計算機系統能力培養教學改革與實踐

宋鑫 張瑜 伊開

[摘 要] 近年來，河北大學以參加“龍芯杯”全國大學生計算機系統能力培養大賽為契機，開展面向計算機系統能力培養的教學改革與實踐。通過分析教學改革現狀，提出了以競賽倒逼教學的改革思路，探討了以競賽倒逼教學的改革實踐：在教學內容組織上分析比賽要求，建立覆蓋比賽知識結構的授課內容;在實踐教學上設計評分便捷的分層次實驗項目，貫徹“軟硬件全棧貫通”的思路;在考核方式上不局限于理論考試，引導學生把理論運用于實踐。學生考核成績、參加大賽表現等方面表明，教改活動具有顯著的效果。

[關鍵詞] 以賽促學;系統能力培養;軟硬件貫通;計算機組成;計算機體系結構

[基金項目] 2018年度河北省高等教育教學改革研究與實踐項目“面向系統能力培養的計算機組成與體系結構課程改革與實踐”（2018GJJG014）

[作者簡介] 宋 鑫（1980—），男，河北石家莊人，博士，河北大學網絡空間安全與計算機學院講師，主要從事信息檢索、計算機系統結構研究;張 瑜（1982—），女，河北石家莊人，工學碩士，河北大學數學與信息科學學院講師，主要從事個性化推薦、大數據研究;伊 開（1965—），男，河北保定人，工學學士，河北大學網絡空間安全與計算機學院高級實驗師，主要從事計算機系統結構研究。

[中圖分類號] TP391.1? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）19-0067-04? ?[收稿日期] 2020-12-14

一、引言

計算機專業培養的人才首先是計算機系統的設計者，每一代計算技術的發展都是以底層計算機系統的進步為核心的。近年來，人工智能、大數據、物聯網、區塊鏈、云計算等技術飛速發展，這些技術的發展是以計算機系統的發展為基礎的。如果僅僅側重學習高層的算法和應用，是無本之木、無源之水。例如，谷歌有世界上最大的人工智能團隊，但是團隊核心人員是計算機體系結構科學家或者研究者;圖計算是大數據處理的熱點問題，構建高時效的圖計算處理體系結構需要異構混合的內存架構和高能效比的圖計算加速器。這些新技術對計算機專業教學提出了更高的要求。近年來中興、華為的芯片危機，使我國計算機界迫切需要培養底層軟硬件技術人才，只有培養出具備較強“系統能力”的計算機專業人才，才能為我國計算機新技術和國家各行各業發展做好支撐。

教育部高等學校計算機類專業教學指導委員會自2017年開始每年舉辦一次“龍芯杯”全國大學生計算機系統能力培養大賽（以下簡稱“比賽”）。我校自2017年起連續四年參加了比賽。2018年、2019年、2020年均有隊伍進入決賽并獲得三等獎。通過參賽我校在計算機系統能力培養方面開展了“以競賽倒逼教學”的模式，取得了顯著的教學效果。

二、教學改革現狀

2013年，教育部計算機科學與技術專業教學指導分委員會系統研究組分析了計算機技術發展的特點，介紹系統能力的主要內涵及培養需求，闡述系統能力培養和課程體系設置的總體思路[1]。

系統能力培養活動早期，主要是探索思路。清華大學較早開設了“計算機組成與操作系統”課程的聯合實驗，要求學生在自己設計的CPU上運行自己設計的操作系統[2]。北京航空航天大學提出“以課程群為中心”的建設模式，介紹了一種新穎的教學方法——工程化綜合方法，旨在指導學生開發具有足夠規模的系統[3]。北京航空航天大學還提出啟發式教學的思路，這是一種從整體功能推進到局部組成，從微觀實現抽象到宏觀結構的層次化教學內容設計模式，探討了“計算機組成原理”教學與學生能力培養之間的關系，探索并實踐了一種研究性的教學方法[4]。這兩所學校提出的改革方案可以很好地鍛煉學生獨立思考和解決工程問題的能力，但是實驗難度較大，普通院校的學生難以完成。南京大學提出了立足“現代”，強調“系統”，注重“設計能力”的教學理念[5]。此外，南京大學還提出了課程群建設的思路[6]。在實踐教學上，東南大學提出了虛實結合的實驗設備為特點的計算機系統實踐平臺的框架[7]。華中科技大學、東南大學等院校構建了豐富的MOOC資源。這些在系統能力培養方面的理念和實踐，為國內高校計算機專業系統能力培養工作提供了很好的借鑒。

三、以競賽倒逼教學的改革思路

結合我校生源、師資、課程設置和實驗條件，確定了教學改革的思路：通過比賽要求倒逼教學內容，重新組織教學內容;使學生具備基本的計算機系統分析、設計和實現能力。以“數字邏輯和硬件描述語言”課程為基礎，以自主設計并實現單周期CPU為核心，利用現有的編譯工具編譯簡單應用，在自主實現的CPU上運行簡單應用。相應的課程群包括“數字電路與邏輯設計”“硬件描述語言”“計算機組成與體系結構和操作系統”四門課程。具體的教改目標如下：（1）建立覆蓋比賽知識結構的教學體系。參考比賽對軟硬件知識體系的需求，組建系統能力培養課組，明確課程任務和邊界，理順課程間知識點銜接，使教學內容能夠覆蓋比賽要求。（2）建立軟硬件貫通的實踐體系。采用Logisim方式和硬件描述語言方式并行的思路，前者的學習可以使學生掌握傳統電路設計方式，后者的學習可以使學生掌握現代的電路設計方式。兩條線都經過硬件、軟件和應用三個階段，在思路和實踐上形成了對比，培養了學生的系統能力。（3）建立清晰高效的量化評分體系。針對實踐環節檢查難、評分難的問題，建立硬件設計評分項目、指令執行能力評分項目，使學生和教師都可以快速評價實踐效果。

四、以競賽倒逼教學的改革實踐

以競賽為抓手，培養組織系統能力，結合課程群各門課程的教學內容，吸取競賽中實踐性較強的內容，在保證知識體系系統性的前提下，對教學內容進行剪裁或增加。

（一）教學內容組織

通過參加比賽倒推出平時教學內容的不足，補充實踐性強的知識，加強理論教學和實踐的聯系。