獨立學院“計算機體系結構”課程建設的探索與實踐

程妍

摘 要：獨立學院是一個新的辦學體制，在獨立學院開展計算機體系結構本科教學不能一味沿襲傳統研究型高等學校的教學模式，應按照獨立學院的發展目標和人才培養要求形成一套獨立學院特有的課程建設方案。本文將介紹該課程體系建設的情況，其中包括對教學目標、教學內容、課程討論、教學實踐等方面所作的調整和改進。

關鍵詞：獨立學院 計算機體系結構 課程建設

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2013）03（b）-0167-02

我校獨立學院成立于2002年，它是依托母體學校的教育教學資源和管理資源建立的，但又有別于母校—— 傳統研究型高校的一個新的辦學體制。我校獨立學院根據生源特點及辦學理念，明確學院人才培養模式為“厚基礎、寬口徑、強能力、高素質”，注重本科學歷教育與職業素質培養一體化，著重培養適應市場經濟發展的高素質應用型管理人才和技術人才。因此要求獨立學院針對“三本”的特點和人才培養目標重新建設各專業課程，確定相應的課程教學培養目標，調整教學方法、教學模式及教學內容，逐步形成完善的自有教學文件體系。

本人同時承擔本校及其獨立學院的計算機體系結構課程教學工作，在長期的教學中不斷探索和建設區別與傳統本科教學的、符合獨立學院辦學目標和要求的課程體系。本文將介紹該課程體系建設的情況及改革思考，其中包括對教學目標、教學內容、課程討論、教學實踐等方面所作的調整和改進，以求與同類兄弟院校的同行交流經驗，促進獨立學院課程建設的改革發展。

1 課程建設的內容和特點

1.1 課程特點和教學目標

“計算機體系結構”是計算機科學與技術學科計算機系統結構專業的一門重要的專業基礎課和必修課。它強調從總體結構、系統分析這一角度來研究計算機系統。通過學習本課程，能把在“計算機組成原理、操作系統、編譯原理、匯編語言程序設計”等課程中所學的軟、硬件知識有機地結合起來，從而建立起計算機系統的完整概念。教學目標是通過對計算機系統設計所必須了解與掌握的專業知識的學習，培養學生們系統地、自上而下地分析和解決問題的能力，使學生能全面評價和管理計算機系統。

1.2 課程教學內容

“計算機體系結構”理論教學時長為50學時，內容包括計算機體系結構的基本概念及發展、計算機系統的設計與分析、指令系統、流水線技術、存儲層次、輸入輸出系統、多處理機及機群計算機，其中重點講授內容為計算機系統的設計與分析、流水線技術及存儲層次[1]。前者是計算機系統量化設計的基本原則；流水線是計算機體系結構設計中經典的已成熟應用的技術；存儲層次則是設計中的瓶頸問題，本課程提到了十幾種提高存儲性能的方法，在實際應用中還存在很多軟硬件優化折中的方法。

由于“計算機體系結構”是計算機科學與技術專業的一個二級學科，該學科方向主要研究如何改進計算機系統的結構設計，以提高系統的整體性能，并用定量的技術分析新的體系結構。此方向包含了很多前沿研究熱點，每年都有大量新技術、新方法產生。為了在課堂教學中能及時體現目前該學科的研究發展現狀，我們在教學內容中增加了以下專題介紹：“超級計算機的發展、微處理器體系結構優化技術、存儲結構優化技術、面向體系結構的并行計算模型和編程模型、體系結構性能評測與模擬器工具、面向體系結構的應用性能優化”。通過這些專題介紹擴展了課堂教學的覆蓋面，激發了學生的學習興趣，使學生對本課程所代表的學科方向有了更深的了解，有助于將來學生就業方向、研究方向的選擇。

1.3 課程討論的設計

為了帶動學生的學習興趣，提高學生自主學習的能力，本課程增強了對教學過程中學生學習情況的考查，將平時成績的構成調整為40%，其中平時作業及課堂表現占10%，課程實踐占10%，課程討論占20%。從平時成績的構成可以看到課程討論很重要，占平時成績考核的一半。課程討論采取課程學習小組的形式完成，即開學之初學生自由組合形成若干個由3～5人構成的課程學習小組，在教學過程中隨著課程內容的講授給各課程學習小組布置不同的學習任務。具體實施方法：（1）首先在每章教學結束時，針對該章內容及相應的專題設置若干子題目并布置給學習小組，要求小組成員圍繞該子題目查閱相關文獻資料，然后將搜集的信息整理制作成課件并在課堂上介紹。（2）為了檢查小組的每個成員是否都參與其中，老師每次將隨機選擇一名成員講述任務的完成情況，并組織其它小組的同學對其提問，并展開討論，最后綜合上述表現給出考核成績。

通過學習小組的形式開展課程討論可以促使學生克服畏難情緒，共同合作完成任務。另外由于課程討論安排在相應專題介紹之前，因此，更有利于對專題內容的理解，使課堂教學內容的學習、相關文獻資料的自學理解、前沿技術專題的介紹擴展有機地結合在了一起。通過上述教學環節的設置，加大了對學生平時學習的督促、監管和考查力度，調動了學生的學習積極性，取得了比較好的學習效果。

1.4 課程實踐

本課程暫時未開設實驗課，針對課程內容的實驗操作通過課外實踐的形式布置給學習小組完成。實踐內容與計算機體系結構課程中處理器性能評價、指令系統、流水線等方面的教學內容相對應，需要用到WinDLX模擬器。該模擬器模擬DLX流水線處理器的工作過程，利用該模擬器，學生可以在模擬的環境中驗證和應用所學的知識。因此要求學生要熟練掌握WinDLX模擬器的操作和使用，了解DLX指令集結構及特點，理解流水線的工作過程，掌握流水線中各種相關的產生原因和解決方法。根據學生的學習和實踐能力將課程實踐分為兩個層次，學習小組可以商討選擇其中一個層次的實驗。

第一個層次是驗證性實驗—— 模擬驗證流水線的相關。該實驗要求學生在DLX模擬器上加載和執行若干個DLX程序，通過模擬找出存在相關的指令以及導致相關的部件；然后記錄由此相關引起的暫停時鐘周期數，計算暫停時鐘周期數占總執行周期數的百分比；最后論述各相關對CPU性能的影響，討論解決流水線相關的方法[2]。在實驗過程中，允許學生對系統的設置參數進行改變，對程序的執行進行多種控制，記錄獲得的統計數據。

第二個層次是設計性實驗—— 設計實現一個單流出的5級32位DLX整數流水線。該實驗要求學生按照教材所描述的流水線結構，設計實現流水線的IF、ID、EX、MEM、WB段，然后在其上進行功能仿真[3]。

通過課程實踐有利于學生對課堂教學內容的理解和應用，同時，也提高了學生的動手操作能力。

1.5 綜述

綜上所述，表1按課程章節順序列出了計算機體系結構課程建設的各項內容。

表中課程討論只列出了部分熱點題目，每年還會根據計算機體系結構的新技術進行更新，另外專題內容也會及時調整。通過這種形式促使學生積極關注計算機體系結構發展的新動向，有效地延伸了課堂教學，有助于學生對計算機體系結構這個學科方向的全面認識。

2 結語

獨立學院是一個新的辦學體制，在獨立學院開展計算機體系結構本科教學不能一味沿襲傳統研究型高等學校的教學模式，應按照獨立學院的發展目標和人才培養要求積極調整教學內容、考核方法、教學模式，完善教學計劃、教學環節等，形成一套獨立學院特有的課程建設方案。本文在上述方面提出了一些建議，并在實踐中取得了一定的效果，今后還將進一步改進完善，如根據課程實踐所總結的經驗開設實驗課、增加并行計算機體系結構及并行計算與其它工程科研領域相結合的專題介紹等，以期獲得更好的教學實踐效果和專業引導作用。

參考文獻

[1] 王志英，張春元，沈立等.計算機體系結構[M].清華大學出版社，2010.

[2] 張晨曦.國家級精品課程—— 計算機系統結構[EB/OL].http：//sse.tongji.edu.cn/arch/index.htm.同濟大學軟件學院，2010.

[3] 沈立，肖儂，王志英.計算機體系結構實驗[M].清華大學出版社，2010.