立足能力建設(shè)，持續(xù)推進(jìn)實(shí)驗(yàn)貫通

秦國(guó)鋒，丁志軍，王力生，衛(wèi)志華，張冬冬,

（1.同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，上海 200092）

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)各個(gè)高校基本都開(kāi)設(shè)了計(jì)算機(jī)專業(yè)或者與其緊密相關(guān)的專業(yè)，但普遍存在已開(kāi)設(shè)的實(shí)踐課程沒(méi)緊密結(jié)合實(shí)際，對(duì)學(xué)生缺乏相互貫通、整體綜合的系統(tǒng)性培養(yǎng)。近年來(lái)，教育部適時(shí)推出產(chǎn)學(xué)協(xié)同育人項(xiàng)目和新工科建設(shè)項(xiàng)目，極大提升了我國(guó)計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的學(xué)科建設(shè)和學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

同濟(jì)大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)就如何提升學(xué)生實(shí)踐能力方面進(jìn)行深入探索，從骨干系列課程融通、理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐結(jié)合、能力建設(shè)平臺(tái)保障、全面考核與評(píng)估等多個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行重點(diǎn)建設(shè)。

1 骨干系列課程融通

數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[1]、編譯原理、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)這五門課程是計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課和必修課，是計(jì)算機(jī)能力建設(shè)的核心支撐課程。這五門課程理論知識(shí)相互關(guān)聯(lián)、彼此銜接，在理論教學(xué)方面需要彼此界定知識(shí)點(diǎn)，做到知識(shí)點(diǎn)全覆蓋且不重復(fù)。

理論教學(xué)的配套實(shí)驗(yàn)是能力建設(shè)的關(guān)鍵支撐，實(shí)現(xiàn)五門課程配套實(shí)驗(yàn)融通，在以Xilinx FPGA 器件的開(kāi)發(fā)板Nexys 4 DDR Artix-7 為硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以Logisim、Mars、Modelsim、Vivado、VMware 與Ubuntu 等配套開(kāi)發(fā)軟件[2]，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)課程在同一平臺(tái)融通（圖1）。

圖1 骨干系列課程能力建設(shè)融通平臺(tái)

從圖1 可以看出，通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合，以及主干課程的能力建設(shè)貫通，使學(xué)生的知識(shí)、能力與創(chuàng)新思維達(dá)到新的高度，并通過(guò)學(xué)生與教師的專題輔導(dǎo)與討論及評(píng)價(jià)改進(jìn)制度，形成完整的教學(xué)反饋機(jī)制，不斷提升教學(xué)效果。

2 理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐融通

課程的理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐融合在實(shí)施過(guò)程中首先選擇兩屆計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生先開(kāi)試點(diǎn)班，形成較成熟的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)案例后，再在計(jì)算機(jī)專業(yè)全年級(jí)學(xué)生鋪開(kāi)，不斷優(yōu)化完善和迭代，形成較完善的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和模式，使教學(xué)方法與質(zhì)量不斷提升。理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐貫通模式如圖2 所示。

（1）通過(guò)數(shù)字邏輯課程的理論知識(shí)和從基本門電路與數(shù)據(jù)擴(kuò)展描述到綜合數(shù)字系統(tǒng)共10 個(gè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用組合邏輯與時(shí)序邏輯的基本原理設(shè)計(jì)基本的加法器、RAM、寄存器、ALU 等部件單元，并作為計(jì)算機(jī)組成原理課程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐項(xiàng)目的前期知識(shí)和基本輸入。

（2）在計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)的31 條和54 條MIPS指令單周期CPU 設(shè)計(jì)過(guò)程中[3-4]，作為基本部件單元或模塊進(jìn)行調(diào)用，使數(shù)字邏輯和計(jì)算機(jī)組成原理的理論與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐貫通，使學(xué)生了解CPU 的基本組成和工作原理，培養(yǎng)其一般工程建模的能力[5]。

（3）計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)實(shí)踐獲得的單周期CPU設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方法作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐項(xiàng)目的前期知識(shí)和基本輸入，并在簡(jiǎn)單8 條MIPS 指令五級(jí)靜態(tài)流水線和54 條MIPS五級(jí)靜態(tài)流水線與五級(jí)動(dòng)態(tài)流水線CPU 設(shè)計(jì)的過(guò)程中，作為基本模塊設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方法深化靜態(tài)與動(dòng)態(tài)流水線CPU 的框架設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以提高CPU 的效率和性能，達(dá)到提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的目的。

2.1 數(shù)字邏輯及計(jì)算機(jī)組成原理理論與實(shí)驗(yàn)融通

數(shù)字邏輯課程在開(kāi)展組合邏輯和時(shí)序邏輯等理論知識(shí)教學(xué)時(shí)，同步配套數(shù)據(jù)選擇器與分配器、譯碼器、存儲(chǔ)器與寄存器、算術(shù)與邏輯運(yùn)算器等10 項(xiàng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。教師根據(jù)各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的工作內(nèi)容和難度，合理安排設(shè)定各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的時(shí)間長(zhǎng)度，真正落實(shí)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目融合。通過(guò)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生對(duì) Logisim、Modelsim、Vivado 工具軟件的使用，提升以Nexys 4 DDR Artix-7 為硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的組合邏輯和時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)能力，加深理論知識(shí)的理解，并通過(guò)綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本的數(shù)字系統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)的基本能力[6-7]。

計(jì)算機(jī)組成原理在理論教學(xué)同時(shí)配套MIPS 匯編實(shí)驗(yàn)、32 位乘法器與除法器、31 條與54 條指令單周期CPU 設(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)Mars、Modelsim、Vivado 工具軟件的使用。學(xué)生通過(guò)對(duì)一臺(tái)計(jì)算機(jī)的部分或全部功能部件及實(shí)驗(yàn)機(jī)整機(jī)的學(xué)習(xí)與設(shè)計(jì)，理解和掌握一臺(tái)計(jì)算機(jī)整機(jī)系統(tǒng)中軟件硬件的組成及相互之間的配合，加深對(duì)課堂教學(xué)內(nèi)容的理解和掌握。培養(yǎng)學(xué)生全面理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各大部件的基本原理及工作過(guò)程，從而在實(shí)踐過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際與解決問(wèn)題的動(dòng)手創(chuàng)新能力。

2.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)理論與實(shí)驗(yàn)融通

圖2 理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐貫通模式

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)理論與實(shí)驗(yàn)融通是建立在同濟(jì)大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)已有的硬件綜合實(shí)踐培養(yǎng)方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)行再擴(kuò)展、再拔高、再實(shí)踐。本專業(yè)的本科生已經(jīng)在數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理這兩門課程中完成了在FPGA 開(kāi)發(fā)板上對(duì)基本硬件電路、CPU 各個(gè)基礎(chǔ)模塊、單周期CPU 的實(shí)現(xiàn)，然而現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的CPU大多是流水線CPU，因?yàn)榱魉€CPU 技術(shù)能夠極大地提高CPU 的處理效率[8-10]。因此，本課程實(shí)驗(yàn)是在已經(jīng)完成的單周期和多周期CPU 的基礎(chǔ)上，按照課程培養(yǎng)目標(biāo)進(jìn)行CPU 的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)流水線CPU，依次實(shí)現(xiàn)多功能靜態(tài)流水線CPU 和多功能動(dòng)態(tài)流水線CPU，并實(shí)現(xiàn)完備的三級(jí)存儲(chǔ)體系，使學(xué)生具備自己開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的能力。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的具體任務(wù)包括多個(gè)CPU 設(shè)計(jì)的基本實(shí)驗(yàn)和一個(gè)三級(jí)存儲(chǔ)體系設(shè)計(jì)的綜合性實(shí)驗(yàn),均以FPGA 開(kāi)發(fā)板、Vivado 和Modelsim 軟件作為實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)平臺(tái)[11-12]。

（1）基本實(shí)驗(yàn)一引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)自己的54 條 MIPS指令的單周期CPU，鞏固學(xué)生已學(xué)習(xí)的CPU 的組成部件及基本工作原理的相關(guān)知識(shí)，并以此作為計(jì)算機(jī)組成原理向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的銜接與過(guò)渡。

（2）基本實(shí)驗(yàn)二引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)自己的一個(gè)8 條MIPS 指令的五級(jí)靜態(tài)流水線CPU，初步建立流水線的基本概念與流水線的設(shè)計(jì)方法。

（3）基本實(shí)驗(yàn)三和基本實(shí)驗(yàn)四訓(xùn)練學(xué)生設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)自己的54 條MIPS 指令靜/動(dòng)態(tài)流水線CPU，使他們深入理解靜/動(dòng)態(tài)流水線的工作機(jī)理和沖突解決機(jī)制。

（4）綜合性實(shí)驗(yàn)三級(jí)存儲(chǔ)體系設(shè)計(jì)是，設(shè)計(jì)與優(yōu)化Cache 高速緩沖存儲(chǔ)、SDRAM 或DDR 與SD 存儲(chǔ)卡的三級(jí)存儲(chǔ)方案，并對(duì)不同的路數(shù)與塊大小的命中與失效情況進(jìn)行定量化分析，以確定較優(yōu)的Cache 部署方案。

通過(guò)這四項(xiàng)基本實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建出自己的中央處理器，結(jié)合FPGA 開(kāi)發(fā)板的外圍接口，形成綜合實(shí)驗(yàn)的物理環(huán)境。綜合實(shí)驗(yàn)是利用基本實(shí)驗(yàn)三與基本實(shí)驗(yàn)四的成果和FPGA 開(kāi)發(fā)板的外圍接口，研制開(kāi)發(fā)一個(gè)基于FPGA 開(kāi)發(fā)板的完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，為操作系統(tǒng)的構(gòu)建與移植提供充分的硬件與軟件環(huán)境。通過(guò)多個(gè)基本實(shí)驗(yàn)和一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握，完成對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化所需要的基本動(dòng)手能力的訓(xùn)練。

所有學(xué)生完成四個(gè)基本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，才滿足基本的能力要求；綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升優(yōu)秀學(xué)生的設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本實(shí)驗(yàn)三、四和綜合實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上將逐步打通操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，利用VMware 與Ubuntu 等配套開(kāi)發(fā)軟件實(shí)現(xiàn)嵌入式操作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和UI 的移植，從而實(shí)現(xiàn)五門主干課程理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)在Nexys 4 DDR Artix-7硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的貫通。

3 能力建設(shè)平臺(tái)保障

教育信息化是教學(xué)能力提升的助推器，是實(shí)施教學(xué)革新的措施和手段，學(xué)生完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目成果的遞交、程序文件的驗(yàn)證、源碼的單一性評(píng)估、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告的查重、實(shí)驗(yàn)成績(jī)的評(píng)估是一項(xiàng)任務(wù)繁重、數(shù)據(jù)量龐大的艱巨工作，必須以信息化的管理方法來(lái)支撐教學(xué)能力建設(shè)。為此，同濟(jì)大學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教研室和同濟(jì)大學(xué)計(jì)算機(jī)國(guó)家實(shí)驗(yàn)示范中心歷經(jīng)多年開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)管理平臺(tái)v1.0（http://mips246.tongji.edu.cn），已完成數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目學(xué)生成果的遞交，以及數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理課程實(shí)驗(yàn)的程序文件的驗(yàn)證，同時(shí)為本校和兄弟院校計(jì)算機(jī)專業(yè)師生提供7×24 小時(shí)全天候資源服務(wù)。

在已有實(shí)驗(yàn)管理平臺(tái)v1.0 的基礎(chǔ)上，同濟(jì)大學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教研室和同濟(jì)大學(xué)計(jì)算機(jī)國(guó)家實(shí)驗(yàn)示范中心正研究人工智能和知識(shí)圖譜，進(jìn)行大學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力建設(shè)平臺(tái)v2.0 開(kāi)發(fā)，以實(shí)現(xiàn)程序文件的驗(yàn)證、源碼的單一性評(píng)估、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告的查重、實(shí)驗(yàn)成績(jī)的評(píng)估功能，開(kāi)發(fā)成功后將繼續(xù)為兄弟院校提供資源服務(wù)。

4 全面考核與評(píng)估

由于不同課程的理論課和實(shí)驗(yàn)課設(shè)置不一樣，對(duì)單獨(dú)安排實(shí)驗(yàn)課的課程，理論課和實(shí)驗(yàn)課分開(kāi)考核和評(píng)估，并在理論課的考試題中設(shè)置一道實(shí)驗(yàn)考題；對(duì)沒(méi)有單獨(dú)安排實(shí)驗(yàn)課的課程，則對(duì)理論和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行綜合考核和評(píng)估。

（1）數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理對(duì)理論和實(shí)驗(yàn)都設(shè)置課時(shí)，對(duì)數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)考核評(píng)估采用平時(shí)成績(jī)（20%）+平時(shí)實(shí)驗(yàn)成績(jī)（40%）+綜合實(shí)驗(yàn)成績(jī)（40%），對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)考核評(píng)估采用考勤（20%）+實(shí)驗(yàn)結(jié)果（80%）。考核評(píng)價(jià)在強(qiáng)調(diào)學(xué)生出勤參與實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，更加強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和任務(wù)的按時(shí)完整，重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生實(shí)踐能力的提高和創(chuàng)新素質(zhì)的培養(yǎng)[13]。

（2）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)理論課配套設(shè)置計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)，但沒(méi)單獨(dú)設(shè)置實(shí)驗(yàn)課時(shí)，對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)考核采用綜合評(píng)估的方式。每個(gè)學(xué)生必須完成兩個(gè)基本實(shí)驗(yàn)，且完成一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)，方能提出免考申優(yōu)答辯，獲得資格的參加申優(yōu)答辯。沒(méi)能獲得申優(yōu)答辯資格的學(xué)生，參加大組答辯，必須參加期終考試。申優(yōu)答辯沒(méi)有獲得優(yōu)秀的同學(xué)，成績(jī)?yōu)榱迹蛇x擇參加期終考試。每個(gè)基本實(shí)驗(yàn)占總評(píng)25 分，共占50 分；綜合實(shí)驗(yàn)占40～45 分。對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)考核評(píng)估采用如表1 所示的分值。

表1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)考核評(píng)估分值

表2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)要求

表1 表中的評(píng)價(jià)指標(biāo)要求見(jiàn)表2，數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)要求采用類似的方式設(shè)置。

5 后續(xù)工作與思考

同濟(jì)大學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教研室將依托教育部產(chǎn)學(xué)協(xié)同育人項(xiàng)目、同濟(jì)大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革項(xiàng)目，在能力建設(shè)平臺(tái)貫通方面繼續(xù)深入探索。我們計(jì)劃以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)五級(jí)靜態(tài)流水線、五級(jí)動(dòng)態(tài)流水線以及三級(jí)存儲(chǔ)體系為基礎(chǔ)打通操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)嵌入式操作系統(tǒng)和UI 的移植，使學(xué)生的專業(yè)創(chuàng)新能力得到跨越式提升——從運(yùn)用計(jì)算機(jī)到設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自己的計(jì)算機(jī)。我們將充分應(yīng)用和挖掘系統(tǒng)能力支撐平臺(tái)的樣本與數(shù)據(jù)，開(kāi)展學(xué)生學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)與績(jī)效、學(xué)業(yè)延續(xù)性分析，進(jìn)行量化研究，為教學(xué)和學(xué)生培養(yǎng)提出有針對(duì)性的指導(dǎo)策略。同時(shí)，我們將繼續(xù)開(kāi)放能力建設(shè)平臺(tái)資源服務(wù)，促進(jìn)資源共享，提升整體教學(xué)能力。