面向創新實踐的“計算機系統結構”教學改革探索

楊　軍　蔣慕蓉　武　浩

文章編號：1672-5913(2009)08-0032-03

摘要：本文通過介紹我系“計算機系統結構”的課程教學，闡述了在創新教育和素質教育中計算機專業實驗教學改革的一條途徑。提出了實驗教學要面向設計并著重掌握設計方法、要按不同要求分層次將驗證性實驗向綜合與創新設計轉變的觀點，讓學生在理論課中學到知識、在實驗課中得到鍛煉，逐步培養學生的創新意識和動手能力。

關鍵詞：計算機系統結構；教學改革；實驗改革；分層實驗；創新實踐

中圖分類號：G642

文獻標識碼：B

“計算機系統結構”是以計算機系統的外部特性為主來研究計算機系統結構的一門學科，是計算機及相關學科的專業技術基礎課程。一方面它需要“計算機組成原理”、“編譯原理”等一些基礎課程知識；另一方面又為“操作系統”、“嵌入式設計”、“并行計算”等后繼課程學習作鋪墊，起著承上啟下的作用。傳統的教學模式是教師在課堂用黑板講授原理，學生課后在指定的實驗系統上完成簡單的驗證工作，教學方式呆板，教學手段落后，學生缺乏學習興趣和積極性。近幾年，我校在云南省重點建設專業(計算機科學與技術)項目的支撐下，針對本課程“封閉式、驗證性”的實驗教學模式，在教學理念、教學內容、教學方法和手段等方面進行了改革探索，目的是激發學生學習熱情，培養學生創新意識，提高實驗教學效果。

經過幾年的探索，我們逐漸形成了自己的教學方法，找到了一條可行的路子，取得了一定的成績。

1轉變教學理念，探索新的教學模式

本課程的目標是讓學生從總體、系統這一層次來研究和分析計算機系統的結構和性能，幫助學生建立整機系統的概念；使學生掌握計算機系統結構的基本概念、基本原理、基本結構、基本設計方法，并對計算機系統結構的發展現狀有所了解，為后續課程打下基礎。

要達到課程目標，教學理念就要創新，就必須在教學中滲透設計思想和設計方法，很自然就必須選擇與之相配套的教材，才能事半功倍。我們根據學生基礎實踐能力弱的特點，選擇國家級重點建設的西安電子科技大學出版社出版《計算機系統結構(第三版)》作為授課教材，同時指定國外英文原版教材《計算機系統結構：一種定量的方法(第二版)》作為參考教材，還制作了多媒體課件，自編《計算機組成與系統結構實驗指導書》，采用啟發式課堂講授、自主學習、專題研究學習三者并重的模式，使學生不僅能對現代計算機廣泛采用的比較成熟的結構、方法和技術等有所了解，還能夠通過模擬實驗對計算機系統結構的基本原理有一個清晰的概念和認識，強化對知識的理解，調動學生學習的積極性和主動性。

由于本課程概念抽象、難理解，課程內容又隨著計算機軟硬件技術的發展而不斷更新，學生很難將所學到的知識應用到具體問題中，因而會產生畏懼、反感甚至厭惡。我們在教學中，充分利用現代教育技術和資源，采用多媒體教學法，精心設計和制作了充分體現優秀教師教學思想的動畫、課件、網絡課程和大量資源，利用多媒體教室和網絡開展教學；采用類比關聯法，把本課程中的一些概念、設計策略和思想與現實生活中的生動事例進行關聯和類比，使學生更容易理解和牢固掌握教學內容，抓住關鍵思想，同時又活躍課堂氣氛，提高教學效果。教師通過講述現實社會中的一些策略，啟發學生思考在計算機系統中可以采用的類似策略；通過介紹教師自己科學研究的經驗和體會，啟發學生思考如何拓寬自己的思維空間等。同時，計算機系統結構實驗室在50臺PC機上安裝了本課程實驗所需要的設計開發環境(ISP DesignEXPERT8.0軟件)，其中25臺配備計算機組成與系統結構硬件實驗系統設備，還提供有關所用模擬器安裝與使用的詳細資料，要求學生自己能夠在課外完成具體知識的學習、實驗及交互模擬、專題研究學習等。

新的教學模式，不僅使教師自身的教學理念得到更新，也激發了學生的學習興趣。通過對學生的調查了解，學生普遍認為：通過本課程的學習，一方面學習到了計算機體系結構的基本理論知識；另一方面也培養了良好的動手能力，改變了不少學生認為它是一門枯燥的理論說教課的看法。在教學考核中也表現出：(1)教學目標明確，突出學生的能力培養。教師能根據學生的實際知識水平，使前后知識和技能緊密銜接，把握實用、能用的原則，注重學生動手能力的培養，注重學生分析問題和解決問題的能力。(2)教學方法正確，注重啟發式。注意引導學生發揮自己的主觀能動性和創造力。(3)教學內容精選。教師能選擇有代表性的事例，并進行實踐教學，突出重點，化解難點問題。(4)教學過程中充分利用學校現有教學設備，實驗設備，注重理論聯系實際。(5)教學手段采用現代教育技術，收到了良好的教學效果。

2注重講課技巧，改革教學的方法和手段

本課程在教學中強調以探索和研究為基礎，激發學生的求知欲；強調與學科發展的緊密聯系，以保持教學內容的新鮮；強調師生互動，培養學生創新性思維與探索精神。教師結合計算機系統結構原理和概念，從結構框圖開始逐步展開、深入，同時輔以系統組成部件的特性及系統結構設計方法進行講解，反復向學生強調抽象思維的重要性，有意識地培養學生自頂向下、系統分析和解決問題的能力，通過對不同復雜程度模型計算機的設計來研究計算機各部件是如何配合工作的，進而了解設計計算機系統的方法；在整個教學過程中，教師注重講解設計思想和設計技術，采用面向計算機各部件的設計方法教學，一直到怎樣設計一個實用的RISC結構的CPU這樣一個方向來講解，并且始終貫穿如何考慮設計方案以及在設計時要注意的功耗、時延、成本的問題。具體通過以下幾個方面實現：

(1) 上好第一次課。第一節課是激發學生求知探索欲望的最佳時期，要引領學生到計算機整體框架的制高點上，然后誘導學生主動向下探索，逐步深入到電腦“內核”。

(2) 側重設計原則應用的教學。教師在講指令系統時，不僅介紹指令的結構，還要側重介紹指令系統的設計原則，如指令越規則越能簡化CPU的設計越小越快原則，還要告訴學生好的設計要求好的利弊權衡方案。學習指令不但要學生掌握指令系統的功能設計，更要使學生掌握指令格式對RISC結構的CPU設計及制造成本、性能的影響。學生明白了這一些原則后，就可以自己設計滿足一定要求的指令系統。在講解運算器時，側重介紹用不同設計原則設計的加法器、乘除法器的優缺點，如何處理運算器中的溢出、先行進位問題，怎么減少運算器芯片的引腳數目，以滿足工藝要求。在講解控制器時側重介紹影響RISC結構的CPU性能的幾個方面，怎樣定義控制信號，指令集如何實現、不同實現方法如何影響時鐘及RISC結構的CPU定時與同步如何解決、數據通路如何建立、多時鐘周期RISC結構的CPU如何設計、實現，同時還要考慮中斷請求，最后通過介紹有限狀態機(如米勒機等)的設計步驟來設計一個RISC結構的CPU。在介紹I/O系統時分析速度如何匹配，以達到不同機型對速度和可靠性的要求等。

(3) 注重實踐設計技巧教學。一是精講，突出重點而不要面面俱到，把一些細節問題留給學生研究討論，然后和上機實驗有機地結合起來，互相印證、補充，使所學的內容得到升華。二是引人先進的數字系統設計方法，用一部分時間講解FPGA器件和VHDL語言，讓學生極早熟悉先進的硬件設計模擬工具；隨后讓同學們自學，以便能盡早開始實驗，避免前半學期無實驗可做，設備空閑，后半學期實驗做不完的現象發生；然后，要求學生用這種語言設計以后要講的如校驗碼發送和接收裝置、加法器、乘法器、總線控制器、存儲器以及RISC結構的CPU等，再通過仿真、綜合、優化布局布線等做成真正的芯片，這些試驗要保留到期末，最后把這些試驗綜合到一起，設計成一個比較完整的具有RISC結構的CPU計算機系統，使學生對本門課程有比較深的理解。

在教學過程中，要讓學生明白上述問題，就要在教學中灌輸面向具體設計理念，在講解加法器、計數器、寄存器功能和設計時，通過分析讓學生知道如電路中的毛刺、門電路的工作電壓、電路空閑時是否關閉門電路等有關現象；在講解寄存器、運算器、外設接口時，通過分析邏輯門電路的時延，告訴學生怎樣在版圖的設計中控制其寄生點，以減少其延時，減少線間可能導致信號間的干擾，以及如何減少設計的芯片的面積降低成本等。

(4) 多管齊下，提高教學效果。采用多媒體教學手段，把課件和有關資料放在服務器上，方便學生學習和下載；通過多媒體和網絡教學促進師生的交流；進行座談會或問卷調查，及時發現問題，及時改進措施，提高教學質量。

3采用多層次實驗設計，鍛煉學生動手能力

實驗目的是鍛煉學生動手能力、培養學生創新意識的重要手段。為此，我們對實驗內容設計、實驗過程管理、實驗成績考核等進行科學設計，以提高實驗教學效果。

3.1合理配置實驗內容

在傳統的實驗教學中，大多數實驗是根據教科書按部就班地進行，實驗就是對教材的結論進行驗證，但這種教學模式很難做到激發學生的創新思維。我們在保留一定數量的驗證性實驗基礎上，增加設計性、綜合性實驗的學時和個數，并保證有設計性和綜合性的實驗項目不少于已開出實驗項目數的30%。

3.2加強實驗過程管理

本課程是學生第一次深入了解計算機內部結構的課程，對實驗的要求很高。教師合理地安排上課和實驗時間，中間留給學生一定的時間，盡量避免理論課結束就上機；每次實驗都要點名，遲到5分鐘或沒有預習實驗報告者不讓進實驗室；開始20分鐘講解實驗，提出不同要求；中間解答學生提問，啟發學生，指出問題可能的原因，但不給出答案；最后驗收；驗收時讓學生講解設計原理，教師隨機提出問題，看學生是否真正理解，根據做實驗的程度，給出不同的分數，這些分數記入總成績，占30%。

3.3重視綜合與創新實驗

綜合實驗在學期初將2～4名學生組成一個課題組(或稱大作業)，在一個學期中共同完成教師提供的一個課題，教師要為每一個課題組提供充分資源。學生通過課堂聽講、作業和搜集資料等方式獲取知識，并通過相互討論、教師指導、做實驗檢驗等完成課題，學生在期末提交課題報告，在做課題過程中，學生通過動手發現問題、運用所學的理論分析問題和解決問題，從而加深對知識的理解。

3.4全面考核實驗成績

實驗成績是對學生在實驗過程中實踐能力、操作技能和解決現場問題能力的客觀反映，是對學生實驗過程的綜合評價，也是保證培養目標實現的一種手段。實驗成績評定的內容，應包括實驗態度、實驗能力表現和實驗結果等幾個方面。

(1) 實驗態度。包括對實驗有無興趣，實驗內容的預知程度，實驗中是否注意人身及實驗設備的安全，實驗善后工作(如儀器設備的整理和實驗室衛生)等。實驗態度及心理將影響到整個實驗的過程，而且會對學生一生的職業養成等方面產生影響。

(2) 實驗能力表現。包括實驗方案、設計思路,獨立完成實驗的程度，是否按要求進行正確操作，有無人身傷害及實驗設備損壞，能否對實驗中出現的問題及現象進行正確判斷分析，有無創新意識及能力等。實驗能力表現反映學生現場動手和操作能力，對日后走向工作崗位是一次很好的模擬，因此，在實驗中應充分發揮學生的主觀能動性，鼓勵學生多動手、多分析。

(3) 實驗結果。包括以下內容：對現場數據或現象的分析處理情況(分析處理是否合理)；實驗報告的完成情況(報告是否規范、清楚實驗數據是否真實、有效等)。此外，實驗結果還包括實驗結束后，實驗儀器的整理和衛生清掃方面的內容。對于整理儀器和打掃衛生的學生，予以記錄，并在成績中適當加分。

4鼓勵創新研究，完善課程體系建設

根據本課程的定位和目標以及教學的新發展，我們調整了本課程的內容體系。課堂講授64學時，實踐教學和自主學習26學時。并向學生提供了豐富的擴充性資料，包括：

(1) 提供豐富的教學多媒體課件;

(2) 指定的相關專業書籍及刊物中的內容；

(3) Internet上國內外相關的課程資源以及相關研究工作的資源。

學生在課外利用這些資料和資源完成本課程的兩個重要環節：自主學習和研究性學習。

通過本課程的學習，學生不僅學到了計算機系統結構的基本知識，掌握了基本的性能分析方法，提高了分析問題的能力。還有不少學生不滿足單純本課程的學習，還主動尋求和探討更有挑戰性的實驗項目。為此，我們為學生搭建了創新平臺，利用CPLD現場可編程的靈活性，指導學生開展科技創新設計，不僅提高學生的實踐動手能力，也促進教師科研水平的提高。本課程獲得了我校教學成果一等獎，我們指導的學生在全國性各類科技創新競賽中獲獎4項，發表學術論文20余篇，學生與教師科研立項4項。

培養適應社會需求的人才是高等教育的主要目標，“個性化，特色化”的培養模式是當前學生培養的主流。如何在教學中突出特色，培養專業基礎扎實、動手能力強、具有創新意識的學生是教學改革的主要目標，也是我們需要不斷探索和實踐的課題。

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