面向地方普通高校的計算機系統結構課程教學改革探索

　　摘要：針對計算機系統結構課程教學中存在的內容過于抽象，不易于理解等問題，本文結合地方普通高等院校計算機專業學生的實際水平以及計算機系統結構的最新進展，確定了因材施教的教學目標，提出對教學內容進行合理的裁剪和補充。通過近兩年來在河南省內幾所高校計算機專業的教學實踐，學生對該課程的學習興趣明顯提高，取得了良好的教學效果。
　　關鍵詞：計算機系統結構；課程體系；教學改革
　　
　　計算機系統結構是高等學校計算機專業學生的專業課，是一門從組織和結構的角度上學習和領會計算機系統的課程。教學內容理論性較強，不僅概念多，而且許多內容比較抽象，難以理解[1]。
　　目前國內計算機系統結構教學主要采用國內重點大學(如清華大學、國防科大、西安交大等)相關專家編寫的教材[2]，而這些教材的教學對象實際上是重點大學計算機專業本科學生[3]。根據近年來我校以及我省其他幾所普通院校本科計算機專業學生采用上述教材授課效果來看，感覺現有教科書存在以下問題：書中理論概念過多，教學內容與計算機系統結構發展的實際情況結合不夠緊密，不便于學生理解和掌握，學生很難將教材中介紹的知識與具體的實際應用相結合，導致學生缺乏對該課程的學習興趣，教學效果不理想，不太適合普通二本院校計算機專業學生使用。 從2006年開始，我們在計算機系統結構課程教學中，嘗試結合計算機軟硬件技術的最新進展，介紹計算機系統結構的相關知識，同時有選擇的講解傳統教材中的相關知識，并通過形象直觀的多媒體課件以及專門性的實驗，來提高學生的學習興趣，取得了良好的效果。2009年初，我們將收集的最新教學素材[4]，
　　以及針對地方普通高等學校學生學習特點的授課體會，經過反復論證和研討最終形成了一本專門面向地方普通高等學校學生計算機系統結構課程教學的教材[5]，經過三個學期的使用，教學效果明顯，下面結合具體做法進行介紹。
　　1明確課程定位，理清相關課程之間的銜接關系
　　計算機系統結構課程教學內容涉及計算機組成原理、編譯系統、操作系統、數據結構、數字邏輯等計算機專業課程的相關內容。尤其是與計算機組成原理、微機原理與接口技術課程內容有一定的重疊。因此在該課程教學中，理清教學思路，明確各門課程之間的關聯以及銜接關系，使學生明確該課程的學習重點，是提高該門課程教學質量的前提。
　　計算機系統結構與計算機組成原理、微機原理與接口技術在內容上都介紹了計算機中數據表示、指令系統、存儲系統和輸入輸出系統等基礎知識，三者都屬于與硬件相關的計算機專業課程，三門課程之間有著很強的邏輯聯系和差異。因此，明確區分三者在知識結構和專業層次上的不同，有利于把握好教學重點，避免教學內容的重復，從而使學生真正理解計算機系統結構的核心內容：從整機的層次上把握系統的構建和各個部分的設計方法和原則，從硬件和軟件的不同層次深入了解計算機系統的工作。
　　計算機組成原理主要研究組成計算機的功能部件的組成和工作原理，以及各個部件之間的協同工作。主要是系統講解計算機的五大硬件組成部分的基本概念、基本組成和基本功能，為培養學生對硬件系統的分析、設計、開發和使用能力打下基礎。
　　微機原理與接口技術是在學生對計算機組成等基礎知識有了初步了解后，針對微型計算機軟硬件系統知識和技術進行的更深入和系統的學習。主要包括微機系統概述、典型微處理器、指令系統、匯編語言程序設計、存儲器系統、微機總線與輸入／輸出技術、中斷系統、典型接口芯片及其應用等內容。該課程的學習學習目的是使學生系統地掌握微型計算機軟硬件系統的專業知識。
　　從學科整體上看，計算機系統結構課程跨越了軟件和硬件兩個層次。計算機組成原理和微機原理與接口技術主要講解硬件相關的設計和功能原理。計算機系統結構是計算機組成原理與微機原理與接口技術的后續課程。主要研究計算機軟件和硬件之間的分配，重點介紹計算機系統的內部工作原理以及軟硬界面劃分的權衡策略。
　　計算機系統結構是唯一一門能讓學生接觸到與編程相關的計算機結構方面的基本概念的課程。實際上，程序員如果懂得硬件就可以把程序構造得更加高效、更少出錯。從廣義上講，有了計算機系統結構方面的知識，程序員就能理解程序設計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，了解硬件工作原理，也可以使得程序員能夠更迅速地查明程序故障的來源。
　　概括起來，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。
　　為了滿足上述教學需要，我們對計算機系統結構課程的開設時間進行了合理的安排：針對計算機科學與技術專業本科生開課學期為第六學期，專升本學生的開課學期為第三學期。學生學完匯編語言程序設計、計算機組成原理、微機原理與接口技術、操作系統和一些其他軟件和網絡的專業課程之后，開設計算機系統結構課程。這樣便于學生能夠站在軟硬件綜合知識的基礎上，來理解如何合理的構架計算機系統結構。
　　2教學內容精選與整合
　　應用技術型本科計算機專業課程的設置應做到面向市場、靈活有效，要對教學內容進行精選，把體現當代科學技術發展特征、多學科知識交叉與滲透的趨勢和動向反映出來。計算機系統結構隨著計算機軟硬件技術的發展而不斷更新，加之這門課程的系統性，綜合性和實踐性較強，給這門課程的教學帶來了一定的困難，采用傳統的教材，學生很難將所學到的知識綜合應用到具體的實際問題中去。傳統的計算機系統結構教學內容已經越來越顯得無法適應當今計算機技術的實際情況。對現有教學內容進行合理更新是十分有必要的，基于這種考慮，通過5年的反復調研和課堂教學改革實踐，我們在參考國內外主流的計算機系統結構教材基礎上，進行了一些有益的嘗試，將多核處理器、多級高速緩存、多線程、網格等目前流行的體系結構技術引入到課堂教學內容中，學生感覺教學內容貼近實際，學習熱情明顯提高。
　　經過近年來對教學內容的反復論證和提煉，最終形成了面向地方普通高校計算機專業的計算機系統結構教材[5]。該教材摒棄了傳統教材中某些過時的理論知識，將多核處理器、多線程技術等目前流行的體系結構技術引入到相關的課程專題中，使教學內容更加貼近當前計算機系統結構的發展現狀。系統地講述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，并簡要介紹當前系統結構領域的主要進展。重點講述現代主流計算機采用的比較成熟的設計思想、結構和方法等，重點突出、論述簡潔，貼近實際。
　　教材共包含8章，表1是教材中各章教學內容安排的基本思路。
　　考慮到一些院校將計算機組成原理與計算機系統結構課程在內容上進行了整合，開設了計算機組成和體系結構課程，為了適應這一變化，教材的第2章實際上就是計算機組成原理知識的概括介紹，同時也可以使學過相關知識的學生快速復習以前學習過的計算機組成原理知識，為下面的教學內容做鋪墊。這樣組織內容，可以使該教材即可以作為計算機專業本科生計算機系統結構課程的教材，也可以作為計算機組成與體系結構課程的教材使用；另外，傳統教材通常把多處理機與并行計算技術作為兩個章節來講授，而目前多處理機與并行計算正在走向融合，因此，本教材把這兩部分內容合二為一，摒棄了目前已經淘汰的部分多處理機技術，形成了教材第7章：并行處理機技術，主要介紹目前主流的SIMD計算機、MIMD計算機的基本組成原理、類型和特點，以及與它們相關的互連網絡的工作原理；為了緊密聯系計算機系統結構的最新發展動態，使學生對所學習的計算機系統結構知識有更加明確的認識。
　　
　　由于目前主流的計算機系統結構教材和課程內容普遍存在“理論脫離實際”的狀況，傳統教材中充斥大量的理論知識，而對這些理論知識的具體應用介紹的較少，學生學完這些內容后，常常是背會了一些公式規則，卻不明白這些公式規則到底應用在計算機系統結構的具體哪個部分，針對這種情況，我們在教材第8章介紹計算機系統結構進展，包括多核處理器技術、多級緩存技術、片上系統、基于網格的計算機系統結構等，以及計算機系統結構領域的最新研究趨勢，這一章內容實際上是對計算機系統結構技術的現狀介紹，以及未來發展趨勢的展望，主要是為對該課程感興趣的學生提供一些輔助性的貼近實際的計算機系統結構知識，同時也是對前面章節教學內容具體應用的形象化說明，這一章還提供了有關計算機系統結構研究及進展的比較權威的網址，以方便學生上網查閱相關資料。在教學過程中，教師對這一章的內容不做講解，只是在介紹前面章節內容時，提示學生課后去參考這一章與教學內容相關的知識，這樣做一方面使學生明白了計算機系統結構知識的應用領域，同時也在無形中鍛煉了學生自學和查閱資料的能力。
　　3合理的師資隊伍與教學手段創新
　　由于計算機系統結構課程內容自身的特性，決定了授課教師必須通曉計算機軟硬件知識，熟悉與課程相關的知識，具備較扎實的計算機專業知識，因此在選擇本課程授課教師時，要求授課教師必須主講過本課程的先修課程，以確保授課教師能夠把握課程知識體系的完整性和系統性。另外，要求本課程的授課教師具有與本課程相關的科研項目，從而確保授課內容能夠與實際應用相結合，以避免授課內容的枯燥，這樣也可以更加有效地提高學生的對本課程的學習興趣。課程現擁有的教師隊伍中，有副教授1人、講師3人，其中2人具有博士學位，其余教師均具有碩士學位。
　　由于計算機系統結構課程概念抽象、難于理解，采用傳統的黑板或者PPT講授教學方式嚴重影響課程的教學效果，甚至導致學生厭學。我們在教學中，充分利用現代教育技術手段和資源，采用多媒體教學法，精心設計和制作了能夠充分體現課程教學思想的動畫、課件、網絡課程，并通過課程網站提供了大量與計算機系統結構相關的教學資源，利用多媒體教室和網絡開展教學；通過多媒體課件，把課程中難于理解的內容利用動畫、圖表等形式直觀的展現出來；同時采用類比關聯法，把課程中的一些概念、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，既具體形象地展現了課程中難以理解的教學內容，同時也活躍了課堂氣氛，便于學生在理解的基礎上掌握授課內容，提高了教學效果。由于教學效果顯著，鄭麗萍老師主持開發的計算機系統結構多媒體課件，在河南工業大學組織的多媒體課件競賽中，獲得2009年度河南工業大學多媒體課件一等獎。
　　4結語
　　計算機系統結構是計算機專業一門重要的專業課程，它是在學生學習完主要的軟硬件基礎課程之后，讓學生從整體系統、總體設計的角度來理解和研究計算機系統，學習如何根據各種實際應用的需要，綜合考慮軟硬件，設計和構建合理的計算機系統結構。
　　根據計算機系統結構課程內容抽象、枯燥、難懂的特點，我們從課程開設時間、教材內容的設計、教學方式以及教學隊伍等方面進行了有益的嘗試。編寫適用于地方普通高校計算機專業學生需要的教材，因材施教，摒棄目前傳統教材中已經過時的理論知識，精簡授課內容，突出重點難點，在使學生明確計算機系統結構與其他相關課程之間關系的基礎上，綜合應用形象直觀的多媒體技術手段、開發課程網站，加強與學生的互動，組建合理的教學團隊，實施計算機系統結構教學，收到了明顯的教學效果。目前計算機系統結構課程已經成為河南工業大學精品課程。
　　
　　參考文獻：
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