面向計算機硬件系列核心課程的教學(xué)改革探索

劉翔，丁慧華，石蘊玉

摘要：計算機硬件系列核心課程是計算機專業(yè)本科教學(xué)的重要組成部分，旨在培養(yǎng)該專業(yè)學(xué)生的計算機系統(tǒng)分析及設(shè)計等能力。本文討論了計算機硬件系列核心課程的國內(nèi)外教學(xué)情況，并從培養(yǎng)計劃制定、實踐環(huán)節(jié)設(shè)計和課程體系舉措三個方面介紹了教學(xué)改革的探索工作，給出了需要進一步探索實踐的具體方案。

關(guān)鍵詞：計算機硬件課程；計算機系統(tǒng)分析；計算機系統(tǒng)綜合實驗

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）44-0253-02

計算機硬件系列核心課程實踐教學(xué)在計算機專業(yè)本科教學(xué)中占有重要的地位，其系列核心課程包括：數(shù)字邏輯、匯編語言程序設(shè)計、計算機組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、微機原理與接口技術(shù)，還包括一些應(yīng)用型計算機硬件課程，如嵌入式系統(tǒng)與單片機原理。這些課程不僅可使學(xué)生深入了解計算機基本組成及工作原理、掌握計算機系統(tǒng)基本設(shè)計技術(shù)，而且培養(yǎng)了學(xué)生的計算機系統(tǒng)能力，涵蓋了計算機系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計和系統(tǒng)繼承等重要教育環(huán)節(jié)[1]。

一、硬件系列核心課程教學(xué)狀況

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)和信息技術(shù)的高速發(fā)展，計算機內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜，結(jié)構(gòu)高度集成化、計算資源多樣化；從外部設(shè)備來講，大規(guī)模數(shù)據(jù)中心、個人移動設(shè)備與PC等共存、軟件和硬件協(xié)同設(shè)計，為了編寫高效程序必需了解計算機底層結(jié)構(gòu)，進一步使得計算機硬件系列課程顯得抽象、乏味、知識點繁雜，使得原先基于PC而建立起來的專業(yè)教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)遠遠不能反映現(xiàn)代社會對計算機專業(yè)人才的培養(yǎng)要求[2]，出現(xiàn)了“老師難教，學(xué)生難學(xué)、不易掌握”的尷尬局面，實踐環(huán)節(jié)薄弱與落后、難以與理論相結(jié)合，傳統(tǒng)的教學(xué)方法和教學(xué)手段難以實現(xiàn)教學(xué)目標，因此，針對計算機硬件系列核心課程，探索教學(xué)方法、提高教學(xué)效率、保證教學(xué)效果，是當(dāng)前需要解決的關(guān)鍵問題。

與其他專業(yè)學(xué)生相比，計算機本科專業(yè)學(xué)生涉及的多方面能力并不占優(yōu)，例如在硬件設(shè)計能力方面不如電子工程專業(yè)學(xué)生，行業(yè)軟件開發(fā)和應(yīng)用能力不如軟件工程等專業(yè)學(xué)生，算法設(shè)計和分析基礎(chǔ)不如數(shù)學(xué)系學(xué)生。計算機專業(yè)學(xué)生的優(yōu)勢之一在于計算機系統(tǒng)能力，即具備計算機系統(tǒng)層面的認知與設(shè)計能力、能從計算機系統(tǒng)的高度考慮和解決問題[3]。但與國外一流大學(xué)相比，國內(nèi)高校在系統(tǒng)能力培養(yǎng)方面還存在一些問題。

（一）國內(nèi)外大學(xué)相關(guān)教學(xué)情況

美國卡耐基梅隆大學(xué)（CMU）的計算機科學(xué)學(xué)院為CS和EE（ECE）學(xué)院本科學(xué)生開設(shè)的貫穿整個計算機系統(tǒng)的入門基礎(chǔ)課《Introduction to Computer Systems （ICS）》，所用教材都是由Randal E.Bryant和David R.OHallaron編著的《Computer Systems：A Programmers Perspective》，其教學(xué)內(nèi)容主要是讓程序員了解計算機是如何執(zhí)行程序、儲存信息和計算的，從而使學(xué)生成為更有效的程序員，與此對應(yīng)的實驗內(nèi)容是通過一組C語言編程實驗，使學(xué)生了解高級語言程序轉(zhuǎn)換為機器代碼的過程，深刻理解底層機器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（包括指令格式、數(shù)據(jù)表示、寄存器組織、Cache結(jié)構(gòu)、虛存空間的映射等），云計算平臺上的并行編程、SIMD數(shù)據(jù)級并行編程和多線程編程實驗等[4]，切實有效地提高學(xué)生編制和調(diào)試高效程序的能力，并為后續(xù)課程打下良好基礎(chǔ)。

在國內(nèi)絕大多數(shù)高校開設(shè)的課程中，很難找到類似份量的關(guān)于計算機系統(tǒng)的入門課程，一般只會開設(shè)計算機系統(tǒng)概論或?qū)д撝惖恼n程，但側(cè)重于知識面的擴展，不會講透特定的知識點。如果說國內(nèi)的計算機組成原理課程相當(dāng)于美國大學(xué)的計算機系統(tǒng)入門課程，那么其教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度都相差很遠[5]。

在教學(xué)理念及教學(xué)內(nèi)容方面，國內(nèi)大多數(shù)學(xué)校的硬件核心課程仍然停留在計算機硬件的基本構(gòu)成和基本設(shè)計原理層面。因而，計算機專業(yè)系列核心課程的教學(xué)未能達到既定目標：培養(yǎng)學(xué)生的硬件設(shè)計能力、編寫和調(diào)試高效程序的能力，讓學(xué)生建立對計算機軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)的整體概念。

（二）國內(nèi)相關(guān)教學(xué)的改革現(xiàn)狀

隨著國際交流的進一步深入和電子技術(shù)的高速發(fā)展，眾多高校在計算機專業(yè)硬件課程教學(xué)中日漸重視培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)能力。

目前，浙江大學(xué)在暑假開設(shè)有關(guān)CPU及其計算機系統(tǒng)設(shè)計的選修課；東南大學(xué)開設(shè)了面向所有學(xué)生的計算機系統(tǒng)綜合實驗課程；上海交通大學(xué)進行了數(shù)字邏輯、計算機組成、嵌入式系統(tǒng)等課程的軟硬件協(xié)同設(shè)計、多核系統(tǒng)設(shè)計和可重構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計；清華大學(xué)完成了計算機綜合實驗平臺的所有軟硬件的開發(fā)，準備在本科生中開設(shè)計算機系統(tǒng)綜合實驗課程。另外，復(fù)旦大學(xué)和上海交通大學(xué)開始開設(shè)與CMU類似的課程[2]，但是要在國內(nèi)高校全面推廣則具有一定困難。

二、相關(guān)教學(xué)改革總體思路

（一）教學(xué)目標的教學(xué)改革思路

根據(jù)計算機軟硬件領(lǐng)域的發(fā)展情況，對應(yīng)國內(nèi)外一流學(xué)校的教學(xué)情況，結(jié)合本校實際情況，我校計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)在硬件核心系列課程基本培養(yǎng)目標為：建立計算機系統(tǒng)的整體概念，理解計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，具備計算機硬件的設(shè)計能力；合理劃分計算機系統(tǒng)的軟、硬件功能，理解從硬件角度出發(fā)編制和調(diào)試高效程序的基本原理，分析和調(diào)優(yōu)計算機系統(tǒng)整體性能。

（二）課程體系實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)改革方案

要達到上述教學(xué)目標，除做好師資隊伍建設(shè)、更換實驗設(shè)備外，還需要提高學(xué)生對整個計算機系統(tǒng)實現(xiàn)原理的認識，是學(xué)生掌握現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中核心的技術(shù)和實現(xiàn)方法，主要包括對計算機系統(tǒng)整體概念的認識；對計算機系統(tǒng)層次化結(jié)構(gòu)的深刻理解；對高級語言程序、編譯器、鏈接器等之間關(guān)系的深入掌握；對指令在硬件執(zhí)行過程的理解；對構(gòu)成計算機硬件的基本電路特性和設(shè)計方法等的基本了解等。從而更深刻地理解時空開銷和權(quán)衡、抽象和建模、分而治之、緩存和局部性、吞吐率和時延、并發(fā)和并行、遠程過程調(diào)用、權(quán)限和保護等重要核心概念[3]。endprint

（三）課程體系實踐改革方案具體措施

針對上海工程技術(shù)大學(xué)硬件課程實踐教學(xué)的實際狀況，完善教學(xué)大綱實施細則，進一步詳細規(guī)劃計算機硬件類課程涵蓋內(nèi)容，進行課程整合優(yōu)化，扎實地推進課堂教學(xué)、完善綜合實驗、提升創(chuàng)新性應(yīng)用開發(fā)的綜合規(guī)劃和實施，需要保證計算機硬件類課程在專業(yè)課程中的主導(dǎo)地位，計算機硬件基礎(chǔ)知識是衡量計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)畢業(yè)生知識結(jié)構(gòu)是否合理的指標之一。因而，對于與計算機硬件系列核心課程，需要深入加強教學(xué)方法的研究、精心設(shè)計教學(xué)實踐環(huán)節(jié)，讓學(xué)生對硬件課程的學(xué)習(xí)產(chǎn)生興趣，提高其計算機硬件知識的掌握能力。

在計算機專業(yè)研究生入學(xué)考試和企業(yè)招聘面試過程中，逐漸重視學(xué)生或應(yīng)聘者的計算機系統(tǒng)思維能力，程序執(zhí)行的結(jié)果需要綜合考慮算法和編程語言，以及計算機硬件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這在一定程度上表明了當(dāng)前計算機硬件類課程進行有效教學(xué)的重要性。在我校的計算機硬件系列課程教學(xué)中，目前正采取突出重點、強調(diào)基礎(chǔ)、加強實踐環(huán)節(jié)的方式來穩(wěn)步推進教學(xué)工作的開展。同時對綜合實驗、創(chuàng)新性課程進行了改革，協(xié)同保障實現(xiàn)硬件系列課程的改革目標；采用分級式實驗內(nèi)容和成績評價指標，兼顧不同層次學(xué)生的個人能力和水平；鼓勵學(xué)生根據(jù)自身的學(xué)識水平，參加各類計算機硬件相關(guān)競賽活動，在競賽中充分利用已學(xué)知識和探索未知知識。利用我校“走出校園促發(fā)展”相關(guān)政策，與企業(yè)建立緊密聯(lián)系，實現(xiàn)學(xué)生實踐學(xué)習(xí)，提高我校學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)，提升學(xué)生就業(yè)競爭力。

三、結(jié)語

在計算機硬件系列核心課程的教學(xué)中，應(yīng)充分借鑒國內(nèi)外一流高校的教學(xué)經(jīng)驗和教學(xué)成果，對計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生重點強調(diào)計算機硬件知識對于計算機系統(tǒng)架構(gòu)的重要性，順應(yīng)電子技術(shù)和信息技術(shù)的研究發(fā)展趨勢，開展順應(yīng)社會需求的教學(xué)與實驗改革，讓學(xué)生對計算機系統(tǒng)框架形成完整理解，理論課程內(nèi)容與實踐環(huán)節(jié)內(nèi)容形成緊密對應(yīng)，為后續(xù)課程打下堅實的基礎(chǔ)，加強計算機系統(tǒng)思維能力，形成自己獨特的專業(yè)優(yōu)勢。

參考文獻：

[1]徐昆良.《計算機組成原理》課程教學(xué)方法探討[J].中國科技信息，2009，（9）：254+256.

[2]袁春風(fēng)，王帥.大學(xué)計算機專業(yè)教育應(yīng)重視“系統(tǒng)觀”培養(yǎng)[J].中國大學(xué)教學(xué)，2013，（12）：41-46.

[3]劉洪濤，蘭文富.本科課程設(shè)計對學(xué)生能力培養(yǎng)[J].信息系統(tǒng)工程，2014，（5）：160.

[4]袁春風(fēng)，張澤生，蔡曉燕，楊若瑜，王帥.計算機組成原理課程實踐教學(xué)探索[J].計算機教育，2011，（17）：110-114.

[5]鐵流.計算機教育出了什么問題，連龍芯都“忍不住”開源了[EB/OL].http：//chuansong.me/n/1065186751281.endprint