計算機體系結構課程教學改革實踐

喬百友 趙相國 袁野

摘要：計算機體系結構課程理論性強、內容抽象且理解困難，容易造成學生學習興趣不高、影響教學效果。針對這個問題，結合學校的實際情況，從課程內容設置、教學方法、考核方式等方面對該課程進行了改革嘗試，并利用多種方法和手段來增強學生自主學習能力。初步實踐表明，所采取的措施激發了學生的學習興趣，增強了學習的主動性，取得了較好的效果。

關鍵詞：計算機系統結構;教學改革;教學方法;考核方式

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）51-0085-02

計算機體系結構是計算機科學與技術專業本科生的骨干課程，也是計算機分析和設計技術方面的核心課程。它主要從整體上研究計算機系統的組成、分析及優化技術，將計算機組成原理、操作系統、編譯原理、匯編語言、高級語言等課程所學的軟硬件知識有機地結合起來，從而能夠使學生更好地理解計算機的內部結構，掌握硬件設計和軟件優化技術，建立起對計算機系統的完整概念。該課程的學習能夠使學生從總體結構和系統分析的角度來理解和研究計算機系統，從而為設計出合理的計算機系統，以及開發出高效的系統軟件和應用程序打下良好的基礎，對于培養學生系統分析問題、解決問題和抽象思維能力都有非常重要的作用。

一、計算機體系結構教學中存在的問題

根據多年的教學經驗，結合我校的情況，目前計算機體系結構課程教學和學習方面主要存在以下問題：

1.課程內容抽象、理解難度大。這門課涉及諸多軟硬件方面的知識、包括計算機組成、操作系統、編譯原理、匯編語言等，其涉及的概念多，內容廣泛且抽象，學生對計算機內部的各硬件的工作原理和運行機制缺乏直觀的認識。如果僅憑課本及課堂講解，缺乏形象而具體的教學手段，就會比較枯燥，也會導致學生難以理解課程內容。加之計算機系統結構方面發展迅速，現有課本的內容也無法保持快速更新，同樣影響了學生學習的熱情。因此，如何合理組織更新教學內容，并采用新穎教學手段來吸引學生注意力，增強對內容的理解和掌握，是需要深入研究的問題。

2.教學方法和考核方式單一。傳統的教學方法忽略了學生的主體地位，無法調動學生的主觀能動性，因此需要探索啟發式、任務驅動式、問題驅動等互動式教學方法，從而更好地激發學生的興趣。在考核模式方面，傳統的考核方式比較單一，通常由平時成績、期中成績和期末成績三部分組成。期中和期末成績采用筆試形式;平時成績主要由出勤、測試和作業成績組成。這種考核模式不能充分、全面地評價學生的能力，不利于學生綜合能力的培養;同時忽視了過程考核對學生學習的引導作用，也缺少問題及時反饋和調整功能，因此需要研究基于過程的考核模式，并形成多元化的考評模式來評價學生學習情況。

3.課程實踐環節薄弱。該課程的實踐教學環節一直比較薄弱，目前有的學校開設了一些簡單的實驗，大部分學校還沒有開設相應的實踐課程，這限制了學生的理解能力，不利于學生動手能力的培養。因此，研究并合理設置相應的實踐課程已成為一個亟待解決的問題。

對于存在的上述共性問題，已有很多專家學者進行了建設性的探索。陳智勇等[1]嘗試了在該課程的教學過程中采用基于程序設計的啟發式教學方法。劉鵬等[2]則探索了實施“名人導我”教學過程中的教學內容和教學方法的改革問題。鄭緯民等[3]提出了開設面向“計算機使用者”的計算機體系結構課程，并對課程內容進行了組織。謝艷新[4]構建了自己學校的新型“計算機系統結構”課群，并對課程內容和教學方法進行了探討。關昕[5]探討了問題驅動法在計算機系統結構教學中的應用。孫輝[6]則探討了大數據時代下的計算機系統結構課程的教學方法。這些工作極大地豐富了該課程的教學，具有重要的參考價值。然而不同學校對人才培養的要求各不相同，因此還需要結合學校的實際和對人才培養的目標，來對這門課程的教學進行研究和改革。

二、課程改革措施

在對現有計算機體系結構課程教學內容和方法進行深入研究的基礎上，結合東北大學的實際情況，對該課程教學工作進行了改革，采取了下列措施。

1.重新組織課程內容、加強互動式教學。結合學生實踐能力和創新精神培養目標，重新對計算機體系結構課程的教學內容進行組織，在原有教材“計算機系統結構量化研究方法”的基礎上，增加了兩方面的內容：（1）適當增加多核處理器、通用GPU、集群系統等高性能微處理器和大型集群系統方面的知識，這有助于學生對當前最新的微處理器和超級計算機體系結構的深入理解;（2）在優化技術方面，適當增加多種類型存儲組織的優化及代碼優化，增加處理器無關的優化和處理器相關的優化等方面的內容，方便學生對整體計算機系統存儲層次和指令執行流程的理解。同時運用動畫、圖像、聲音、文字等制作高水平的教學課件，突出重點、難點，更直觀地顯示計算機系統的構成及交互過程，如指令流水線及多操作部件處理機中的執行過程等，有助于提高教學效果。在教學過程中，采用多種教學手段來增強學習的互動性，除了課堂發言、提問等，增加學生小組互動授課、專題研討等形式，同時采用啟發式、互動式及問題引導等多種互動式教學方式，活躍課堂氣氛，調動學生的積極性和主動性。

2.增加實踐教學內容，加強對相關知識的理解。計算機體系結構課程具有概念多、內容抽象、理論性強等特點，合理設置相應的實踐課程是加強學生對相關知識理解和增強動手能力的關鍵。為此，我們基于FPEG技術設計了“計算機體系結構”課程實驗教學內容，主要包括兩類實驗：（1）基礎實驗。基礎實驗重點針對計算機體系結構課程教學內容，其內容和難度都與教學中涉及的基礎理論和基本設計方法相一致，使得學生對計算機體系結構有一個直觀的感受，從而幫助學生對相關理論和運行機制的深入理解。（2）綜合性設計性實驗。這類實驗主要為培養高水平的軟硬件設計人才。為此結合一些競賽項目來設計實驗內容，如結合全國CPU設計大賽、電子競賽來挖掘新的實驗項目。比如設計支持動態調度、動態分支預測等相關技術的處理機，并執行相應的測試指令等。（3）在實驗管理上，嘗試了開放式實驗室的運行模式，從而充分利用實驗室資源，同時吸收優秀學生參與到創新實驗的開發中來，使學生能真正通過實驗得到認知的升華。實驗的設置使學生對計算機系統的組成和執行過程有了更直觀的感受，極大地加深了對相關知識的理解，取得了良好的教學效果。

3.考核模式改革。現有的考核模式主要強調“評價”功能，忽視過程考核對學生學習的引導作用，不利于學生“應用能力”和“創新能力”的培養。為此采取了以下改進措施：（1）采用多樣化的考核形式，考核成績由過程考核成績和期末考試成績共同組成，過程考核成績占大部分，包括出勤、課堂提問、作業、小測試、大作業、實驗、課堂討論、課堂講解等的考核，形成綜合全面的考核。（2）考核貫穿于整個教學過程，起到督促學生平時努力學習的作用;考核內容主要圍繞課程核心知識，要有利于培養學生分析和解決問題的能力、應用能力和創新能力。（3）構建課程在線測試和考核系統，提升考核效率，同時實現考核信息的透明化，以便于學生及時發現問題和調整狀態，促進學生學習。

三、結束語

針對計算機體系結構課程教學中存在的問題，我們從以上三個方面對課程教學進行了改革嘗試，從學生的反饋來看，這門課不但傳授了計算機體系結構的相關知識，更為重要的是課程將應用、編程、系統軟硬件等層面的內容貫穿起來，幫助學生建立計算機系統的整體思維，取得了較好的教學效果。

參考文獻：

[1]陳智勇，唐成華，張瑞霞，秦董洪.計算機系統結構課程教法研究[J].計算機教育，2015，（10）：1672-5913.

[2]劉鵬，傅婷婷.“名人導我”——計算機系統結構課程教學改革[J].福建電腦，2017，（2）：72-73.

[3]鄭緯民，張悠慧.面向“計算機使用者的計算機體系結構課程[J].計算機教育，2012，（11）：90-93.

[4]謝艷新.新型T-t模式計算機系統結構課程群建設與研究[J].信息化服務，2017，（248）：103-106.

[5]關昕.問題驅動法在“計算機系統結構”教學中的應用探討[J].教育教學論壇，2016，（14）：145-146.

[6]孫輝.數據驅動時代下的“計算機系統結構”課程教學探討[J].韶關學院學報：教育版，2018，39（11）：76-78.