面向创新实践的“计算机系统结构”教学改革探索

杨　军　蒋慕蓉　武　浩

文章编号：1672-5913(2009)08-0032-03

摘要：本文通过介绍我系“计算机系统结构”的课程教学，阐述了在创新教育和素质教育中计算机专业实验教学改革的一条途径。提出了实验教学要面向设计并着重掌握设计方法、要按不同要求分层次将验证性实验向综合与创新设计转变的观点，让学生在理论课中学到知识、在实验课中得到锻炼，逐步培养学生的创新意识和动手能力。

关键词：计算机系统结构；教学改革；实验改革；分层实验；创新实践

中图分类号：G642

文献标识码：B

“计算机系统结构”是以计算机系统的外部特性为主来研究计算机系统结构的一门学科，是计算机及相关学科的专业技术基础课程。一方面它需要“计算机组成原理”、“编译原理”等一些基础课程知识；另一方面又为“操作系统”、“嵌入式设计”、“并行计算”等后继课程学习作铺垫，起着承上启下的作用。传统的教学模式是教师在课堂用黑板讲授原理，学生课后在指定的实验系统上完成简单的验证工作，教学方式呆板，教学手段落后，学生缺乏学习兴趣和积极性。近几年，我校在云南省重点建设专业(计算机科学与技术)项目的支撑下，针对本课程“封闭式、验证性”的实验教学模式，在教学理念、教学内容、教学方法和手段等方面进行了改革探索，目的是激发学生学习热情，培养学生创新意识，提高实验教学效果。

经过几年的探索，我们逐渐形成了自己的教学方法，找到了一条可行的路子，取得了一定的成绩。

1转变教学理念，探索新的教学模式

本课程的目标是让学生从总体、系统这一层次来研究和分析计算机系统的结构和性能，帮助学生建立整机系统的概念；使学生掌握计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构、基本设计方法，并对计算机系统结构的发展现状有所了解，为后续课程打下基础。

要达到课程目标，教学理念就要创新，就必须在教学中渗透设计思想和设计方法，很自然就必须选择与之相配套的教材，才能事半功倍。我们根据学生基础实践能力弱的特点，选择国家级重点建设的西安电子科技大学出版社出版《计算机系统结构(第三版)》作为授课教材，同时指定国外英文原版教材《计算机系统结构：一种定量的方法(第二版)》作为参考教材，还制作了多媒体课件，自编《计算机组成与系统结构实验指导书》，采用启发式课堂讲授、自主学习、专题研究学习三者并重的模式，使学生不仅能对现代计算机广泛采用的比较成熟的结构、方法和技术等有所了解，还能够通过模拟实验对计算机系统结构的基本原理有一个清晰的概念和认识，强化对知识的理解，调动学生学习的积极性和主动性。

由于本课程概念抽象、难理解，课程内容又随着计算机软硬件技术的发展而不断更新，学生很难将所学到的知识应用到具体问题中，因而会产生畏惧、反感甚至厌恶。我们在教学中，充分利用现代教育技术和资源，采用多媒体教学法，精心设计和制作了充分体现优秀教师教学思想的动画、课件、网络课程和大量资源，利用多媒体教室和网络开展教学；采用类比关联法，把本课程中的一些概念、设计策略和思想与现实生活中的生动事例进行关联和类比，使学生更容易理解和牢固掌握教学内容，抓住关键思想，同时又活跃课堂气氛，提高教学效果。教师通过讲述现实社会中的一些策略，启发学生思考在计算机系统中可以采用的类似策略；通过介绍教师自己科学研究的经验和体会，启发学生思考如何拓宽自己的思维空间等。同时，计算机系统结构实验室在50台PC机上安装了本课程实验所需要的设计开发环境(ISP DesignEXPERT8.0软件)，其中25台配备计算机组成与系统结构硬件实验系统设备，还提供有关所用模拟器安装与使用的详细资料，要求学生自己能够在课外完成具体知识的学习、实验及交互模拟、专题研究学习等。

新的教学模式，不仅使教师自身的教学理念得到更新，也激发了学生的学习兴趣。通过对学生的调查了解，学生普遍认为：通过本课程的学习，一方面学习到了计算机体系结构的基本理论知识；另一方面也培养了良好的动手能力，改变了不少学生认为它是一门枯燥的理论说教课的看法。在教学考核中也表现出：(1)教学目标明确，突出学生的能力培养。教师能根据学生的实际知识水平，使前后知识和技能紧密衔接，把握实用、能用的原则，注重学生动手能力的培养，注重学生分析问题和解决问题的能力。(2)教学方法正确，注重启发式。注意引导学生发挥自己的主观能动性和创造力。(3)教学内容精选。教师能选择有代表性的事例，并进行实践教学，突出重点，化解难点问题。(4)教学过程中充分利用学校现有教学设备，实验设备，注重理论联系实际。(5)教学手段采用现代教育技术，收到了良好的教学效果。

2注重讲课技巧，改革教学的方法和手段

本课程在教学中强调以探索和研究为基础，激发学生的求知欲；强调与学科发展的紧密联系，以保持教学内容的新鲜；强调师生互动，培养学生创新性思维与探索精神。教师结合计算机系统结构原理和概念，从结构框图开始逐步展开、深入，同时辅以系统组成部件的特性及系统结构设计方法进行讲解，反复向学生强调抽象思维的重要性，有意识地培养学生自顶向下、系统分析和解决问题的能力，通过对不同复杂程度模型计算机的设计来研究计算机各部件是如何配合工作的，进而了解设计计算机系统的方法；在整个教学过程中，教师注重讲解设计思想和设计技术，采用面向计算机各部件的设计方法教学，一直到怎样设计一个实用的RISC结构的CPU这样一个方向来讲解，并且始终贯穿如何考虑设计方案以及在设计时要注意的功耗、时延、成本的问题。具体通过以下几个方面实现：

(1) 上好第一次课。第一节课是激发学生求知探索欲望的最佳时期，要引领学生到计算机整体框架的制高点上，然后诱导学生主动向下探索，逐步深入到电脑“内核”。

(2) 侧重设计原则应用的教学。教师在讲指令系统时，不仅介绍指令的结构，还要侧重介绍指令系统的设计原则，如指令越规则越能简化CPU的设计越小越快原则，还要告诉学生好的设计要求好的利弊权衡方案。学习指令不但要学生掌握指令系统的功能设计，更要使学生掌握指令格式对RISC结构的CPU设计及制造成本、性能的影响。学生明白了这一些原则后，就可以自己设计满足一定要求的指令系统。在讲解运算器时，侧重介绍用不同设计原则设计的加法器、乘除法器的优缺点，如何处理运算器中的溢出、先行进位问题，怎么减少运算器芯片的引脚数目，以满足工艺要求。在讲解控制器时侧重介绍影响RISC结构的CPU性能的几个方面，怎样定义控制信号，指令集如何实现、不同实现方法如何影响时钟及RISC结构的CPU定时与同步如何解决、数据通路如何建立、多时钟周期RISC结构的CPU如何设计、实现，同时还要考虑中断请求，最后通过介绍有限状态机(如米勒机等)的设计步骤来设计一个RISC结构的CPU。在介绍I/O系统时分析速度如何匹配，以达到不同机型对速度和可靠性的要求等。

(3) 注重实践设计技巧教学。一是精讲，突出重点而不要面面俱到，把一些细节问题留给学生研究讨论，然后和上机实验有机地结合起来，互相印证、补充，使所学的内容得到升华。二是引人先进的数字系统设计方法，用一部分时间讲解FPGA器件和VHDL语言，让学生极早熟悉先进的硬件设计模拟工具；随后让同学们自学，以便能尽早开始实验，避免前半学期无实验可做，设备空闲，后半学期实验做不完的现象发生；然后，要求学生用这种语言设计以后要讲的如校验码发送和接收装置、加法器、乘法器、总线控制器、存储器以及RISC结构的CPU等，再通过仿真、综合、优化布局布线等做成真正的芯片，这些试验要保留到期末，最后把这些试验综合到一起，设计成一个比较完整的具有RISC结构的CPU计算机系统，使学生对本门课程有比较深的理解。

在教学过程中，要让学生明白上述问题，就要在教学中灌输面向具体设计理念，在讲解加法器、计数器、寄存器功能和设计时，通过分析让学生知道如电路中的毛刺、门电路的工作电压、电路空闲时是否关闭门电路等有关现象；在讲解寄存器、运算器、外设接口时，通过分析逻辑门电路的时延，告诉学生怎样在版图的设计中控制其寄生点，以减少其延时，减少线间可能导致信号间的干扰，以及如何减少设计的芯片的面积降低成本等。

(4) 多管齐下，提高教学效果。采用多媒体教学手段，把课件和有关资料放在服务器上，方便学生学习和下载；通过多媒体和网络教学促进师生的交流；进行座谈会或问卷调查，及时发现问题，及时改进措施，提高教学质量。

3采用多层次实验设计，锻炼学生动手能力

实验目的是锻炼学生动手能力、培养学生创新意识的重要手段。为此，我们对实验内容设计、实验过程管理、实验成绩考核等进行科学设计，以提高实验教学效果。

3.1合理配置实验内容

在传统的实验教学中，大多数实验是根据教科书按部就班地进行，实验就是对教材的结论进行验证，但这种教学模式很难做到激发学生的创新思维。我们在保留一定数量的验证性实验基础上，增加设计性、综合性实验的学时和个数，并保证有设计性和综合性的实验项目不少于已开出实验项目数的30%。

3.2加强实验过程管理

本课程是学生第一次深入了解计算机内部结构的课程，对实验的要求很高。教师合理地安排上课和实验时间，中间留给学生一定的时间，尽量避免理论课结束就上机；每次实验都要点名，迟到5分钟或没有预习实验报告者不让进实验室；开始20分钟讲解实验，提出不同要求；中间解答学生提问，启发学生，指出问题可能的原因，但不给出答案；最后验收；验收时让学生讲解设计原理，教师随机提出问题，看学生是否真正理解，根据做实验的程度，给出不同的分数，这些分数记入总成绩，占30%。

3.3重视综合与创新实验

综合实验在学期初将2～4名学生组成一个课题组(或称大作业)，在一个学期中共同完成教师提供的一个课题，教师要为每一个课题组提供充分资源。学生通过课堂听讲、作业和搜集资料等方式获取知识，并通过相互讨论、教师指导、做实验检验等完成课题，学生在期末提交课题报告，在做课题过程中，学生通过动手发现问题、运用所学的理论分析问题和解决问题，从而加深对知识的理解。

3.4全面考核实验成绩

实验成绩是对学生在实验过程中实践能力、操作技能和解决现场问题能力的客观反映，是对学生实验过程的综合评价，也是保证培养目标实现的一种手段。实验成绩评定的内容，应包括实验态度、实验能力表现和实验结果等几个方面。

(1) 实验态度。包括对实验有无兴趣，实验内容的预知程度，实验中是否注意人身及实验设备的安全，实验善后工作(如仪器设备的整理和实验室卫生)等。实验态度及心理将影响到整个实验的过程，而且会对学生一生的职业养成等方面产生影响。

(2) 实验能力表现。包括实验方案、设计思路,独立完成实验的程度，是否按要求进行正确操作，有无人身伤害及实验设备损坏，能否对实验中出现的问题及现象进行正确判断分析，有无创新意识及能力等。实验能力表现反映学生现场动手和操作能力，对日后走向工作岗位是一次很好的模拟，因此，在实验中应充分发挥学生的主观能动性，鼓励学生多动手、多分析。

(3) 实验结果。包括以下内容：对现场数据或现象的分析处理情况(分析处理是否合理)；实验报告的完成情况(报告是否规范、清楚实验数据是否真实、有效等)。此外，实验结果还包括实验结束后，实验仪器的整理和卫生清扫方面的内容。对于整理仪器和打扫卫生的学生，予以记录，并在成绩中适当加分。

4鼓励创新研究，完善课程体系建设

根据本课程的定位和目标以及教学的新发展，我们调整了本课程的内容体系。课堂讲授64学时，实践教学和自主学习26学时。并向学生提供了丰富的扩充性资料，包括：

(1) 提供丰富的教学多媒体课件;

(2) 指定的相关专业书籍及刊物中的内容；

(3) Internet上国内外相关的课程资源以及相关研究工作的资源。

学生在课外利用这些资料和资源完成本课程的两个重要环节：自主学习和研究性学习。

通过本课程的学习，学生不仅学到了计算机系统结构的基本知识，掌握了基本的性能分析方法，提高了分析问题的能力。还有不少学生不满足单纯本课程的学习，还主动寻求和探讨更有挑战性的实验项目。为此，我们为学生搭建了创新平台，利用CPLD现场可编程的灵活性，指导学生开展科技创新设计，不仅提高学生的实践动手能力，也促进教师科研水平的提高。本课程获得了我校教学成果一等奖，我们指导的学生在全国性各类科技创新竞赛中获奖4项，发表学术论文20余篇，学生与教师科研立项4项。

培养适应社会需求的人才是高等教育的主要目标，“个性化，特色化”的培养模式是当前学生培养的主流。如何在教学中突出特色，培养专业基础扎实、动手能力强、具有创新意识的学生是教学改革的主要目标，也是我们需要不断探索和实践的课题。

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