談計算機系統結構課程體系改革

　　摘要：文章總結了我校計算機系統結構課程體系在教學實踐中的經驗，分析計算機系統結構課程體系中的課程特點，在傳統教學模式基礎上，對教學方法、教材選用、教學內容和實踐環節改革進行闡述。該項改革取得了良好效果，提高了學生對計算機硬件課程的學習興趣，增強了學生的綜合能力。
　　關鍵詞：計算機系統結構；課程體系；教師團隊；教學改革
　　
　　1　計算機系統結構課程體系
　　
　　計算機系統結構課程體系組又稱硬件組，普通高校計算機的學生對硬件課程都存在或多或少的抵觸心理，原因主要有3個：1)硬件課程比較抽象，不容易理解，不像軟件語言課程直觀；2)學生認為計算機專業就是編程，學習硬件課程沒有用；3)硬件課程的實驗環境不容易建立和維護，導致相關實踐環節實施時不能達到預期目標。針對計算機系統結構課程體系在教學中存在的問題，我們按照課程先修順序、社會需求，以及從理論到應用的順序，對計算機系統結構課程體系中的課程進行合理安排。
　　
　　1.1　專業基礎必修課程
　　計算機系統結構課程體系所涉及的專業必修課程是計算機專業學生的基礎課程，通過這些課程的學習，學生將掌握計算機的基本組成和工作原理，并為計算機應用打下基礎。同時，我們也注意到，這些專業基礎課程理論性較強，內容抽象、不易理解，課程大多開設在大學階段的前期。
　　數字邏輯電路是計算機專業計算機系統結構課程體系的第一門課，該課程的學習目的是使學生掌握從數字系統到集成電路實現所需邏輯功能的整個過程的完整知識，作為必修課程，開設在大一第二學期。計算機組成原理是計算機專業的核心專業基礎課程，本課程使學生掌握計算機原理的基本知識，為下一步學習計算機體系結構奠定基礎，并能對當前計算機的最新研究、發展與應用趨勢有一般性的了解，作為必修課程開設在大二第一學期。匯編語言課程是解決CPU級編程的問題，使學生掌握CPU級語言的特點、編程方法和基本技能，為深入學習后續課程和從事有關計算機硬件、軟件方面的設計打下基礎，作為必修課程開設在大二第二學期的上半學期。微機原理與接口技術課程以PC機及其兼容機中最常用的80×86系列為主線，講述微型計算機與接口的實現技術，作為必修課程可與匯編語言并行開設在大二第二學期。這兩門課程安排在同一學期，有利于學生掌握。通過兩個學期的實踐，學生對匯編語言的掌握和應用，以及微機原理的接口應用能力大大提高。計算機系統結構講述計算機體系結構，著重介紹軟、硬件功能分配以及如何最佳、最合理地實現軟、硬件功能分配，作為必修課程開設在大三第一學期。
　　
　　1.2　專業應用選修課程
　　在大三第一學期結束后，學生已學完計算機專業硬件和軟件相關基礎課程，具有一定的計算機應用和開發的能力。從大三第二學期開始，計算機系統結構課程體系將面向計算機應用開設兩門任選課程，它有利于學生就業，縮短學校到社會的過渡時間。
　　單片機原理及應用課程以MC-51系列單片機為基礎介紹硬件和軟件的組成，以及程序設計技能。為將來步入微計算機的信息處理和測控系統領域的學生提供一個基礎平臺，作為任選課程開設在大三的第二學期。嵌入式系統及其開發課程使學生了解嵌入式系統結構和嵌入式系統開發的相關技術，掌握其軟硬件設計方法，提高學生的嵌入式系統開發能力和經驗，建議作為任選課程開設在大四的第一學期。
　　
　　2　教師團隊的建立
　　
　　為了提高教學質量，提高教師教學水平，我們建立了計算機系統結構課程體系教師團隊，并為每門課程設置一名首席教師，并配備2～4名主講教師。教師團隊建立后，每星期舉行一次教學活動，提出授課中存在的問題，討論學生的接受能力，最后給出先修課程和后續課程的調整方案。實踐證明，教師團隊的成立提高了教學質量，受到廣大師生的好評，結合教學的相關教學教研項目逐漸增多。反過來，相應的教改項目的實施又促進了教學質量，形成了教學效果的良性循環。
　　
　　3　教材的選擇
　　
　　眾所周知，教材直接影響教學效果和教學質量。計算機系統結構課程體系抽象、難懂，其課程教材的選用一直是我校計算機專業教學中的一個重要問題。由于計算機專業的學生普遍認為自己將來的就業方向是軟件開發，所以，不重視硬件課程體系中的課程。因此，如何有效選用計算機系統結構課程體系的教材成為教學的一大難題。下面，我們以計算機系統結構為例介紹教材的選擇。
　　
　　3.1　國內外同類教材優缺點
　　目前，國內的計算機系統結構教材主要由國內一些重點大學的專家編寫，教學對象為重點大學計算機專業本科生，同時，作為研究生的參考書。從近年我校以及我省其他普通本科院校計算機專業學生使用上述教材的效果看，這些教材存在以下一些問題，如書中理論概念過多，部分內容過時，對體系結構新進展介紹不多，上述問題導致學生缺乏學習興趣，教學效果也不理想，不太適合普通二本院校計算機專業學生使用。
　　
　　3.2　自編教材情況
　　為了改變計算機系統結構課程教學在普通二本院校計算機專業學生中存在的上述問題，我們經過調查論證、搜集素材，并與本省其他院校協商，結合授課教師切身體會以及學生在學習本課程時遇到的普遍性問題，編寫了適合普通二本院校本科生學習的計算機系統結構教材。
　　自編教材《計算機系統結構》2009年7月由清華大學出版社出版，該教材在遵循教育部計算機系統結構課程教學大綱基礎上，采用“量化研究方法”，系統講述了現代計算機系統結構的基本概念、基本原理、基本結構和基本分析方法，以及當前系統結構領域的主要進展。摒棄了目前傳統教材中已經過時的理論知識，精簡了授課內容，突出了重點難點，較好地適應了普通二本院校計算機系統結構課程教學需要。
　　該教材內容編排大體是按照計算機系統結構的發展歷程，即馮·諾依曼體系結構一改進的馮·諾依曼體系結構——非馮·諾依曼體系結構這條線索。以經典馮·諾依曼體系結構(第2章)為基礎，介紹現代通用計算機系統結構的基本概念、基本原理、基本結構和基本分析方法以及和相關領域的最新研究成果，內容主要包括數據表示與指令系統設計(第3章)、存儲系統(第4章)、輸入輸出系統(第5章)、流水線技術(第6章)、并行處理機技術(第7章)，以及計算機系統結構進展(第8章)。
　　參加該教材編寫的人員來自不同本科院校，均為擔任計算機系統結構課程的主講教師，該教材在著重論述體系結構的基本概念、基本原理、基本結構和基本分析方法的基礎上，強調量化的分析方法，使學生能夠能更具體、實際地分析和理解計算機體系結構。教材內容選擇上不再覆蓋整個系統結構，而是重點論述現代大多數計算機都采用的比較成熟的思想、結構和方法等，通過大量的實例分析，深入淺出地闡述計算機體系結構所涉及的各個方面內容。在結構上，強調從總體結構、系統分析這一角度來研究計算機系統，將計算機組成原理、數據結構、操作系統、匯編語言程序設計等課程中所學的軟、硬件知識有機地結合起來，從而使學生建立起計算機系統的完整概念，教學效果良好。
　　
　　4　開放式的教學模式
　　
　　計算機系統結構課程體系強調培養學生的綜合能力，強調知識、能力、素質的協調發展，傳統單一的課堂知識傳授已經不能滿足學生的要求，而相關課程本身存在理論性強、抽象難懂的特點。所以，我們在傳統教學模式的基礎上提出開發式教學方式，以提高學生探究能力和學習興趣。開放式的教學模式主要包括以下4個方面內容。
　　1)匯聚師生共同力量，提高現代化教學介質課件的質量。
　　傳統的課堂教育是教學模式的基礎，在首席教師主持下，發揮教師團隊的力量，利用現代教育技術和信息技術，開發符合學生接受能力的高質量教學課件。例如，通過動畫形象生動地演繹課程中抽象難懂的概念和原理。此外，發動學生參與課程網站建設，在師生間建立互動鏈，提高學生自主學習的積極性。
　　2)根據先修課程內容，實施啟發式教學。
　　課程講授采用啟發式教學。計算機系統結構課程體系中的各門課程之間存在聯系，在授課過程中，我們要利用先修課程的內容啟發當前課程中的內容，以便于學生理解，同時，提高學生的綜合能力。例如，講授計算機系統結構中“指令集優化”章節時，先讓大家回憶匯編語言中80×86型計算機的指令集的條數，然后，提出計算機的指令條數和格式如何確定，最后，層層深入，給出計算機系統結構針對指令集研究的內容和解決方法。又如，講授計算機系統結構中操作碼優化的章節時，結合數字邏輯電路中的邏輯設計，分析不同編碼方式的優缺點和采用擴展的Huffman編碼理由，以及計算機如何辨析不同的操作碼，以便加深學生理解。
　　3)開展多樣化教學方式，提高學生自主學習的興趣。
　　從提高學生自主學習興趣出發，以課堂講授為主，采用學生講課、小組討論和專題報告等多樣化的教學方法。例如，針對計算機系統結構中現代非-馮，諾依曼結構的新發展，舉行專題報告，每個小組討論一種結構，通過參閱各種參考資料和網上資源對所分配的專題開展自主學習、交流、討論和研究，最后，各小組分別進行專題講座，多樣化的教學方式培養了學生的綜合能力和創新能力。
　　
　　5　加強課程實踐環節，與社會需求接軌
　　
　　計算機系統結構課程體系的實踐性很強，實踐環節是整個教學過程中的重要環節，也是學生對理論知識進行內化和升華的重要手段。然而，計算機系統結構課程體系所要求的實驗環境不易建立和維護，實驗題目不易選取。因此，大多數高校計算機系統結構課程的實踐流于形式，不能真正提高學生綜合能力和利用所學理論知識解決實際問題的實踐動手能力，也不能培養和鍛煉學生的自主開發的創新能力。針對計算機系統結構課程體系實踐環節中出現的問題，我們給出以下幾點建議。
　　1)調整驗證性與綜合性和開發性實驗比例。
　　增加綜合性和開發性實驗的比例。計算機系統結構課程體系中的所有課程都有實驗課，而大多數實驗項目為驗證性實驗，綜合性和開發性實驗項目比例較少。在實驗過程中，由于驗證性試驗的軟件和硬件為現成的，學生不能進行硬件的設計，同時，又沒有能力進行軟件的編寫，大部分學生將實驗當做任務來完成，創新能力得不到發揮。因此，在驗證性實驗的基礎上，我們要加大綜合性和開發性實驗的比例，最大程度地發揮學生自己的能動性。
　　2)結合教學內容，選取實際對象作為項目來源。
　　增加綜合性和開發性實驗的比例必須有適合學生開發的實驗項目。如果實驗項目過難，學生將失去做實驗的信心；如果實驗項目偏容易，實驗就失去了其綜合性和開發性的本質；因此，項目應來源于生產活動，是相對完整和相對獨立的事件，與企業實際生產過程或現實使用有直接的關系，具有一定的應用性。例如，設置單片機實驗項目——“聲控燈”，既能將理論知識和實踐技能結合在一起，又能調動學生解決問題的興趣。
　　3)以學生為主體，充分發揮教師的協助作用。
　　在教學過程中，要充分發揮學生的主動性和創新精神，讓學生根據自身行為的信息來實現自我反饋，同時，也不能忽略教師的指導作用。例如，在項目的選取上，師生要共同參與，教師要啟發學生去主動發現身邊的素材，選擇難度適合的實驗項目。
　　
　　6　結語
　　
　　通過兩個學期的實踐，我校計算機系統結構課程體系教學取得了良好的教學效果，首先，從學生角度看，將計算機底層的硬件基礎課放在大學生在校教育的前期，有利于學生掌握基本原理和基本知識；應用性強的課程放在后期，有利于學生與社會需求的接軌。其次，從教師角度看，將計算機系統結構課程體系的教師組織起來建立教師團隊，有利于教學效果的提高，便于教改活動的組織。適當的教材選取，可以調動學生的學習積極性。同時，優質的教學課件和多形式的教學模式，將課堂教學變得生動、形象，把過去的“重教輕學”的教學模式轉向“師生互動”的教學模式。將學生被動聽講的課堂變為鼓勵學生主動參與討論，引導學生積極探索，以提高學生素質。最后，實踐環節的改革能使學生將硬件課程內容融會貫通，合理的實驗項目設置充分調動學生學習的積極性。
　　
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