從深化系統(tǒng)能力培養(yǎng)談計算機(jī)組成原理實踐教學(xué)改革

李東勤，徐勇，常郝，王芳

（安徽財經(jīng)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院，蚌埠 233030）

從深化系統(tǒng)能力培養(yǎng)談計算機(jī)組成原理實踐教學(xué)改革

李東勤，徐勇，常郝，王芳

（安徽財經(jīng)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院，蚌埠 233030）

深化系統(tǒng)能力培養(yǎng)是提高計算機(jī)專業(yè)學(xué)生優(yōu)勢的一個重要方向。提出系統(tǒng)能力培養(yǎng)的基本概念和內(nèi)涵，重點提出計算機(jī)組成原理實踐教學(xué)的改革思考，闡述在構(gòu)建系統(tǒng)類課程實踐教學(xué)體系、統(tǒng)一實驗教學(xué)平臺、計算機(jī)組成原理實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)計、實驗課時安排等方面的思考。

0 引言

計算技術(shù)已由早期的科學(xué)計算與信息處理發(fā)展到今天以移動互聯(lián)、大數(shù)據(jù)、云計算和物聯(lián)網(wǎng)為主要特征的新型網(wǎng)絡(luò)時代。計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用日益深化，更加智能化、類腦化和可視化，時代的發(fā)展也對計算機(jī)專業(yè)人才的知識結(jié)構(gòu)和創(chuàng)新能力提出了更高的要求。如何培養(yǎng)具備系統(tǒng)能力的計算機(jī)專業(yè)人才已成為我們高校計算機(jī)教育所面臨的重大挑戰(zhàn)，如何能讓我們的學(xué)生在掌握計算機(jī)系統(tǒng)基本原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開發(fā)并構(gòu)建以計算技術(shù)為核心的應(yīng)用系統(tǒng)[1-2]。這就要求現(xiàn)代計算機(jī)專業(yè)的學(xué)生能夠站在系統(tǒng)的高度考慮和解決問題，具有系統(tǒng)級的認(rèn)知和設(shè)計能力，能自覺運用系統(tǒng)觀理解計算機(jī)系統(tǒng)的整體性、關(guān)聯(lián)性、層次性、開放性和動態(tài)性，并具備用系統(tǒng)化方法，掌握計算機(jī)硬軟件協(xié)同工作及相互作用機(jī)制的能力[3]。2010年教育部高等學(xué)校計算機(jī)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會成立“計算機(jī)類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)研究組”，并于2016年啟動第一批系統(tǒng)能力培養(yǎng)改革試點校申報工作，選出包括清華大學(xué)在內(nèi)的8所示范校和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等43所試點校。緊跟改革步伐，安徽省也于2017年4月成立了“高等學(xué)校計算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)安徽省工作組”。

1 計算機(jī)組成原理課程與系統(tǒng)能力培養(yǎng)的關(guān)系

培養(yǎng)學(xué)生的計算機(jī)系統(tǒng)能力，就是使學(xué)生能夠站在系統(tǒng)的高度去分析問題和解決問題，具有系統(tǒng)的整體性和全局觀，而不是“填鴨式”地進(jìn)行知識點的堆砌和累積。我校計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程體系中，雖然設(shè)置了許多系統(tǒng)類的課程，然而這些課程的學(xué)習(xí)并沒有給學(xué)生帶來計算機(jī)系統(tǒng)能力的全面提升。學(xué)生們普遍反映，對于計算機(jī)系統(tǒng)還處于“只見樹木，不見森林”的狀態(tài)。計算機(jī)系統(tǒng)能力就是要培養(yǎng)學(xué)生掌握從多層次各個細(xì)節(jié)抽象思考和解決問題的方法，使其成為計算機(jī)專業(yè)本科生的優(yōu)勢所在。

計算機(jī)組成原理課程的教學(xué)目標(biāo)就是讓學(xué)生了解計算機(jī)內(nèi)部工作過程和運行機(jī)制，了解各功能部件的工作原理、邏輯實現(xiàn)、設(shè)計方法及互連構(gòu)成整機(jī)的技術(shù)，幫助他們建立整機(jī)概念，是計算機(jī)本科專業(yè)的重要和核心基礎(chǔ)課程之一，也是碩士研究生考試必考課程。計算機(jī)組成原理在計算機(jī)系統(tǒng)類課程中起著承上啟下的作用，是培養(yǎng)計算機(jī)系統(tǒng)能力必不可少的部分[4]。目前，國內(nèi)一些高水平大學(xué)已經(jīng)開始了計算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)，并且取得了很好的成績和效果。例如，南京大學(xué)的袁春風(fēng)教授以培養(yǎng)學(xué)生的計算機(jī)系統(tǒng)能力為目標(biāo)，進(jìn)行教學(xué)過程設(shè)計，優(yōu)化系統(tǒng)類課程群，建立“分流培養(yǎng)體系下的系統(tǒng)能力培養(yǎng)模式”；清華大學(xué)的劉衛(wèi)東等人統(tǒng)一了系統(tǒng)類課程體系，實現(xiàn)了課程之間內(nèi)容的有效銜接和連貫，并且建立了統(tǒng)一的實驗平臺；北航的馬殿富給出了從認(rèn)知角度培養(yǎng)學(xué)生計算機(jī)系統(tǒng)能力的方法；浙江大學(xué)則是以學(xué)科競賽為手段，強(qiáng)化實踐環(huán)節(jié)，建立軟硬件貫通的課程體系，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維和系統(tǒng)觀能力。

計算機(jī)系統(tǒng)是一個繁雜的軟件和硬件的結(jié)合體，可以采用分層模型來描述，從低層到高層包括微程序設(shè)計級、一般機(jī)器級、操作系統(tǒng)級、匯編語言級和高級語言級。計算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)就是要求學(xué)生能夠掌握計算機(jī)軟硬件協(xié)同工作及相互作用機(jī)制。計算機(jī)組成原理課程針對一般機(jī)器級的知識體系，向上負(fù)責(zé)解釋并執(zhí)行來自操作系統(tǒng)的命令，向下將計算機(jī)操作轉(zhuǎn)化為各種控制信號直接由硬件執(zhí)行。所以，計算機(jī)組成原理課程起著一個承上啟下的作用，對學(xué)生計算機(jī)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)起著至關(guān)重要的作用。

2 我校計算機(jī)組成原理實踐教學(xué)的現(xiàn)狀和存在的問題

與國內(nèi)許多其他高校一樣，我們學(xué)校也是采用公司開發(fā)集成好的計算機(jī)組成原理實驗箱進(jìn)行實驗教學(xué)。實驗箱中已將ALU、控制器、RAM、ROM等計算機(jī)各個功能部件固化好，學(xué)生進(jìn)行實驗時，只需按照實驗說明和教師的要求進(jìn)行連線和撥動開關(guān)即可。這種教學(xué)模式存在諸多弊端：（1）固定的實驗平臺，使得我們不能隨意改變實驗?zāi)Ｊ胶蛯嶒瀮?nèi)容，所以目前的計算機(jī)組成原理實驗主要以功能驗證型實驗為主，也無法與實際理論教學(xué)相配合，學(xué)生更是無法了解功能部件內(nèi)部的細(xì)節(jié)；（2）固定的實驗箱，固定的實驗內(nèi)容，固定的實驗步驟使學(xué)生缺乏主動思考的積極性，更不能起到通過實驗加深理論知識理解的目的，也使學(xué)生對實驗缺乏了興趣；（3）固化的實驗箱上無法進(jìn)行完整的計算機(jī)硬件系統(tǒng)綜合設(shè)計實驗，進(jìn)而無法培養(yǎng)學(xué)生的計算機(jī)硬件的分析和設(shè)計能力，更是無法發(fā)揮學(xué)生的自主創(chuàng)新能力；（4）固定的實驗內(nèi)容，無法形成有效的實驗教學(xué)管理和考核機(jī)制，很難拉開學(xué)生之間的差距，更是無法體現(xiàn)學(xué)生自身的能力。

3 面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的實踐教學(xué)思考

計算機(jī)專業(yè)的課程體系和課程內(nèi)容必須與時俱進(jìn)、不斷更新。當(dāng)前對很多計算機(jī)專業(yè)的本科生來說，其硬件的設(shè)計能力不如電子工程專業(yè)的學(xué)生，軟件開發(fā)與應(yīng)用能力不如行業(yè)內(nèi)專業(yè)學(xué)生，算法分析和設(shè)計能力不如數(shù)學(xué)專業(yè)的學(xué)生。我們計算機(jī)專業(yè)學(xué)生的優(yōu)勢在哪里？培養(yǎng)計算機(jī)系統(tǒng)能力，使我們的學(xué)生能夠站在系統(tǒng)的高度考慮和解決問題，具有系統(tǒng)級的認(rèn)知和設(shè)計能力，能夠?qū)崿F(xiàn)軟硬件之間的貫通，提高創(chuàng)新能力，建立與應(yīng)用深度結(jié)合的體系架構(gòu)，方能發(fā)揮計算機(jī)專業(yè)學(xué)生的特長和優(yōu)勢。

3.1 建立計算機(jī)系統(tǒng)類課程群

我校計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程體系中，設(shè)置了許多與計算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)的課程，如數(shù)字邏輯、計算機(jī)組成原理、微機(jī)原理與接口技術(shù)、編譯原理、操作系統(tǒng)等。這些課程的總體目標(biāo)是建立起完整的計算機(jī)軟硬件系統(tǒng)的知識結(jié)構(gòu)，在課程體系中占有非常重要的地位。但由于各課程是獨立教學(xué)，造成了很多知識點的冗余以及內(nèi)容上的銜接不夠。同學(xué)們普遍反映，對各子系統(tǒng)之間的相互作用的關(guān)系了解不深，也不清楚各子系統(tǒng)間的銜接機(jī)制。究其原因我們目前的教學(xué)是以讓學(xué)生掌握知識為目標(biāo)，而不是以讓學(xué)生設(shè)計系統(tǒng)為目標(biāo)。

為了克服計算機(jī)系統(tǒng)類課程教學(xué)中存在的不足，培養(yǎng)學(xué)生的計算機(jī)系統(tǒng)能力，結(jié)合我校學(xué)生特點和本校教師教學(xué)經(jīng)驗，我們擬選擇計算機(jī)系統(tǒng)類課程中的數(shù)字邏輯、計算機(jī)組成原理、編譯系統(tǒng)和操作系統(tǒng)等四門核心課程，建立計算機(jī)系統(tǒng)類課程群。以ACM發(fā)布的計算機(jī)專業(yè)課程知識體系為藍(lán)本，對照我校計算機(jī)專業(yè)課程體系中的相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，查找各課程知識點和教學(xué)內(nèi)容的不足，對各課程的知識點和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充和完善，注意各課程教學(xué)內(nèi)容之間合理與有效的銜接。各課程教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計以完成基本計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)為教學(xué)目標(biāo)，最終能夠?qū)崿F(xiàn)一個CPU、一個操作系統(tǒng)和一個編譯器。

計算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)中，實踐教學(xué)可以說占據(jù)非常重要的位置，是學(xué)生運用所學(xué)知識解決實際計算機(jī)系統(tǒng)問題的途徑，更是檢驗理論教學(xué)效果的重要手段。計算機(jī)系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，要想學(xué)生在有限的時間內(nèi)完成實踐內(nèi)容，我們需要精心安排好每個實踐環(huán)節(jié)和實驗內(nèi)容。建立系統(tǒng)類課程群后，我們需要構(gòu)建統(tǒng)一的實踐教學(xué)體系，選用統(tǒng)一的實驗教學(xué)平臺，設(shè)計好各課程階段子目標(biāo)和實驗內(nèi)容，實現(xiàn)各模塊設(shè)計和實現(xiàn)后，再綜合實現(xiàn)最終的目標(biāo)，形成一個完整的計算機(jī)系統(tǒng)。

3.2 計算機(jī)組成原理實踐教學(xué)改革初探

目前，很多知名高校都進(jìn)行了計算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的探索和實踐，其中實踐教學(xué)的改革顯得尤為重要。結(jié)合我們安徽財經(jīng)大學(xué)的學(xué)生特點和學(xué)校的實際情況，擬以計算機(jī)組成原理實踐教學(xué)為切入口，進(jìn)行硬件類課程的實踐教學(xué)改革，具體結(jié)合方式如圖1所示。

圖1 硬件課程實踐體系

在硬件一體化的實驗教學(xué)中，計算機(jī)組成原理實驗可以說處于核心地位，起著承上啟下的關(guān)鍵作用。一方面計算機(jī)組成原理實驗要用到數(shù)字邏輯的實驗結(jié)果，例如譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、觸發(fā)器等基本單元電路，另一方面計算機(jī)組成原理所設(shè)計的CPU又可以為操作系統(tǒng)和編譯器作鋪墊和準(zhǔn)備。

計算機(jī)組成原理實驗的最終目的是讓學(xué)生設(shè)計出CPU，因此首先需要明確CPU的要求，擬定指令集，確定總線結(jié)構(gòu)，設(shè)計狀態(tài)圖，形成控制邏輯，完成各部件的連接，最后下載到實驗平臺上進(jìn)行設(shè)計測試。考慮到我校學(xué)生的實際情況，我們擬采取“基本部件—CPU設(shè)計—綜合設(shè)計”這種從基本到綜合逐步展開的思路。具體實驗內(nèi)容擬包括運算器的設(shè)計、存儲器的設(shè)計、寄存器的設(shè)計、單周期CPU設(shè)計以及指令集的擴(kuò)展。對于多周期的CPU以及流水CPU可以考慮放在學(xué)期結(jié)束后的課程設(shè)計中去完成。

隨著FPGA的盛行，行業(yè)內(nèi)巨頭紛紛開始布局FP?GA，未來FPGA開發(fā)人員數(shù)量將有巨大增長。為了適應(yīng)行業(yè)的發(fā)展，滿足企業(yè)的人才需求，在實驗平臺方面我們打算采用基于FPGA和EDA環(huán)境的全新實驗平臺。采取互聯(lián)網(wǎng)+FPGA模式，即線上和線下模式。學(xué)生可以隨時進(jìn)行實驗，避免了時間的限制。目前我校計算機(jī)組成原理實驗課時是17學(xué)時，而且是兩周一次實驗課，完全不能滿足該實驗課程的實際需求。新的教學(xué)模式下，學(xué)生首先申請一個賬號，可以隨時做實驗，不受實際機(jī)房開關(guān)的限制；可以自行申請實驗設(shè)備，直接接觸硬件。這樣通過線上線下的結(jié)合、軟硬件的結(jié)合，相輔相成，可以有效提高實驗效率和學(xué)生實驗的積極性。教師也可以根據(jù)學(xué)生的實驗足跡了解學(xué)生在實驗中實際花費的時間。

有了數(shù)字邏輯和計算機(jī)組成原理基礎(chǔ)后，學(xué)生更容易從計算機(jī)整體系統(tǒng)的角度去理解操作系統(tǒng)、編譯原理等后續(xù)課程。操作系統(tǒng)和編譯原理的實驗要以計算機(jī)組成原理的成果即CPU為基礎(chǔ)，這樣就可以形成一致的、完整的計算機(jī)系統(tǒng)概念。改革初期，我們打算選用公司的FPGA實驗教學(xué)平臺，等到時機(jī)成熟，我們考慮可以自己研制開發(fā)一個更適合我們安徽財經(jīng)大學(xué)需求和特色的硬件一體化實驗平臺。

當(dāng)然為了配合新的實驗平臺，我們還必須制作新的實驗手冊和實驗教材。改革方案的實驗教學(xué)首先在數(shù)字邏輯實驗中實施，首先要讓學(xué)生熟悉FPGA和Verilog、Vivado，掌握硬件的設(shè)計方法，為后面計算機(jī)組成原理實驗課程的開設(shè)做好準(zhǔn)備。同時為了使實驗?zāi)軌蚝芎玫亻_展和進(jìn)行，我們考慮引入助教和研究生進(jìn)行教學(xué)，協(xié)助任課教師一起輔導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實驗。

4 結(jié)語

為適應(yīng)時代發(fā)展的需求，培養(yǎng)計算機(jī)專業(yè)學(xué)生的系統(tǒng)能力，我們對處于核心位置的計算機(jī)組成原理課程，重新規(guī)劃了實驗內(nèi)容、更新了實驗平臺和實驗手段、加強(qiáng)了實驗過程管理。然而改革不是一蹴而就的，我們?nèi)杂幸欢魏荛L的路要走，如何統(tǒng)一實驗課程體系，如何規(guī)劃好先導(dǎo)課程和后續(xù)課程之間實驗內(nèi)容的有效銜接等，都需要進(jìn)一步規(guī)劃和完善。

[1]教育部高等學(xué)校計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會.高等學(xué)校計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才專業(yè)能力構(gòu)成與培養(yǎng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2]王志英,周興社,袁春風(fēng)，等.計算機(jī)專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)能力培養(yǎng)和系統(tǒng)課程體系設(shè)置研究[J].計算機(jī)教育,2013（9）:1-6.

[3]劉衛(wèi)東,張悠慧,向勇，等.面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的計算機(jī)專業(yè)課程體系建設(shè)實踐[J].中國大學(xué)教學(xué),2014（8）:48-52.

[4]袁春風(fēng),楊若瑜,王帥，等.計算機(jī)組成與其他課程之間的關(guān)聯(lián)內(nèi)容分析[J].計算機(jī)教育,2015（17）:35-38.

[5]高小鵬.計算機(jī)專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的技術(shù)途徑[J].中國大學(xué)教學(xué),2014（8）:53-57.

The Practice Teaching of Computer Composition Principle for the System Ability Training

LI Dong-qin，XU Yong，CHANG Hao，WANG Fang
（College of Management Science and Engineering,Anhui University of Finance&Economics,Bengbu 233030）

Deepening system ability training is an important direction for improving the advantage of students.Puts forward the basic concept and con?notation of system ability training,and raises the practice teaching reform of Computer Composition Principle specifically,puts forward some ideas,including building the practice course group,unification of practice teaching platform,Computer Composition Principle prac?tice teaching content design,the practice class arrangement,and so on.

系統(tǒng)能力；計算機(jī)組成原理；實踐教學(xué)；課程群；教學(xué)改革

安徽財經(jīng)大學(xué)校級教研項目（No.acjyyb2016089）、安徽省高校自然科學(xué)研究項目（No.KJ2016A001）

1007-1423（2017）28-0015-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.28.004

李東勤（1981-），女，江蘇鹽城人，講師，碩士，研究方向為圖像處理、數(shù)據(jù)挖掘

徐勇（1978-），男，碩士，教授，副院長，研究方向為數(shù)據(jù)挖掘、決策支持系統(tǒng)

常郝（1983-），男，安徽壽縣人，博士，副教授，研究方向為三維集成電路測試（3D IC test）、容錯計算

王芳（1982-），女，安徽宣城人，講師，碩士，研究方向為數(shù)據(jù)挖掘、信息管理

2017-05-15

2017-09-28

System Ability;Computer Composition Principle;Practice Teaching;Course Group;Teaching Reform