高水平《計算機體系結構》課程建設的改革與實踐

王 瓊 沈 立 張春元 王志英

（國防科技大學計算機學院 湖南·長沙 410073）

計算機體系結構是計算機大類專業一門重要的系統級課程，重點講述現代大多數計算機系統都采用的比較成熟的結構，主要內容包括計算機體系結構和并行性等基本概念、計算機指令系統的設計方法、流水線及指令級并行技術、向量處理機結構和性能模型、存儲層次、多處理機和關鍵技術、集群計算機及典型案例等。通過學習計算機體系結構，學生將建立起計算機系統的整體概念，包括概念性結構與功能特性。然而本課程具有內容抽象、實踐要求高等特點，導致教學具有“很難教、不易學、難學好”等難點。

國防科技大學計算機學院依托計算機科學與技術一流學科（在歷次全國一級學科評估中名列前茅，2016年A+、入選“雙一流”）和一流專業（2010年入選卓越工程師計劃，2014年通過國家工程教育專業認證），堅持教學科研相結合，大力推動教學改革，開展高水平《計算機體系結構》課程建設，強化計算機專業學生的系統能力培養。通過學習該課程，學生將掌握計算機系統，包括單機系統和多機系統的基本原理、基本結構、基本設計方法和基本分析方法，特別是量化的分析方法，最終形成設計、集成和構造計算機系統的解決復雜工程問題的能力。

2004年，國防科技大學計算機學院《計算機體系結構》課程入選首批全軍優質課程，2005年評為國家精品課，是全國首門計算機體系結構精品課程，2013年評為國家精品資源共享課。本文以國防科技大學計算機學院建設高水平《計算機體系結構》課程的具體實踐為案例，總結經驗做法，提出若干課程建設建議。

1 課程建設情況

國防科技大學計算機學院《計算機體系結構》課程主要面向計算機科學與技術、軟件工程和網絡工程等專業的大三學生，先修課程為計算機原理，后續的課程是嵌入式系統、并行計算機系統、計算機系統性能評價等，主要教材是清華大學出版社出版的《計算機體系結構》（第2版），由國防科技大學王志英、張春元、沈立、肖曉強、姜晶菲幾位老師聯合撰寫。該課程始終堅持科研實踐與理論教學緊密結合，從工程經歷和科研成果中提取教學案例，設計實驗方案，打造高水平教學團隊，編寫高水平教材，將本課程建成國家級精品課程，并以本課程為基礎打造了本碩博貫通的計算機體系結構課程體系。2014年以來，本課程結合計算機科學與技術一級學科建設、工程教育專業認證等工作，以培養系統能力特別是解決復雜工程問題的能力為目標，更新教學理念、調整內容體系、改革教學方法，同時建設課程資源和教材，充分發揮國家級精品課程的引領示范作用。

1.1 以目標產出導向和持續改進理念等指導課程建設和改革

目標產出導向、持續改進都是國家工程教育專業認證的核心理念，強調課程建設應以學生達到畢業要求為目標，并根據教師、學生、督導的意見和建議及時改進。結合本領域的發展實際，本課程確定了“培養復雜工程能力特別是解決計算機系統設計和實現相關復雜工程問題能力”相關的畢業要求，并以此指導課程建設，組織教學活動，實施教學評價。

持續改進方面，采用線上線下兩種方式相結合的手段來實現課程建設和改革方法的不斷改進。基于 EduCoder在線平臺，建立課程、布置作業、發布測試題等。課上通過雨課堂發布課件、隨堂布置習題、現場提問等方式來了解學生知識掌握情況，檢驗知識點的教學效果并同步進行調整。課后通過發放線上課程調查問卷的方式收集學生對課程和教學方式的看法，根據反饋結果來調整課程建設思路和實施方法，提升課程改革效果。

1.2 以系統能力培養為目標，改革教學內容

本課程是計算機專業一門非常重要的系統級課程。因此，培養學生系統能力，特別是解決計算機系統設計和實現相關復雜工程問題的能力，是本課程的主要目標之一。本課程圍繞這一目標對教學內容和實驗內容進行相應的更新，及時將多核處理器、GPU、集群、DSA等內容引入課堂，使學生全面了解典型計算機系統體系結構及工作原理，并以時鐘精度軟件模擬器的設計和實現為基礎，增加了指令系統設計、專用指令擴展、指令級并行、Cache一致性協議等實驗內容，填補了國內同類課程空白。

本課程的負責人和主講教師王志英教授是國家精品課、國家精品資源共享課“計算機體系結構”負責人，率先在國內高效發起系統能力培養的計算機類專業課程教學改革，數百所國內高校參與。2017年，因在計算機系統能力培養的突出貢獻，王志英教授獲得中國計算機學會杰出教育獎。

1.3 以一流科研支撐一流課程建設

計算機學院長期承擔超級計算機、高性能處理器、操作系統等為代表的國家重大工程項目，取得了以銀河巨型計算機、天河超級計算機、飛騰處理器、麒麟操作系統等為代表的一系列具有影響力的科研成果。本課程堅持以一流科研成果支撐課程建設，科研教學協同育人，采用現場教學、師徒幫帶等形式使研究生近距離接觸銀河、天河等科研團隊，由科研團隊成員親自指導和評價。

將天河2號、國產飛騰處理器和麒麟操作系統等作為案例引入課堂教學，以國產自主處理器和操作系統為核心打造課程實驗平臺，形成鮮明的國產化特色。如在講解“測試程序”相關內容時，從TOP500排行榜出發，介紹超級計算機的性能測試集Linpack以及計算機學院天河超級計算機面向該測試集所做的體系結構優化。此外，邀請國產飛騰處理器研制團隊的一線科研人員結合自身科研經歷做“領域專用體系結構”的主題報告，介紹相關領域的國內外前沿進展、他們在科研攻關經歷中遇到的體系結構領域挑戰問題，以及攻克這些難關的方法。

1.4 開展課程思政建設

以“弘揚銀河精神，傳承紅色基因”為目標，結合課程教學內容和教學模式，采用類比講解、舉例講解、案例教學、參與式教學等多種形式教學方法，從計算機學院長期以來承擔的銀河系列巨型計算機系統、天河系列超級計算機系統、飛騰系列CPU和DSP、麒麟操作系統等國家重大工程項目的研制經歷中提取課程思政元素，將科研無縫融入課程教學，實現專業教學內容和思政元素的深度融合，做到潤物細無聲。比如在“指令系統的發展和改進”這一教學內容中，首先以國防科大計算機學院研制的加速器中所用的超越函數指令為例，講解增強運算型指令的收益，同時加強學生對計算機學院科研成果的了解和認可；其次以飛騰、龍芯、申威等國產CPU為例，使學生了解國產 CPU的現狀以及進一步發展自主指令集所面臨的專利、制造等“卡脖子”問題，使學生意識到國家發展國產自主CPU的道路依然充滿挑戰，需要大量的科研、教學人員為之努力奮斗。

2 課程特色與創新

2.1 建設了“高水平計算機體系結構”課程體系

充分借鑒和吸收國際一流大學相關課程的精華，內容上與國際計算機體系結構領域的最新進展保持一致，建設了本、碩、博打通的高水平課程體系，“高級計算機體系結構”2019年入選湖南省優質研究生課程。建設了包括“計算機體系結構”（本）、“高級計算機體系結構”（碩）、“計算機體系結構實驗”（碩）、“面向體系結構的軟件優化實驗”（碩）、“計算機體系結構前沿技術”（博）在內的本、碩、博貫通的高水平課程體系。

本科生課程以建立計算機體系結構概念、培養系統設計能力和性能評價能力為主。研究生課程深入討論指令級并行、數據級并行和進程級并行開發技術，以及有效支撐這些并行性開發的體系結構技術。在理論學習的基礎上，研究生階段還建設了兩門實驗課，其中“計算機體系結構實驗”重點關注體系結構的設計和實現，“面向體系結構的軟件優化實驗”重點關注如何充分發揮體系結構的性能。博士生課程則以介紹近年來體系結構領域的前沿進展為主。

2.2 理論與實踐緊密結合

主講教師長期工作在教學科研一線，主要研究方向為計算機系統結構和微處理器設計等，主持國家自然科學基金、國家973重大基礎研究、國家863高技術研究等多個計算機體系結構相關項目，具有豐富的科研實踐經驗。課程深入結合本單位幾十年來從事計算機系統研制的雄厚積累，在保持基本內容基礎上，引入來自科研成果的新的內容和典型實例，體現了理論與實踐的緊密結合的教學基本要求，使得課程教學更加生動，還有助于激發學生潛能。

比如講授向量處理機相關內容時，課程結合計算機學院研制的我國首臺億次巨型計算機銀河-I，介紹銀河-I在雙向量陣列結構等方面所做出的體系結構創新，幫助學生更好的理解向量處理機的知識點。此外，課程在介紹異構多核處理器相關知識時，則結合計算機學院研制的我國首臺千萬億次超級計算機天河1號，通過介紹天河1號所采用的CPU+GPU異構多核體系結構，使得學生更好的理解和掌握異構平臺在性能加速方面的原理和優勢。

2.3 同步建設高水平教材

本課程的教材是“十一五”“十二五”國家級規劃教材，是課程主講教師多年來從事計算機體系結構科學研究、課程建設和教學工作的結晶。教材的編寫充分借鑒和吸收了國際上計算機體系結構領域公認教材的重要精華之處，做到了在內容上與國際計算機體系結構課程教學內容的協調一致，并且符合教育部高等教育計算機科學與技術教學指導委員會發布的《高等學校計算機科學與技術本科專業規范》對該課程的要求，教學目標定位清晰。

教材設計立體化，促進學生對理論知識和實踐能力的掌握。配套有實驗指導教材、教師教學和習題指導教材、教學課件等。教材內容覆蓋合理，組織恰當，符合教學規律。在內容組織上做到“因材施教”，重點突出、難點分散。教材在國內計算機體系結構教學中有著很好的引領和示范作用，多所高等學校采用此書作為課程教材。

3 課程建設成果通過教學改革，教學質量提升顯著，能力培養成效突出

3.1 學生解決復雜工程問題的能力得到顯著提升

學生能夠有效利用現代工具解決所遇到的問題，從最基本的計算機模擬器實現、DLX處理器的指令系統和指令編碼方案確定、單流出的5級32位dlx整數流水線以及在FPGA平臺上的仿真，到更多高級功能模塊的實現，包括計算機體系結構課程中介紹的開發指令級并行和數據級并行的硬件機制、Cache等，如DLX浮點流水線、記分牌算法、VLIW技術、分支目標緩沖器、SIMD指令擴展等。開發出可用的時鐘精度軟件模擬器，實現流水線、分支預測、Cache等基本模塊以及動態指令調度或多核結構Cache一致性協議等高級模塊，代碼規模超過1.5萬行，代碼軟件質量優。

3.2 教改成果產生重要影響力

獲國家教學成果二等獎2項，軍隊和湖南省教學成果一等獎各1項；出版的一套教材（主教材、教學指導和習題解答、實驗教材）入選“十一五”“十二五”國家規劃教材，被國內100多所高校的計算機學院、軟件學院、信息科學與技術學院、電信工程學院等的計算機類專業、自動化及電子信息專業選用，具有很強的輻射作用和影響力。學院牽頭全國計算機系統能力培養改革，負責制定國家計算機體系結構課程規范。本課程的負責人和主講教師王志英教授率先在國內高效發起系統能力培養的計算機類專業課程教學改革，數百所國內高校參與。多次受邀在全國性教學會上做特邀報告或進行課程導教，介紹課程建設和教學經驗。

3.3 課程思政建設取得顯著成效

本課程率先開展課程思政建設改革，結合計算機學院在銀河、天河等重大項目中的科研攻關經歷，建設了課程思政案例庫，弘揚銀河精神，2020年以總分第一的成績入選國防科技大學課程思政示范課程。2021年1月，在全軍課程思政研討會上做專題報告“弘揚銀河精神，傳承紅色基因——計算機類專業課程思政的實踐”，介紹計算機類專業課程思政建設經驗，受到與會專家和教師的高度肯定。張春元教授多次在工程教育專業認證培訓會上面向國內高校計算機類專業建設團隊介紹“專業課程思政建設與自評”部分的撰寫經驗。

4 進一步提升課程建設的若干建議

4.1 改進教學設計、提升教學質量

基于收集到的反饋，發現課程教學中的問題和不足，綜合運用類比講解、舉例講解、案例教學、參與式教學等手段，改進課堂教學、實踐教學方法、實踐教學設計及要求，完善過程性評價方法，切實提升能力培養成效。完善本課程已初步形成的依托學生和教師的內部反饋機制，以及依托督導的外部反饋機制，同時利用教學平臺收集分析學生的學習過程數據，探究教學規律，分析教學成效和不足，用于指導課程改進。

4.2 豐富教學資源、更新課程教材

依托在線教學平臺，更新已有的教學資源，包括教學課件、教學視頻、習題實驗、論文資料等，新增教學案例、設計實例等資源。結合本領域的最新進展、本單位的最新科研工作和成果，編寫出版新一版教材，包括主教材、教學指導和習題解答、實驗指導等，體現課程知識體系的完整性、前沿性和時代性。

4.3 制定課程規范、宣傳推廣應用

根據專業發展、社會需求和產業要求，結合課程教改成果，制定國家計算機體系結構課程規范和標準，支撐計算機科學與技術、微電子科學與技術、集成電路設計與集成系統等相關專業的人才培養。通過積極組織和參加全國范圍的教學研討會、課程導教班等活動，在全國性教學會上做報告或進行課程導教，介紹課程建設和教學經驗。向國內同行分享課程建設成果經驗、教學方法和課程資源，充分發揮國家級精品課程的引領示范作用。

4.4 創新思政建設、培養學生意識

深化課程設計，使思政元素或案例與教學內容之間的關聯更加緊密，探索課程思政目標與課程內容相融合的量化評估。深化課程思政教學效果評價機制，除課堂評價外，還將其納入畢業生綜合評價體系，且持續到畢業后若干年。具體在思政元素上可以多結合時政熱點開展，如回顧“中興事件”“華為事件”，使學生們在理解與掌握集群計算機體系結構及其特點的同時，意識到雖然國家在信息技術的某些領域已經達到或者接近國際一流水平，但在其他領域，依然面臨著嚴峻挑戰，甚至被“卡住了脖子”。學生應該具有足夠的憂患意識，國家也需要通過基礎研究和原始創新來應對這些挑戰。

5 結語

本文對國防科技大學計算機學院建設高水平《計算機體系結構》課程實踐情況進行了總結，具體從課程建設內容與成果、課程特色與創新、下一步完善措施等方面展開介紹了課程的建設情況和未來計劃。在下一步工作中，將進一步更新教學理念，調整內容體系，改革教學方法，提高計算機體系結構課程建設水平。