以計算思維能力為導向的硬件課程體系建設

賀蓮+龔奕利+蔡朝暉+劉樹波

摘 要：培養動手實踐能力是硬件教學的重點之一，但在實際的硬件課程學習過程中，學生普遍存在興趣低、知識點應用性不足等問題。文章提出對原有硬件課程體系進行改進，增加計算機系統基礎課程，調整體系中各門課程的知識點結構與內容，將計算思維融入整個教學過程，從知識點在問題求解中的作用入手，引導學生建立系統觀念，明確所學知識的實際用途，提高學生的學習興趣。

關鍵詞：計算機硬件課程體系；計算思維；系統概念

0 引 言

長期以來，培養和訓練學生的動手實踐能力一直是硬件教學的一個重點。在實際教學過程中，除了實驗和課程設計之外，理論教學也非常重視對學生解決問題能力的引導。2006年3月，美國卡內基·梅隆大學計算機科學系主任周以真（Jeannette M. Wing）教授在美國計算機權威期刊《Communications of the ACM》上撰文描述了計算思維（computational thinking）：計算思維是運用計算機科學的基本概念進行問題求解、系統設計和人類行為的理解。這篇文章從多個方面詳細地解釋了計算思維的含義，如對于間接尋址和過程調用，就既要了解其能力，又要明白使用它們的代價；而在評價一個程序時，不僅要考慮其準確性和效率，還要有美學方面的考量，對于系統的設計，則還要考慮簡潔和優雅。文章認為計算思維是將一個看上去很困難的問題轉換成能用已知方法求解的問題，這其中可能會用到簡化、嵌入、變換或模擬等方法[1]。

以往的教學中比較強調知識點，而以計算思維為導向就意味著要教給學生知識點的根源所在，引導學生用已知的知識點解決新的問題。將計算思維貫徹到教學中是為提高學生的動手實踐能力提供了一個具體、明確、操作性強的指導原則和方法[2-6]。

1 硬件課程體系架構

原有硬件課程體系的核心課程包括數字邏輯、計算機組成原理、接口技術、體系結構和嵌入式系統。在這樣的教學培養方案下，學生對于為什么要學習硬件知識缺乏初步的感性認知，常常是為了學習而學習；同時，由于對硬件課程與軟件課程之間的關系了解不充分，學習時通常會將兩者割裂開，而無法建立統一的系統概念，對硬件課程缺乏學習興趣。

在以計算思維為導向的新硬件課程體系中，首先可以增設計算機系統基礎課程，主要講授計算機系統底層的基本概念、系統的內在運作及其對程序運行性能的影響。這將使學生在深入學習計算機各組件之前能對計算機系統有一個總體的概念，并在后續專業課程的學習中保持住這種局部與整體的統一；同時，在這門前導課程中，教師還可提出很多與系統軟件功能和應用程序性能直接相關的問題，并提示學生在后續課程中會講授新的知識，以解決這些問題。

其次，可以按照認知規律與知識演進過程重新安排課程時間：數字邏輯課程的授課時間為一年級下學期，組成原理課程安排在二年級上學期，接口技術安排在二年級下學期，體系結構安排在三年級上學期，嵌入式系統安排在三年級下學期。計算機系統基礎、數字邏輯和計算機組成原理為專業基礎課，接口技術、體系結構和嵌入式系統為專業課。

最后，為了突出課程之間的關聯性和連接性，可以重新安排教學內容和教學重點。系統基礎概述計算機系統的整體概念，提出系統設計的核心問題；數字邏輯包含數字系統分析與設計的基本知識和基本理論；組成原理主要是使學生理解單處理器計算機系統中各部件的內部工作原理、組成結構以及相互連接方式；接口技術是對組成原理的擴展，講授計算機系統各部件之間以及系統與外設之間的連接；嵌入式系統主要圍繞ARM9架構，從51單片機入門逐漸過渡到ARM的體系結構及基本的ARM編程，講授嵌入式系統的基本設計原理及開發方法；體系結構則從組織和結構的角度學習、領會計算機系統，研究如何更好地對計算機系統的軟、硬件功能進行功能分配與實現，提高系統的性價比。

新課程體系在內容安排上融合了計算思維，在理論教學的同時注重對學生動手實踐能力的培養。由于計算機系統是一個整體，各課程之間不可避免地存在內容重疊，因此在劃分具體內容時，我們堅持3個原則：①根據課程大綱進行選擇，盡量減少與其他課程內容重復的部分；②對于重疊知識點，根據不同課程的特點與教學要求區分層次和重點；③強調課程知識點間的銜接，連接各知識點形成網狀知識結構。

以存儲系統的學習過程為例，表1展示了6門課程中與存儲系統相關的知識點。從表1可以發現，不同課程之間存在相同的知識點，但是這些知識點在不同課程中的難易度、深度和側重點是有差異的，這種差異體現了計算機硬件體系概念形成過程的自身特點以及人類的認知規律。

2 計算思維在教學內容中的體現

在原來的教學過程中，教師往往將重點放在知識點本身，著重講授知識點的內涵以及該知識點對某個部件的意義，對于掌握該知識點在解決實際問題時起到的作用則關注較少。對此，我們在構建硬件課程體系時進行了一些調整：首先說明知識點能解決什么問題，然后通過不同課程的學習逐步加深對知識點的理解，以達到最終解答問題的目的。在實際授課過程中，配合每門課程的主要內容，將實際問題細化分解到各門課程，讓學生帶著問題學習，知道課程知識能解決哪些問題，這些問題對實際的計算機應用又會產生怎樣的影響。教師可以存儲子系統的教學過程為例闡明這個思路，如圖1所示。

2.1 提出問題——計算機系統基礎課程

計算機系統基礎課程介紹存儲系統的層次結構，從寄存器到海量存儲器，以及每一層在計算機系統中所處的位置，如寄存器在CPU中，位于整個層次結構的頂端；內存位于高速緩存和硬盤之間。一方面，這使學生對各種存儲部件和整體的存儲系統能有初步的認識；另一方面，該課程從程序員的角度介紹存儲系統對程序性能的影響，還能讓學生了解到學習這部分內容后對程序編寫和優化的作用。這時可以提出一個問題：如何實現一個成本低、效率高、性能優的存儲系統。帶著這個問題，對相關知識點的教學就從大框架轉為組件，從應用層跳轉到底層細節，逐步明確存儲系統的功能、對程序性能的影響以及這些功能和影響是如何實現的；從數字邏輯課程的存儲元邏輯結構逐漸延伸到體系結構課程的存儲系統優化，實現一個完整且連貫的知識學習與知識運用過程。

2.2 系統基礎元器件——數字邏輯課程

數字邏輯課程從邏輯設計的角度介紹硬件設計的基本單元，如定時器、選擇器、觸發器等的結構、特征和應用，電路分析、設計及測試原理和工具，這些是設計和構成存儲器的必要基礎。這里提出并解決的問題是怎樣用元件組成一個存儲陣列。

2.3 系統部件——計算機組成課程

組成原理課程詳細解釋了寄存器、Cache、內存、硬盤和磁盤的工作原理，以及由不同存儲器構成的存儲器層次結構。學生重點掌握存儲器的基本結構、地址格式、地址變換以及相互之間地址的映射、數據在不同層次存儲器之間如何調度。在這門課程中，學生對知識的理解從元件上升到部件，從存儲元上升到存儲器。這里提出并解決的問題是不同層次的存儲器如何工作，它們之間如何形成一個完整且工作正常的存儲系統。

2.4 系統連接——微機系統與接口技術課程

接口技術課程中存儲器子系統的重點放在微處理器中存儲器地址空間的硬件組織、內存與主機系統的連接，并介紹典型機型的存儲子系統，使學生對知識點的理解開始從組件向整體過渡。這里提出并解決的問題是存儲系統如何與主機系統連接。

2.5 系統整體與優化——計算機體系結構課程與嵌入式課程

體系結構課程從系統整體的角度詳細說明了Cache的各種優化方式及其對系統性能的影響、數據在系統中的一致性問題及其解決方法等。這門課程著重強調部件與系統的關系，要讓學生意識到對部件的改進不僅僅影響該部件本身，還會影響整個系統；此外，改進不一定會帶來預期效果，因此還需要考慮一種改進方式的可行性。這里提出并解決的問題是怎樣才能基于系統整體性能的提升來優化存儲系統。

嵌入式系統課程則主要說明嵌入式系統中的存儲系統，它與組成原理和體系結構課程一起涵蓋了目前最普遍的3種架構MIPS、Intel和ARM，拓寬了學生的知識面，使得學生能在這些主流架構中靈活運用學到的知識。

當學生完成這些課程的學習后，就能對存儲系統形成一個完整且連續的認識，不僅知道存儲器、存儲系統是什么，還知道每層存儲器是如何工作，又是怎樣形成一個系統的，以及如何在這樣一個系統中定位一個問題并找到解決該問題的方法。也就是說，經過硬件課程體系的學習后，學生能夠自行構建一個存儲層次結構，以回答最初在計算機系統基礎課程中提出的問題：如何實現一個成本低、效率高、性能優的存儲系統。

3 結 語

按照對學生能力培養的要求，依據多年的教學實踐，結合計算機硬件技術的發展現狀，我們對計算機硬件課程系列進行了調整和改進，不僅添加了新課程，而且重新梳理了課程內容以及課程間知識的關聯，形成了新的硬件課程體系。通過該體系的教學，學生的學習和掌握過程更加連續、平滑：從元件到組件、從局部到系統、從單一課程中的知識點理論到實際應用問題求解，將計算思維滲透到教學過程中，也滲透到學生對知識的掌握中。

從關注知識點本身，到關注如何運用知識點解決問題，這是我們進行新硬件課程體系構建的初衷。長期以來，學生在學習硬件課程之后常常會產生一個疑問：學習這門課究竟有什么用？當他們實際工作后，又會發現在解決很多編程和程序優化問題時，都需要用到之前學習過的硬件知識。這種認知上的矛盾，恰好反映出硬件教學中存在的一個難點：在大部分畢業生都從事與軟件相關工作的現實情況下，硬件課程教學應怎樣加強與實際問題求解之間的聯系。計算思維為此提供了一個很好的思路，以問題為導向，讓學生帶著明確的求解任務學習硬件知識。下一步工作中，我們將著眼于完善課程體系的實驗系統，以期達到既加深學生對課程內容的理解，又訓練其解決實際問題能力的目的。

參考文獻：

[1] Wing J M. Computational thinking[J]. Communications of the ACM， 2006， 49（3）： 33-35.

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[3] 李志圣， 邢振祥， 唐國峰. 計算機基礎教學中計算思維能力培養的標準化研究[J]. 計算機教育， 2016（6）： 34-37.

[4] 龔沛曾， 楊志強， 朱君波， 等. 以計算思維為切入點的計算機基礎課程聯動改革與實踐[J]. 中國大學教學， 2015（11）： 53-56.

[5] 王大鵬， 王續琨， 劉德山， 等. 以計算思維為主線整合大學計算機通識課程[J]. 計算機教育， 2016（9）： 95-98.

[6] 沈華， 張明武. 以計算思維為中心的數據結構教學方法探討[J]. 計算機教育， 2016（10）： 145-148.

（編輯：宋文婷）