谈计算机系统结构课程体系改革

　　摘要：文章总结了我校计算机系统结构课程体系在教学实践中的经验，分析计算机系统结构课程体系中的课程特点，在传统教学模式基础上，对教学方法、教材选用、教学内容和实践环节改革进行阐述。该项改革取得了良好效果，提高了学生对计算机硬件课程的学习兴趣，增强了学生的综合能力。
　　关键词：计算机系统结构；课程体系；教师团队；教学改革
　　
　　1　计算机系统结构课程体系
　　
　　计算机系统结构课程体系组又称硬件组，普通高校计算机的学生对硬件课程都存在或多或少的抵触心理，原因主要有3个：1)硬件课程比较抽象，不容易理解，不像软件语言课程直观；2)学生认为计算机专业就是编程，学习硬件课程没有用；3)硬件课程的实验环境不容易建立和维护，导致相关实践环节实施时不能达到预期目标。针对计算机系统结构课程体系在教学中存在的问题，我们按照课程先修顺序、社会需求，以及从理论到应用的顺序，对计算机系统结构课程体系中的课程进行合理安排。
　　
　　1.1　专业基础必修课程
　　计算机系统结构课程体系所涉及的专业必修课程是计算机专业学生的基础课程，通过这些课程的学习，学生将掌握计算机的基本组成和工作原理，并为计算机应用打下基础。同时，我们也注意到，这些专业基础课程理论性较强，内容抽象、不易理解，课程大多开设在大学阶段的前期。
　　数字逻辑电路是计算机专业计算机系统结构课程体系的第一门课，该课程的学习目的是使学生掌握从数字系统到集成电路实现所需逻辑功能的整个过程的完整知识，作为必修课程，开设在大一第二学期。计算机组成原理是计算机专业的核心专业基础课程，本课程使学生掌握计算机原理的基本知识，为下一步学习计算机体系结构奠定基础，并能对当前计算机的最新研究、发展与应用趋势有一般性的了解，作为必修课程开设在大二第一学期。汇编语言课程是解决CPU级编程的问题，使学生掌握CPU级语言的特点、编程方法和基本技能，为深入学习后续课程和从事有关计算机硬件、软件方面的设计打下基础，作为必修课程开设在大二第二学期的上半学期。微机原理与接口技术课程以PC机及其兼容机中最常用的80×86系列为主线，讲述微型计算机与接口的实现技术，作为必修课程可与汇编语言并行开设在大二第二学期。这两门课程安排在同一学期，有利于学生掌握。通过两个学期的实践，学生对汇编语言的掌握和应用，以及微机原理的接口应用能力大大提高。计算机系统结构讲述计算机体系结构，着重介绍软、硬件功能分配以及如何最佳、最合理地实现软、硬件功能分配，作为必修课程开设在大三第一学期。
　　
　　1.2　专业应用选修课程
　　在大三第一学期结束后，学生已学完计算机专业硬件和软件相关基础课程，具有一定的计算机应用和开发的能力。从大三第二学期开始，计算机系统结构课程体系将面向计算机应用开设两门任选课程，它有利于学生就业，缩短学校到社会的过渡时间。
　　单片机原理及应用课程以MC-51系列单片机为基础介绍硬件和软件的组成，以及程序设计技能。为将来步入微计算机的信息处理和测控系统领域的学生提供一个基础平台，作为任选课程开设在大三的第二学期。嵌入式系统及其开发课程使学生了解嵌入式系统结构和嵌入式系统开发的相关技术，掌握其软硬件设计方法，提高学生的嵌入式系统开发能力和经验，建议作为任选课程开设在大四的第一学期。
　　
　　2　教师团队的建立
　　
　　为了提高教学质量，提高教师教学水平，我们建立了计算机系统结构课程体系教师团队，并为每门课程设置一名首席教师，并配备2～4名主讲教师。教师团队建立后，每星期举行一次教学活动，提出授课中存在的问题，讨论学生的接受能力，最后给出先修课程和后续课程的调整方案。实践证明，教师团队的成立提高了教学质量，受到广大师生的好评，结合教学的相关教学教研项目逐渐增多。反过来，相应的教改项目的实施又促进了教学质量，形成了教学效果的良性循环。
　　
　　3　教材的选择
　　
　　众所周知，教材直接影响教学效果和教学质量。计算机系统结构课程体系抽象、难懂，其课程教材的选用一直是我校计算机专业教学中的一个重要问题。由于计算机专业的学生普遍认为自己将来的就业方向是软件开发，所以，不重视硬件课程体系中的课程。因此，如何有效选用计算机系统结构课程体系的教材成为教学的一大难题。下面，我们以计算机系统结构为例介绍教材的选择。
　　
　　3.1　国内外同类教材优缺点
　　目前，国内的计算机系统结构教材主要由国内一些重点大学的专家编写，教学对象为重点大学计算机专业本科生，同时，作为研究生的参考书。从近年我校以及我省其他普通本科院校计算机专业学生使用上述教材的效果看，这些教材存在以下一些问题，如书中理论概念过多，部分内容过时，对体系结构新进展介绍不多，上述问题导致学生缺乏学习兴趣，教学效果也不理想，不太适合普通二本院校计算机专业学生使用。
　　
　　3.2　自编教材情况
　　为了改变计算机系统结构课程教学在普通二本院校计算机专业学生中存在的上述问题，我们经过调查论证、搜集素材，并与本省其他院校协商，结合授课教师切身体会以及学生在学习本课程时遇到的普遍性问题，编写了适合普通二本院校本科生学习的计算机系统结构教材。
　　自编教材《计算机系统结构》2009年7月由清华大学出版社出版，该教材在遵循教育部计算机系统结构课程教学大纲基础上，采用“量化研究方法”，系统讲述了现代计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构和基本分析方法，以及当前系统结构领域的主要进展。摒弃了目前传统教材中已经过时的理论知识，精简了授课内容，突出了重点难点，较好地适应了普通二本院校计算机系统结构课程教学需要。
　　该教材内容编排大体是按照计算机系统结构的发展历程，即冯·诺依曼体系结构一改进的冯·诺依曼体系结构——非冯·诺依曼体系结构这条线索。以经典冯·诺依曼体系结构(第2章)为基础，介绍现代通用计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构和基本分析方法以及和相关领域的最新研究成果，内容主要包括数据表示与指令系统设计(第3章)、存储系统(第4章)、输入输出系统(第5章)、流水线技术(第6章)、并行处理机技术(第7章)，以及计算机系统结构进展(第8章)。
　　参加该教材编写的人员来自不同本科院校，均为担任计算机系统结构课程的主讲教师，该教材在着重论述体系结构的基本概念、基本原理、基本结构和基本分析方法的基础上，强调量化的分析方法，使学生能够能更具体、实际地分析和理解计算机体系结构。教材内容选择上不再覆盖整个系统结构，而是重点论述现代大多数计算机都采用的比较成熟的思想、结构和方法等，通过大量的实例分析，深入浅出地阐述计算机体系结构所涉及的各个方面内容。在结构上，强调从总体结构、系统分析这一角度来研究计算机系统，将计算机组成原理、数据结构、操作系统、汇编语言程序设计等课程中所学的软、硬件知识有机地结合起来，从而使学生建立起计算机系统的完整概念，教学效果良好。
　　
　　4　开放式的教学模式
　　
　　计算机系统结构课程体系强调培养学生的综合能力，强调知识、能力、素质的协调发展，传统单一的课堂知识传授已经不能满足学生的要求，而相关课程本身存在理论性强、抽象难懂的特点。所以，我们在传统教学模式的基础上提出开发式教学方式，以提高学生探究能力和学习兴趣。开放式的教学模式主要包括以下4个方面内容。
　　1)汇聚师生共同力量，提高现代化教学介质课件的质量。
　　传统的课堂教育是教学模式的基础，在首席教师主持下，发挥教师团队的力量，利用现代教育技术和信息技术，开发符合学生接受能力的高质量教学课件。例如，通过动画形象生动地演绎课程中抽象难懂的概念和原理。此外，发动学生参与课程网站建设，在师生间建立互动链，提高学生自主学习的积极性。
　　2)根据先修课程内容，实施启发式教学。
　　课程讲授采用启发式教学。计算机系统结构课程体系中的各门课程之间存在联系，在授课过程中，我们要利用先修课程的内容启发当前课程中的内容，以便于学生理解，同时，提高学生的综合能力。例如，讲授计算机系统结构中“指令集优化”章节时，先让大家回忆汇编语言中80×86型计算机的指令集的条数，然后，提出计算机的指令条数和格式如何确定，最后，层层深入，给出计算机系统结构针对指令集研究的内容和解决方法。又如，讲授计算机系统结构中操作码优化的章节时，结合数字逻辑电路中的逻辑设计，分析不同编码方式的优缺点和采用扩展的Huffman编码理由，以及计算机如何辨析不同的操作码，以便加深学生理解。
　　3)开展多样化教学方式，提高学生自主学习的兴趣。
　　从提高学生自主学习兴趣出发，以课堂讲授为主，采用学生讲课、小组讨论和专题报告等多样化的教学方法。例如，针对计算机系统结构中现代非-冯，诺依曼结构的新发展，举行专题报告，每个小组讨论一种结构，通过参阅各种参考资料和网上资源对所分配的专题开展自主学习、交流、讨论和研究，最后，各小组分别进行专题讲座，多样化的教学方式培养了学生的综合能力和创新能力。
　　
　　5　加强课程实践环节，与社会需求接轨
　　
　　计算机系统结构课程体系的实践性很强，实践环节是整个教学过程中的重要环节，也是学生对理论知识进行内化和升华的重要手段。然而，计算机系统结构课程体系所要求的实验环境不易建立和维护，实验题目不易选取。因此，大多数高校计算机系统结构课程的实践流于形式，不能真正提高学生综合能力和利用所学理论知识解决实际问题的实践动手能力，也不能培养和锻炼学生的自主开发的创新能力。针对计算机系统结构课程体系实践环节中出现的问题，我们给出以下几点建议。
　　1)调整验证性与综合性和开发性实验比例。
　　增加综合性和开发性实验的比例。计算机系统结构课程体系中的所有课程都有实验课，而大多数实验项目为验证性实验，综合性和开发性实验项目比例较少。在实验过程中，由于验证性试验的软件和硬件为现成的，学生不能进行硬件的设计，同时，又没有能力进行软件的编写，大部分学生将实验当做任务来完成，创新能力得不到发挥。因此，在验证性实验的基础上，我们要加大综合性和开发性实验的比例，最大程度地发挥学生自己的能动性。
　　2)结合教学内容，选取实际对象作为项目来源。
　　增加综合性和开发性实验的比例必须有适合学生开发的实验项目。如果实验项目过难，学生将失去做实验的信心；如果实验项目偏容易，实验就失去了其综合性和开发性的本质；因此，项目应来源于生产活动，是相对完整和相对独立的事件，与企业实际生产过程或现实使用有直接的关系，具有一定的应用性。例如，设置单片机实验项目——“声控灯”，既能将理论知识和实践技能结合在一起，又能调动学生解决问题的兴趣。
　　3)以学生为主体，充分发挥教师的协助作用。
　　在教学过程中，要充分发挥学生的主动性和创新精神，让学生根据自身行为的信息来实现自我反馈，同时，也不能忽略教师的指导作用。例如，在项目的选取上，师生要共同参与，教师要启发学生去主动发现身边的素材，选择难度适合的实验项目。
　　
　　6　结语
　　
　　通过两个学期的实践，我校计算机系统结构课程体系教学取得了良好的教学效果，首先，从学生角度看，将计算机底层的硬件基础课放在大学生在校教育的前期，有利于学生掌握基本原理和基本知识；应用性强的课程放在后期，有利于学生与社会需求的接轨。其次，从教师角度看，将计算机系统结构课程体系的教师组织起来建立教师团队，有利于教学效果的提高，便于教改活动的组织。适当的教材选取，可以调动学生的学习积极性。同时，优质的教学课件和多形式的教学模式，将课堂教学变得生动、形象，把过去的“重教轻学”的教学模式转向“师生互动”的教学模式。将学生被动听讲的课堂变为鼓励学生主动参与讨论，引导学生积极探索，以提高学生素质。最后，实践环节的改革能使学生将硬件课程内容融会贯通，合理的实验项目设置充分调动学生学习的积极性。
　　
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