009)10-0015-03

摘要：本文主要介紹了我院在“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的教學(xué)實(shí)踐中進(jìn)行的改革措施，在分析了國內(nèi)外高校在該門課程的教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，引入先進(jìn)的教學(xué)理念，改革了教學(xué)模式中的教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容等多個(gè)方面。實(shí)踐證明，該模式的改革取得了預(yù)期的良好效果，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增加了學(xué)生的知識(shí)寬度和深度。

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

中圖分類號(hào)：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1引言

眾所周知，“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”(Computer Architecture)歷來是高校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)必修的主干專業(yè)基礎(chǔ)課程之一。通過對(duì)“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部工作原理以及在軟硬界面劃分的權(quán)衡策略，從而建立起計(jì)算機(jī)軟硬件整機(jī)的概念。由于該課程教學(xué)內(nèi)容覆蓋了“計(jì)算機(jī)組成原理”、“編譯系統(tǒng)”、“操作系統(tǒng)”、“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”、“數(shù)字邏輯”等計(jì)算機(jī)專業(yè)的重要課程，因此，國內(nèi)外著名高校對(duì)這門課程都非常重視。

為了使學(xué)生能夠真正將課本上的理論知識(shí)與實(shí)際的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)融會(huì)貫通，我們?cè)谠撜n程的教學(xué)模式上進(jìn)行了一系列的改革和嘗試。在此過程中，我們學(xué)習(xí)和借鑒了國內(nèi)外著名高校的有效經(jīng)驗(yàn)，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等多個(gè)方面進(jìn)行了調(diào)整，取得了良好的預(yù)期效果。

2引進(jìn)國內(nèi)外先進(jìn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)

2.1教學(xué)內(nèi)容及時(shí)更新

教學(xué)內(nèi)容的及時(shí)有效更新主要體現(xiàn)在國外著名高校的教學(xué)當(dāng)中。美國的麻省理工學(xué)院MIT(Massachusetts Institute of Technology)，卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)CMU(Carnegie Mellon University)，伊利諾伊大學(xué)厄巴納香檳分校UIUC(University of Illinois - Urbana-Champaign)，斯坦福大學(xué)(Stanford University)等著名大學(xué)每年都采用一本最新的最權(quán)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?cè)谶x擇更新教材的同時(shí)，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(xué)內(nèi)容的15%～20%。而這些更新的內(nèi)容并非完全由學(xué)生進(jìn)行課后消化，而是盡可能在課堂教學(xué)時(shí)抽出一定的比例進(jìn)行講解和介紹，并盡可能進(jìn)行實(shí)物講解或者模擬教學(xué)，從而加深了學(xué)生的理解，并提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

我們目前在教學(xué)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(xué)在“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”的教學(xué)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(shí)際”的狀況，主要原因在于新技術(shù)的發(fā)展速度與課程講授知識(shí)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?yàn)樵谟?jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究上，我們國家的發(fā)展遠(yuǎn)不如國外發(fā)展迅速，很多含有最新或者較新技術(shù)的教材或者教參還不能及時(shí)引入國內(nèi)，而這正是制約我們培養(yǎng)該領(lǐng)域技術(shù)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(xué)與實(shí)際發(fā)展之間的差距，實(shí)際上，教材教參的更新對(duì)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(xué)相長道理就在于此。

2.2課堂教學(xué)+自我調(diào)研的教學(xué)方法的運(yùn)用

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

在課堂教學(xué)中，我們主要解決基本的概念和理論。比如：通過學(xué)習(xí)了解精簡指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)(RISC)和復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)(CISC)的體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和區(qū)別；掌握RISC處理器的設(shè)計(jì)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(dǎo)下，學(xué)生通過互聯(lián)網(wǎng)自行搜集和整理當(dāng)前在某個(gè)子領(lǐng)域最新的發(fā)展動(dòng)向和最新產(chǎn)品的性能情況，并根據(jù)所學(xué)理論，進(jìn)行橫向和縱向的比較并得出自己的結(jié)論。最后形成一篇調(diào)研論文，并以平時(shí)成績或者是考試成績的一部分的形式進(jìn)行考核。

通過這種方式的學(xué)習(xí)，一方面鍛煉了學(xué)生自己動(dòng)手查找最新科技資料的能力，另一方面也彌補(bǔ)了課堂教學(xué)在內(nèi)容上的不足，同時(shí)還能增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的深入理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，可謂一舉多得。而老師也通過該課程的教學(xué)網(wǎng)站將自己的調(diào)研所得與學(xué)生進(jìn)行分享，學(xué)生的學(xué)習(xí)不僅僅局限于課堂，知識(shí)的獲取途徑增加了，知識(shí)的寬度和深度也增加了，學(xué)習(xí)質(zhì)量和效果也就提高了。實(shí)踐證明，這樣的教學(xué)形式完全可行并且十分高效。

2.3加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的力度

說到實(shí)踐教學(xué)，由于“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程具有抽象性、理論綜合性、概念性等固有特點(diǎn)，國內(nèi)在該課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)一直比較薄弱，很多高校甚至沒有開設(shè)相應(yīng)的實(shí)踐課程，僅僅將學(xué)習(xí)停留在理論的階段，學(xué)生的理解能力受到了限制，學(xué)生的動(dòng)手能力也沒有得到加強(qiáng)，這也是前述問題所產(chǎn)生的一個(gè)直接結(jié)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(yīng)的軟件仿真實(shí)驗(yàn)和硬件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，其內(nèi)容涵蓋了“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”軟硬界面的主要知識(shí)點(diǎn)。目前，我們的實(shí)踐環(huán)節(jié)主要還處于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的層次，實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和難度都與教學(xué)中多涉及的基礎(chǔ)理論和基本設(shè)計(jì)方法緊密掛鉤，與國外高校相比還缺少一系列系統(tǒng)性強(qiáng)、綜合性強(qiáng)的大型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，這對(duì)于培養(yǎng)高水平的軟硬設(shè)計(jì)人才是極為不利的。因此，我們?cè)谠撜n程教學(xué)改革的過程中，著重就開出大型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目方面開展了大量的工作，專門成立了實(shí)踐教學(xué)指導(dǎo)小組，將科研項(xiàng)目轉(zhuǎn)化成為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以及從電子設(shè)計(jì)競賽項(xiàng)目中挖掘出新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等，多形式多渠道地進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)改革。目前，我們正著重在計(jì)算機(jī)模擬和性能評(píng)測、系統(tǒng)芯片(System-on-a-Chip)設(shè)計(jì)等方向開發(fā)一些大型實(shí)踐項(xiàng)目(Project)，由于該類實(shí)驗(yàn)難度較大，受實(shí)驗(yàn)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)環(huán)境、器材等一些客觀條件的限制，到目前為止，該類實(shí)驗(yàn)剛剛進(jìn)入嘗試階段，將以課程設(shè)計(jì)的方式向一些有較強(qiáng)動(dòng)手能力和對(duì)該領(lǐng)域有很強(qiáng)興趣的學(xué)生開放。

我們不僅在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)時(shí)間上也做出了相應(yīng)的調(diào)整。為了提高學(xué)生的動(dòng)手能力，我們?cè)诓唤档驼n堂教學(xué)學(xué)時(shí)數(shù)的前提下，增加了實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的學(xué)時(shí)數(shù)，并且開始嘗試開放式實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行模式，實(shí)驗(yàn)室最大化地得到有效利用。我們還吸收優(yōu)秀學(xué)生參與到新實(shí)驗(yàn)的開發(fā)中來，使學(xué)生真正能通過實(shí)驗(yàn)得到認(rèn)知的升華。

3理清教學(xué)思路，明確學(xué)生學(xué)習(xí)重點(diǎn)

由于“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程內(nèi)容隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)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(shí)踐性較強(qiáng)，給這門課程的教學(xué)和學(xué)習(xí)帶來了一定的困難，學(xué)生很難將所學(xué)到的知識(shí)綜合應(yīng)用到具體的實(shí)際問題中去，因此，理清教學(xué)思路，明確學(xué)生學(xué)習(xí)重點(diǎn)是提高該門課程教學(xué)質(zhì)量的前提。

一直以來，“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”在內(nèi)容上與“計(jì)算機(jī)組成原理”、“微機(jī)原理與接口技術(shù)”等課程有一定的重疊，當(dāng)然，三者都屬于與硬件相關(guān)的計(jì)算機(jī)專業(yè)課程，之間有著很強(qiáng)的邏輯聯(lián)系，但是我們應(yīng)該仔細(xì)區(qū)分三者在在知識(shí)結(jié)構(gòu)和專業(yè)層次上的不同，把握好教學(xué)的重點(diǎn)，使學(xué)生真正從整機(jī)的層次上把握系統(tǒng)的構(gòu)建和各個(gè)部分的設(shè)計(jì)方法和原則。

我們都知道，“計(jì)算機(jī)組成原理”更多的是偏向硬件的整機(jī)，它系統(tǒng)地講解了計(jì)算機(jī)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(xué)生對(duì)硬件系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、開發(fā)和使用能力打下基礎(chǔ)。其前驅(qū)課程是數(shù)字邏輯、離散數(shù)學(xué)等。“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”和“微機(jī)原理與接口技術(shù)”是其后續(xù)課程。

而“微機(jī)原理與接口技術(shù)”是在學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)組成等基礎(chǔ)知識(shí)有了初步了解后，針對(duì)廣泛應(yīng)用的微型機(jī)軟硬件系統(tǒng)知識(shí)和技術(shù)進(jìn)行的更深入和系統(tǒng)的學(xué)習(xí)。通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)軟硬件知識(shí)的掌握達(dá)到系統(tǒng)級(jí)專業(yè)水平，并為后繼的計(jì)算機(jī)應(yīng)用課程(如計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)通信、計(jì)算機(jī)控制、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)等)的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因此，該課程在計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)科中起著承上啟下的作用。

總體上看，三門課程在教學(xué)層次上如圖1所示。

其中，“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程跨越了軟件和硬件兩個(gè)層次。而“計(jì)算機(jī)組成原理”和“微機(jī)原理與接口技術(shù)”主要講解硬件相關(guān)的設(shè)計(jì)和功能原理。美國普渡大學(xué)(Purdue University)計(jì)算機(jī)科學(xué)系資深教授科默(Douglas E. Comer)博士就曾經(jīng)在他的著作當(dāng)中指出了“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程是如何統(tǒng)一計(jì)算機(jī)軟硬件知識(shí)的：在許多計(jì)算機(jī)科學(xué)(Computer Science)的教學(xué)計(jì)劃中，“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”是惟一一門能讓學(xué)生接觸到與編程相關(guān)的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)方面的基本概念的課程。實(shí)際上，懂得硬件可以把程序構(gòu)造得更加高效、更少出錯(cuò)。從廣義上講，有了“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”方面的知識(shí)，程序員就能理解程序設(shè)計(jì)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?yàn)檫@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(jì)算機(jī)組成原理”與“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程在內(nèi)容上進(jìn)行整合，甚至有些高校在制定培養(yǎng)計(jì)劃時(shí)，沒有單獨(dú)區(qū)分兩門課程，而是進(jìn)行“二合一”，直接開設(shè)了“計(jì)算機(jī)組成和體系結(jié)構(gòu)”的課程。我們堅(jiān)持認(rèn)為，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程在知識(shí)層次上高于計(jì)算機(jī)組成原理，并且兩門課程本質(zhì)核心有著截然的不同，因此，我們堅(jiān)持獨(dú)立設(shè)課，以使學(xué)生從硬件和軟件的不同層次深入了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作。當(dāng)然，盡量減少之間重疊的部分是提高課時(shí)含金量的必要途徑。上述三門課程在教學(xué)內(nèi)容上的知識(shí)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(biāo)如表2所示。

4結(jié)束語

圍繞“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”所進(jìn)行的一系列改革經(jīng)過近兩年的實(shí)踐取得了很好的預(yù)期效果，學(xué)生不僅明晰了各門課程之間的關(guān)系，而且對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展也表現(xiàn)出了濃厚的興趣。在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生能夠很快進(jìn)入角色，掌握實(shí)驗(yàn)的主要目的和有針對(duì)性地進(jìn)行課前預(yù)習(xí)和準(zhǔn)備工作，極大提高了實(shí)驗(yàn)的效果。

隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展，隨著社會(huì)對(duì)于熟悉計(jì)算機(jī)軟硬雙重技術(shù)人才需求量的不斷擴(kuò)大，掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本原理、組成方式、關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計(jì)方法等方面的知識(shí)對(duì)于學(xué)生就業(yè)和深造等都具有越來越重要的現(xiàn)實(shí)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(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性、如何設(shè)計(jì)綜合性和趣味性相結(jié)合的大中型實(shí)驗(yàn)等，這些都需要我們不斷地在教學(xué)實(shí)踐中進(jìn)行探索和嘗試。

參考文獻(xiàn)：

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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