从深化系统能力培养谈计算机组成原理实践教学改革

李东勤，徐勇，常郝，王芳

（安徽财经大学管理科学与工程学院，蚌埠 233030）

从深化系统能力培养谈计算机组成原理实践教学改革

李东勤，徐勇，常郝，王芳

（安徽财经大学管理科学与工程学院，蚌埠 233030）

深化系统能力培养是提高计算机专业学生优势的一个重要方向。提出系统能力培养的基本概念和内涵，重点提出计算机组成原理实践教学的改革思考，阐述在构建系统类课程实践教学体系、统一实验教学平台、计算机组成原理实验教学内容设计、实验课时安排等方面的思考。

0 引言

计算技术已由早期的科学计算与信息处理发展到今天以移动互联、大数据、云计算和物联网为主要特征的新型网络时代。计算机系统应用日益深化，更加智能化、类脑化和可视化，时代的发展也对计算机专业人才的知识结构和创新能力提出了更高的要求。如何培养具备系统能力的计算机专业人才已成为我们高校计算机教育所面临的重大挑战，如何能让我们的学生在掌握计算机系统基本原理的基础上，进一步开发并构建以计算技术为核心的应用系统[1-2]。这就要求现代计算机专业的学生能够站在系统的高度考虑和解决问题，具有系统级的认知和设计能力，能自觉运用系统观理解计算机系统的整体性、关联性、层次性、开放性和动态性，并具备用系统化方法，掌握计算机硬软件协同工作及相互作用机制的能力[3]。2010年教育部高等学校计算机类专业教学指导委员会成立“计算机类专业系统能力培养研究组”，并于2016年启动第一批系统能力培养改革试点校申报工作，选出包括清华大学在内的8所示范校和哈尔滨工业大学等43所试点校。紧跟改革步伐，安徽省也于2017年4月成立了“高等学校计算机系统能力培养安徽省工作组”。

1 计算机组成原理课程与系统能力培养的关系

培养学生的计算机系统能力，就是使学生能够站在系统的高度去分析问题和解决问题，具有系统的整体性和全局观，而不是“填鸭式”地进行知识点的堆砌和累积。我校计算机科学与技术专业课程体系中，虽然设置了许多系统类的课程，然而这些课程的学习并没有给学生带来计算机系统能力的全面提升。学生们普遍反映，对于计算机系统还处于“只见树木，不见森林”的状态。计算机系统能力就是要培养学生掌握从多层次各个细节抽象思考和解决问题的方法，使其成为计算机专业本科生的优势所在。

计算机组成原理课程的教学目标就是让学生了解计算机内部工作过程和运行机制，了解各功能部件的工作原理、逻辑实现、设计方法及互连构成整机的技术，帮助他们建立整机概念，是计算机本科专业的重要和核心基础课程之一，也是硕士研究生考试必考课程。计算机组成原理在计算机系统类课程中起着承上启下的作用，是培养计算机系统能力必不可少的部分[4]。目前，国内一些高水平大学已经开始了计算机系统能力培养，并且取得了很好的成绩和效果。例如，南京大学的袁春风教授以培养学生的计算机系统能力为目标，进行教学过程设计，优化系统类课程群，建立“分流培养体系下的系统能力培养模式”；清华大学的刘卫东等人统一了系统类课程体系，实现了课程之间内容的有效衔接和连贯，并且建立了统一的实验平台；北航的马殿富给出了从认知角度培养学生计算机系统能力的方法；浙江大学则是以学科竞赛为手段，强化实践环节，建立软硬件贯通的课程体系，培养学生的计算思维和系统观能力。

计算机系统是一个繁杂的软件和硬件的结合体，可以采用分层模型来描述，从低层到高层包括微程序设计级、一般机器级、操作系统级、汇编语言级和高级语言级。计算机系统能力培养就是要求学生能够掌握计算机软硬件协同工作及相互作用机制。计算机组成原理课程针对一般机器级的知识体系，向上负责解释并执行来自操作系统的命令，向下将计算机操作转化为各种控制信号直接由硬件执行。所以，计算机组成原理课程起着一个承上启下的作用，对学生计算机系统能力的培养起着至关重要的作用。

2 我校计算机组成原理实践教学的现状和存在的问题

与国内许多其他高校一样，我们学校也是采用公司开发集成好的计算机组成原理实验箱进行实验教学。实验箱中已将ALU、控制器、RAM、ROM等计算机各个功能部件固化好，学生进行实验时，只需按照实验说明和教师的要求进行连线和拨动开关即可。这种教学模式存在诸多弊端：（1）固定的实验平台，使得我们不能随意改变实验模式和实验内容，所以目前的计算机组成原理实验主要以功能验证型实验为主，也无法与实际理论教学相配合，学生更是无法了解功能部件内部的细节；（2）固定的实验箱，固定的实验内容，固定的实验步骤使学生缺乏主动思考的积极性，更不能起到通过实验加深理论知识理解的目的，也使学生对实验缺乏了兴趣；（3）固化的实验箱上无法进行完整的计算机硬件系统综合设计实验，进而无法培养学生的计算机硬件的分析和设计能力，更是无法发挥学生的自主创新能力；（4）固定的实验内容，无法形成有效的实验教学管理和考核机制，很难拉开学生之间的差距，更是无法体现学生自身的能力。

3 面向系统能力培养的实践教学思考

计算机专业的课程体系和课程内容必须与时俱进、不断更新。当前对很多计算机专业的本科生来说，其硬件的设计能力不如电子工程专业的学生，软件开发与应用能力不如行业内专业学生，算法分析和设计能力不如数学专业的学生。我们计算机专业学生的优势在哪里？培养计算机系统能力，使我们的学生能够站在系统的高度考虑和解决问题，具有系统级的认知和设计能力，能够实现软硬件之间的贯通，提高创新能力，建立与应用深度结合的体系架构，方能发挥计算机专业学生的特长和优势。

3.1 建立计算机系统类课程群

我校计算机科学与技术专业课程体系中，设置了许多与计算机系统相关的课程，如数字逻辑、计算机组成原理、微机原理与接口技术、编译原理、操作系统等。这些课程的总体目标是建立起完整的计算机软硬件系统的知识结构，在课程体系中占有非常重要的地位。但由于各课程是独立教学，造成了很多知识点的冗余以及内容上的衔接不够。同学们普遍反映，对各子系统之间的相互作用的关系了解不深，也不清楚各子系统间的衔接机制。究其原因我们目前的教学是以让学生掌握知识为目标，而不是以让学生设计系统为目标。

为了克服计算机系统类课程教学中存在的不足，培养学生的计算机系统能力，结合我校学生特点和本校教师教学经验，我们拟选择计算机系统类课程中的数字逻辑、计算机组成原理、编译系统和操作系统等四门核心课程，建立计算机系统类课程群。以ACM发布的计算机专业课程知识体系为蓝本，对照我校计算机专业课程体系中的相关教学内容，查找各课程知识点和教学内容的不足，对各课程的知识点和教学内容进行补充和完善，注意各课程教学内容之间合理与有效的衔接。各课程教学内容的设计以完成基本计算机系统设计和实现为教学目标，最终能够实现一个CPU、一个操作系统和一个编译器。

计算机系统能力培养中，实践教学可以说占据非常重要的位置，是学生运用所学知识解决实际计算机系统问题的途径，更是检验理论教学效果的重要手段。计算机系统是一个非常复杂的系统，要想学生在有限的时间内完成实践内容，我们需要精心安排好每个实践环节和实验内容。建立系统类课程群后，我们需要构建统一的实践教学体系，选用统一的实验教学平台，设计好各课程阶段子目标和实验内容，实现各模块设计和实现后，再综合实现最终的目标，形成一个完整的计算机系统。

3.2 计算机组成原理实践教学改革初探

目前，很多知名高校都进行了计算机系统能力培养的探索和实践，其中实践教学的改革显得尤为重要。结合我们安徽财经大学的学生特点和学校的实际情况，拟以计算机组成原理实践教学为切入口，进行硬件类课程的实践教学改革，具体结合方式如图1所示。

图1 硬件课程实践体系

在硬件一体化的实验教学中，计算机组成原理实验可以说处于核心地位，起着承上启下的关键作用。一方面计算机组成原理实验要用到数字逻辑的实验结果，例如译码器、数据选择器、触发器等基本单元电路，另一方面计算机组成原理所设计的CPU又可以为操作系统和编译器作铺垫和准备。

计算机组成原理实验的最终目的是让学生设计出CPU，因此首先需要明确CPU的要求，拟定指令集，确定总线结构，设计状态图，形成控制逻辑，完成各部件的连接，最后下载到实验平台上进行设计测试。考虑到我校学生的实际情况，我们拟采取“基本部件—CPU设计—综合设计”这种从基本到综合逐步展开的思路。具体实验内容拟包括运算器的设计、存储器的设计、寄存器的设计、单周期CPU设计以及指令集的扩展。对于多周期的CPU以及流水CPU可以考虑放在学期结束后的课程设计中去完成。

随着FPGA的盛行，行业内巨头纷纷开始布局FP⁃GA，未来FPGA开发人员数量将有巨大增长。为了适应行业的发展，满足企业的人才需求，在实验平台方面我们打算采用基于FPGA和EDA环境的全新实验平台。采取互联网+FPGA模式，即线上和线下模式。学生可以随时进行实验，避免了时间的限制。目前我校计算机组成原理实验课时是17学时，而且是两周一次实验课，完全不能满足该实验课程的实际需求。新的教学模式下，学生首先申请一个账号，可以随时做实验，不受实际机房开关的限制；可以自行申请实验设备，直接接触硬件。这样通过线上线下的结合、软硬件的结合，相辅相成，可以有效提高实验效率和学生实验的积极性。教师也可以根据学生的实验足迹了解学生在实验中实际花费的时间。

有了数字逻辑和计算机组成原理基础后，学生更容易从计算机整体系统的角度去理解操作系统、编译原理等后续课程。操作系统和编译原理的实验要以计算机组成原理的成果即CPU为基础，这样就可以形成一致的、完整的计算机系统概念。改革初期，我们打算选用公司的FPGA实验教学平台，等到时机成熟，我们考虑可以自己研制开发一个更适合我们安徽财经大学需求和特色的硬件一体化实验平台。

当然为了配合新的实验平台，我们还必须制作新的实验手册和实验教材。改革方案的实验教学首先在数字逻辑实验中实施，首先要让学生熟悉FPGA和Verilog、Vivado，掌握硬件的设计方法，为后面计算机组成原理实验课程的开设做好准备。同时为了使实验能够很好地开展和进行，我们考虑引入助教和研究生进行教学，协助任课教师一起辅导学生进行实验。

4 结语

为适应时代发展的需求，培养计算机专业学生的系统能力，我们对处于核心位置的计算机组成原理课程，重新规划了实验内容、更新了实验平台和实验手段、加强了实验过程管理。然而改革不是一蹴而就的，我们仍有一段很长的路要走，如何统一实验课程体系，如何规划好先导课程和后续课程之间实验内容的有效衔接等，都需要进一步规划和完善。

[1]教育部高等学校计算机科学与技术专业教学指导分委员会.高等学校计算机科学与技术专业人才专业能力构成与培养[M].北京:机械工业出版社，2010.

[2]王志英,周兴社,袁春风，等.计算机专业学生系统能力培养和系统课程体系设置研究[J].计算机教育,2013（9）:1-6.

[3]刘卫东,张悠慧,向勇，等.面向系统能力培养的计算机专业课程体系建设实践[J].中国大学教学,2014（8）:48-52.

[4]袁春风,杨若瑜,王帅，等.计算机组成与其他课程之间的关联内容分析[J].计算机教育,2015（17）:35-38.

[5]高小鹏.计算机专业系统能力培养的技术途径[J].中国大学教学,2014（8）:53-57.

The Practice Teaching of Computer Composition Principle for the System Ability Training

LI Dong-qin，XU Yong，CHANG Hao，WANG Fang
（College of Management Science and Engineering,Anhui University of Finance&Economics,Bengbu 233030）

Deepening system ability training is an important direction for improving the advantage of students.Puts forward the basic concept and con⁃notation of system ability training,and raises the practice teaching reform of Computer Composition Principle specifically,puts forward some ideas,including building the practice course group,unification of practice teaching platform,Computer Composition Principle prac⁃tice teaching content design,the practice class arrangement,and so on.

系统能力；计算机组成原理；实践教学；课程群；教学改革

安徽财经大学校级教研项目（No.acjyyb2016089）、安徽省高校自然科学研究项目（No.KJ2016A001）

1007-1423（2017）28-0015-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.28.004

李东勤（1981-），女，江苏盐城人，讲师，硕士，研究方向为图像处理、数据挖掘

徐勇（1978-），男，硕士，教授，副院长，研究方向为数据挖掘、决策支持系统

常郝（1983-），男，安徽寿县人，博士，副教授，研究方向为三维集成电路测试（3D IC test）、容错计算

王芳（1982-），女，安徽宣城人，讲师，硕士，研究方向为数据挖掘、信息管理

2017-05-15

2017-09-28

System Ability;Computer Composition Principle;Practice Teaching;Course Group;Teaching Reform