計算機體系結(jié)構(gòu)層疊式教學(xué)模式研究

張元鳴，雷艷靜，高 飛，肖 剛

（浙江工業(yè)大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310023）

0 引 言

計算機體系結(jié)構(gòu)是高等院校計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生一門重要的專業(yè)主干課程，能夠有機地結(jié)合計算機組成原理、操作系統(tǒng)、編譯原理、匯編語言等課程的軟、硬件知識，幫助學(xué)生建立計算機系統(tǒng)的完整概念，提高學(xué)生從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)角度設(shè)計、分析和量化評價計算機系統(tǒng)的能力。

經(jīng)過較長期的教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)，以理論授課為主的教學(xué)模式存在以下幾個主要問題。

（1）教學(xué)內(nèi)容枯燥，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高。由于計算機體系結(jié)構(gòu)的概念和原理較多，內(nèi)容抽象，學(xué)生感覺課程內(nèi)容枯燥難學(xué)，學(xué)習(xí)的積極性不高[1-2]。

（2）教材內(nèi)容更新緩慢，教學(xué)與實際應(yīng)用脫節(jié)。計算機體系結(jié)構(gòu)發(fā)展迅速，新的技術(shù)和成果不斷涌現(xiàn)，而這些課程在現(xiàn)有的教學(xué)模式下較難引入課堂，使得授課內(nèi)容與當(dāng)前研究熱點和實際應(yīng)用相脫節(jié)，不利于學(xué)生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)[3-4]。

（3）傳統(tǒng)的教學(xué)模式束縛學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性。傳統(tǒng)的教學(xué)模式使得學(xué)生在整個教學(xué)過程中始終處于被動地位，跟著教師的思路，按照教材的內(nèi)容按部就班地學(xué)習(xí)，不利于創(chuàng)新思維和實踐能力的培養(yǎng)。

為了克服以理論授課為主的計算機體系結(jié)構(gòu)教學(xué)模式的缺陷，可以采用理論授課與專題研究相結(jié)合的層疊式教學(xué)模式，秉承教學(xué)“既重視傳授理論知識，又要重視培養(yǎng)能力的理念”，在教師的引導(dǎo)下，以類似科學(xué)研究的方式獲取知識并尋求解決問題的思路，讓學(xué)生在掌握知識內(nèi)容的同時，培養(yǎng)學(xué)生探尋新知識的能力，增強創(chuàng)新意識和綜合能力。

1 層疊式教學(xué)模式的內(nèi)涵

層疊式教學(xué)模式是一種將理論授課和專題研究相結(jié)合的教學(xué)模式，理論授課側(cè)重于核心知識講述，以學(xué)習(xí)經(jīng)典的原理與關(guān)鍵技術(shù)為主；專題研究則側(cè)重于當(dāng)前的研究熱點，以學(xué)習(xí)最新的研究成果為主，其中理論授課是基礎(chǔ)，專題研究是授課內(nèi)容的拓展和深入，兩個教學(xué)環(huán)節(jié)相互補充、交叉進(jìn)行，以迭代的方式逐步展開。層疊式教學(xué)模式的示意圖如圖1所示。

圖1 層疊式教學(xué)模式示意圖

理論授課主要圍繞課程的基本概念、基本原理和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行教學(xué)，授課內(nèi)容是經(jīng)過教師認(rèn)真思考，從教材以及相關(guān)資料中選取的重要內(nèi)容，具有針對性和典型性，避免面面俱到，如計算機體系結(jié)構(gòu)需要突出定量原理、指令集設(shè)計、指令級并行技術(shù)、層次結(jié)構(gòu)存儲器和Cache優(yōu)化、多處理器架構(gòu)等內(nèi)容，這些內(nèi)容涵蓋課程的主要內(nèi)容。

專題研究圍繞若干專題由學(xué)生自主學(xué)習(xí)和研究，通過查閱一定數(shù)量的文獻(xiàn)，對最新的研究成果消化吸收，理解其研究的背景、解決的科學(xué)問題，采用的基本思想和技術(shù)，取得的實際效果[5-6]。在總結(jié)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，撰寫專題報告并在課堂上宣講和討論。

專題研究的題目由教師根據(jù)當(dāng)前本領(lǐng)域的研究熱點以及教師研究課題設(shè)置，這樣做主要基于以下幾個考慮。

（1）體現(xiàn)教師的主導(dǎo)作用。教師清楚目前該領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展和成果，避免學(xué)生自主選題的盲目性，提高選題的質(zhì)量。

（2）保證理論授課與專題內(nèi)容的一致性和互補性。專題研究是對理論授課的進(jìn)一步拓展，避免內(nèi)容過于分散、不夠深入。

（3）促使教師了解本領(lǐng)域最新研究成果，不僅要吃透教材，而且需要了解計算機體系結(jié)構(gòu)的最新發(fā)展現(xiàn)狀[7]。

（4）使專題研討更深入、更具體。教師設(shè)置專題，使得其對學(xué)生的研究結(jié)果有一定的預(yù)期，可以在討論階段對專題內(nèi)容進(jìn)行引導(dǎo)和點評。

專題研究是在已掌握本課程基本理論之后的一個再學(xué)習(xí)過程，要求學(xué)生能夠發(fā)揮主觀能動性，積極地收集、分析、歸納、整理該專題范圍內(nèi)的學(xué)術(shù)資料，理解專題內(nèi)容，注重獲取知識的過程。在宣講階段將所學(xué)內(nèi)容介紹給大家，這對學(xué)生的要求較高，因為只有對所研究的專題有較為深入的理解，才能夠?qū)W(xué)到的知識講清楚、讓別人理解。

理論授課、專題研究和教學(xué)目標(biāo)的關(guān)系如圖2所示，理論授課側(cè)重傳授知識，專題研究側(cè)重培養(yǎng)能力，這兩個教學(xué)環(huán)節(jié)密切相關(guān)、互為補充，共同確保教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)。該模式既強調(diào)傳授知識，又強調(diào)培養(yǎng)能力，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下3方面。

圖2 理論授課、專題研究和教學(xué)目標(biāo)的關(guān)系

（1）理論授課和專題研究是有機的統(tǒng)一體，可相互補充。理論授課突出授課的重點，而專題研究則是授課內(nèi)容的進(jìn)一步拓展和深入。

（2）及時將最新研究成果引入教學(xué)課堂，保證教學(xué)內(nèi)容與最新研究進(jìn)展的同步，同時達(dá)到傳授知識和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識的目的。

（3）充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主觀能動性，避免單一教學(xué)模式帶來的局限性，實現(xiàn)“教”與“學(xué)”的相互促進(jìn)和統(tǒng)一。

該教學(xué)模式較為適合專業(yè)課和專業(yè)基礎(chǔ)課的教學(xué)，因為這些課程一般面向某一專業(yè)領(lǐng)域，授課內(nèi)容也與最新的研究進(jìn)展密切相關(guān)。

2 層疊式教學(xué)模式的實施過程

層疊式教學(xué)模式包括兩個教學(xué)環(huán)節(jié)：一是理論教學(xué)，包括選取教學(xué)重點、講授經(jīng)典理論、設(shè)置專題內(nèi)容3個階段，以教師為主導(dǎo)和以學(xué)生為主體，屬于課內(nèi)學(xué)習(xí)；二是專題研究，包括查閱文獻(xiàn)資料、整理撰寫報告、專題演講討論3個階段，以學(xué)生為主導(dǎo)和以學(xué)生為主體，屬于課外學(xué)習(xí)和課內(nèi)研討相結(jié)合。該教學(xué)模式的實施過程如圖3所示。

2.1 理論教學(xué)內(nèi)容選取

選取理論教學(xué)內(nèi)容之前，先要對與本課程緊密相關(guān)的課程有一個較為深入系統(tǒng)的研究，吃透課程間的關(guān)聯(lián)關(guān)系[7]。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)內(nèi)容的選取可緊緊圍繞設(shè)計“高性能、低成本、低功耗”的計算機系統(tǒng)組織，避免與計算機組成、操作系統(tǒng)等課程內(nèi)容的重疊，同時遵循以下3個原則。

（1）著重選取經(jīng)典的思想和理論。經(jīng)典的思想和理論代表著計算機體系結(jié)構(gòu)最基礎(chǔ)、最核心的內(nèi)容，對設(shè)計和理解計算機體系結(jié)構(gòu)具有無可替代的作用。

圖3 層疊式教學(xué)模式實施過程

（2）選取具有系統(tǒng)性和典型性的教學(xué)內(nèi)容。選取的內(nèi)容應(yīng)該是計算機體系結(jié)構(gòu)經(jīng)典的技術(shù)，具有良好的啟發(fā)性和代表性，而且能夠自成體系。

（3）強調(diào)量化的分析方法。高性能是計算機系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)，而量化分析計算機性能是評價一種技術(shù)是否有效的基本手段。

以浙江工業(yè)大學(xué)計算機體系結(jié)構(gòu)課程的授課內(nèi)容為例，該課程的總學(xué)時為32學(xué)時，其中24學(xué)時為理論授課，8學(xué)時為專題研究。表1為按知識模塊劃分的理論授課的主要教學(xué)內(nèi)容[8]，根據(jù)實際的教學(xué)時數(shù)，可對教學(xué)內(nèi)容作適當(dāng)擴(kuò)充或刪減。

表1 計算機體系結(jié)構(gòu)理論授課內(nèi)容

2.2 專題研究內(nèi)容設(shè)置

專題研究的目的是通過對某一專題的探索和學(xué)習(xí)，學(xué)生能掌握科學(xué)研究的基本方法，包括解決的問題、基本思想、關(guān)鍵技術(shù)以及最終的效果。一般地，設(shè)置的專題應(yīng)該符合以下幾個原則。

（1）專題內(nèi)容與授課內(nèi)容緊密相關(guān)。開設(shè)的專題應(yīng)該是理論教學(xué)的深入和拓展，與理論教學(xué)具有良好的銜接性和內(nèi)在的關(guān)聯(lián)性。

（2）專題內(nèi)容具有新穎性。最新的研究成果是理論授課的必要補充，專題應(yīng)該具有新穎性，能夠代表該領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展。

（3）專題內(nèi)容難度適宜。學(xué)生通過努力能夠獨立完成所設(shè)定的專題，而難度太大的專題內(nèi)容會影響學(xué)生的積極性。

表2為教學(xué)中采用的部分專題內(nèi)容，與表1的知識模塊相對應(yīng)，每個知識模塊根據(jù)學(xué)生授課人數(shù)、學(xué)時要求以及實際情況可以設(shè)置1～3個專題。

為了能夠組織好“專題研究”教學(xué)，可由學(xué)生自由組合成研究學(xué)習(xí)小組（3～5人），在選定的主題下，查閱相關(guān)資料，開展自主學(xué)習(xí)和研究，撰寫報告，然后在課堂上宣講；可鼓勵學(xué)生使用英文，報告時間是10～15 min，之后要求其他同學(xué)進(jìn)行深入討論，以便充分交流和思想碰撞，同時教師對專題涉及的重點內(nèi)容做好引導(dǎo)和解釋。

表2 計算機體系結(jié)構(gòu)專題研究內(nèi)容

2.3 成績考核方法

在該教學(xué)模式下，總成績考核需要充分反映教學(xué)過程中的各主要階段，包括理論授課、報告質(zhì)量、報告宣講、課堂討論等方面，每個部分的成績占適當(dāng)?shù)谋壤詈笥嬎愠隹偝煽儯煽兛己朔椒ㄈ缦拢?/p>

總成績=考試成績×X1+報告成績×X2+宣講成績×X3+課堂討論成績×X4

其中，參數(shù)列表（X1,X2,X3,X4）分別是（0.4,0.3,0.2,0.1），這些參數(shù)值可根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整。

3 教學(xué)實踐效果

截至2018年，我們在5屆計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的計算機體系結(jié)構(gòu)課程中采用層疊式教學(xué)模式，課堂教學(xué)突出教學(xué)的重點和難點，專題研究突出最新研究成果和實際應(yīng)用，教學(xué)效果明顯提升。計算機體系結(jié)構(gòu)中較為抽象的理論、公式和原理能夠在專題研究中得到進(jìn)一步學(xué)習(xí)，加深學(xué)生對相關(guān)原理的理解，如計算機的CPU性能公式在諸多文獻(xiàn)中被用來量化評價計算機的性能。此外，學(xué)生也進(jìn)一步理解學(xué)術(shù)界和業(yè)界之前通過提升主頻提高計算機性能，而目前通過多核技術(shù)提升計算機性能。

專題的設(shè)置能充分調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性，如通過設(shè)置計算機指令集專題，學(xué)生能夠主動地弄清楚各類計算機上采用的計算機指令集，并分析Intel指令集、AMD指令集和MIPS指令集的發(fā)展脈絡(luò)和各自優(yōu)勢，理解指令集在CPU設(shè)計中的重要地位。

該模式能夠提高學(xué)生的文獻(xiàn)查閱能力、文獻(xiàn)閱讀能力、報告撰寫能力、PPT制作能力、宣講能力和團(tuán)隊能力，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的研究能力。每個專題的相關(guān)資料（文獻(xiàn)資料、專題報告和PPT）可上傳到公共的云服務(wù)平臺上，供感興趣的學(xué)生和教師下載和學(xué)習(xí)，如利用新秀科教平臺分享相關(guān)專題報告資料。

從學(xué)生對課程的滿意度調(diào)查看（結(jié)果來自學(xué)校匿名學(xué)評教），學(xué)生對本課程的滿意度非常高，每年的學(xué)評教成績都在98分以上，表明該教學(xué)模式具有一定的優(yōu)勢，能夠顯著提高本課程的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效果。

4 結(jié) 語

基于理論授課和專題研究相結(jié)合的層疊式教學(xué)模式，能夠有效實現(xiàn)傳授知識與培養(yǎng)能力并重的目的，實踐證明該模式在高校計算機體系結(jié)構(gòu)的教學(xué)中能夠提高教學(xué)效果，對其他專業(yè)課和專業(yè)基礎(chǔ)課的教學(xué)具有一定的借鑒意義。