“計算機系統結構”校級精品課程建設的探索與實踐

方 娟 毛國君 朱文軍

摘要:精品課程的建設可以促進教學水平和教學質量的提高,本文通過對“計算機系統結構”校級精品課程建設的研究,對該課程的課程定位、教學模式、教學方法等做了有益的探索,提出創新教育、知識更新的思想。

關鍵詞:精品課程;教學模式;創新教育

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

精品課程建設是教育部啟動的“高等學校教學質量與教學改革工程”中的一項重要內容,是提高教學質量進而提高人才培養質量的奠基性工作。我校2008年開始啟動“校級精品課程建設計劃”,我院的“計算機系統結構”課程被評為首屆校級精品課程。下面就課程定位、教學體系建設、知識模塊、教學模式、相關教學研究等方面介紹對該課程建設的探索與實踐。

1課程的基本定位和教學目標

在計算機專業人才需求越來越多的情況下,北京市對計算機硬件相關的技術人員也加大了需求量,在這樣的形勢下,我們建立了新的計算機硬件課程體系,對“計算機系統結構”課程的定位也越來越明確。我校的計算機專業主要為北京市培養計算機應用型人才,學生的就業取向大多數是北京市的高新技術企業。因此,我們從教學計劃、教學大綱、教學平臺、實驗設計平臺和工具等方面均做了改革和調整,以適應形勢發展的需要。具體措施為:

(1) 通過“數字邏輯”解決數字邏輯電路的基本概念和原理;

(2) 通過“數字系統設計”等課程讓學生掌握現代的數字系統設計平臺和工具(EDA、FPGA等),以及簡單電子部件的設計技術;

(3) 通過“計算機組成原理”解決計算機的基本組成原理與技術問題;

(4) 通過“計算機接口技術”、“高檔微機系統”課程使學生掌握微機應用系統設計和調試基本概念和方法,提高學生工程素質和設計、技術創新等方面的基本知識。

“計算機系統結構”課程的教學目標是使學生在計算機應用系統和分析設計中,理解軟硬界面分配及如何最佳、最合理地分配硬件功能,即提高系統的性能價格比方面的知識;“嵌入式系統”等系列課程,讓學生在“嵌入式系統”、“微機系統及接口”等面向應用的專業方向上進行學習和實踐。

在“計算機系統結構”的教學中,以提高計算機的性能價格比為重點,輔以計算機系統結構發展中的新技術,如流水線技術、并行技術等,最終的目標是提高學生從總體結構、系統分析這一層次來研究和分析計算機系統的能力,幫助學生建立整機系統的概念;使學生掌握計算機系統結構的基本概念、基本原理、基本結構、基本設計方法,掌握基本的性能分析方法,特別是量化方法;并對計算機系統結構的發展現狀有所了解。本課程強調培養學生的抽象思維能力和自頂向下、系統地分析和解決問題的能力,強調培養學生的創新思維和創新能力。

2知識模塊順序

本課程在建設中注重知識更新、創新教育,在2008年5月我校正式獲得批準成為《英特爾“多核技術課程”大學計劃》合作伙伴,成立了“北京工業大學——Intel多核技術實驗室”,并得到Intel公司的多核服務器及相關軟件的捐贈,在此基礎上,本課程在授課過程中增加了多核技術的內容,使學生在課堂上能接觸到更多的新知識。具體知識模塊順序如下:

(1) 計算機系統結構的基礎知識:計算機系統結構的基礎知識以及與計算機組成、計算機實現之間的關系,并對計算機系統結構未來的發展做相應的介紹。

(2) 指令系統:計算機指令系統的設計是計算機系統結構設計的核心問題,從系統結構的角度介紹指令系統及與之相關的數據表示和尋址技術等。

(3) 存儲系統:計算機系統結構設計中的關鍵問題之一是如何以合理的價格、設計容量和速度滿足計算機系統要求的存儲器系統。本模塊從存儲層次出發,介紹多級存儲體系及各級存儲器。

(4) 流水線處理技術:本章主要介紹流水線技術的基本概念、工作方式、流水線的分類和流水線在向量處理機中的應用。

(5) 并行處理技術:并行處理技術的發展及應用,互連網絡的基本概念、幾種典型的互連網結構和消息傳遞機制。

(6) 多處理機及新型計算機系統結構:多處理機模型和基本結構,多處理機結構、性能和實例,介紹數據流機、歸約機和智能計算機等的工作原理、結構、特點等。

(7) 多核技術:多核處理器的基本概念、分類和工作原理。

3建立理論與實踐相結合的教學體系

本課程在近幾年的建設中,針對原課程計劃中沒有實驗的缺陷,通過加強對國內外大學該課程進行調查和研究,建立了本課程的實驗體系。通過兩部分的實驗來加強學生對計算機流水線技術的理解。具體實驗內容是:

(1) 在掌握基本原理的基礎上,通過使用WinDLX模擬器對流水線處理和指令調度進行測試,加深對數據相關、資源相關的理解,了解這兩類相關對CPU性能的影響以及如何用定向技術來解決。

(2) 設計四個流水線功能段的設計與實現的實驗,包括取指、譯碼、執行、寫回階段,分析并設計流水線CPU各功能段的基本硬件結構,并用Verilog HDL硬件描述語言加以實現,進行實驗結果分析,最后提交規范的實驗報告。隨著實驗的不斷完善,未來將增加多核方面的實驗。實驗體系的改革使本課程的教學過程更加完整,學生能夠從實驗中加深對計算機系統結構領域的技術的理解,使抽象的內容變得具體化。

本課程的實驗為8學時,具體實驗內容如表1所示:

由于學時的限制,上述實驗中1、2為必選題目,3～6可以任選一個。

4啟發式教學模式的建立

新教學模式的建立打破了以往純粹課堂講授的方式,采用創新型的教學模式:啟發式課堂講授、主題討論、自主學習三種方式的結合。啟發式教育的核心就是要培養學生獨立思考和創新思維。在課堂中,每章節均設置相關的思考題和與前沿技術有關的研究性專題,鼓勵學生自主查閱資料,提出問題,增強師生互動。在此過程中,突出自主學習和研究性學習,全面提高學生的思維能力、解決問題的能力以及創新能力。教學過程模型如圖1所示:

在上述基礎上,還采用了課堂授課與網絡學習相結合的方式,將多種現代教學媒體與自主開發的多媒體課件、課程教學網站優化組合,構建課堂授課與網絡學習的多媒體網絡教學環境。“計算機系統結構”教學網站為學生提供了豐富的教學資源和良好的交流平臺,如提供教學大綱、教學內容、教學團隊、教學錄像、教學課件、參考教材、習題與作業、自測題等資源;網站除了為課程提供基本的信息外,強調教師與學生的互動交流,教師可以針對核心問題設置分組,論壇帖子置頂,推薦精華帖,發布公告,設置論壇風格等;學生可以針對某個問題發帖討論,站內搜索,收藏帖子等;論壇的數據庫進行定期自動備份(如一天一備份),同時可以以一周或幾天為單位,自動刪除前一周或幾天的數據庫備份文件,達到既維護數據又不使備份數據過大的目的,滿足論壇的持續性和擴展性的要求。

5結語

隨著精品課程建設的不斷推進,課程組的教師在教材建設、教學研究方面都取得了優秀的成果,目前由課程組合著的《計算機組成原理與匯編語言》、《高檔微機原理與技術》等教材均已在清華大學出版社出版,并列入國家“十一五”規劃教材;《計算機系統結構》一書也于2009年在清華大學出版社出版。由課程組的老師主持的三項教育教學項目現已通過學校中期驗收,相關老師也在該課程的教學改革中不斷提出新的思路,力爭在不斷的建設中使該課程達到北京市精品課程的標準。

參考文獻:

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[2] 方娟. 多核技術在“高級計算機體系結構”課程中的引入與探討[J]. 計算機教育,2008(20):41-42,14.

[3] 惠麗,吳玲. “數字邏輯”精品課程建設的探索與實踐[J]. 計算機教育,2009(2):110-111,133.