面向創(chuàng)新實踐的“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”教學改革探索

楊　軍　蔣慕蓉　武　浩

文章編號：1672-5913(2009)08-0032-03

摘要：本文通過介紹我系“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”的課程教學，闡述了在創(chuàng)新教育和素質(zhì)教育中計算機專業(yè)實驗教學改革的一條途徑。提出了實驗教學要面向設(shè)計并著重掌握設(shè)計方法、要按不同要求分層次將驗證性實驗向綜合與創(chuàng)新設(shè)計轉(zhuǎn)變的觀點，讓學生在理論課中學到知識、在實驗課中得到鍛煉，逐步培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和動手能力。

關(guān)鍵詞：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；教學改革；實驗改革；分層實驗；創(chuàng)新實踐

中圖分類號：G642

文獻標識碼：B

“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”是以計算機系統(tǒng)的外部特性為主來研究計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一門學科，是計算機及相關(guān)學科的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程。一方面它需要“計算機組成原理”、“編譯原理”等一些基礎(chǔ)課程知識；另一方面又為“操作系統(tǒng)”、“嵌入式設(shè)計”、“并行計算”等后繼課程學習作鋪墊，起著承上啟下的作用。傳統(tǒng)的教學模式是教師在課堂用黑板講授原理，學生課后在指定的實驗系統(tǒng)上完成簡單的驗證工作，教學方式呆板，教學手段落后，學生缺乏學習興趣和積極性。近幾年，我校在云南省重點建設(shè)專業(yè)(計算機科學與技術(shù))項目的支撐下，針對本課程“封閉式、驗證性”的實驗教學模式，在教學理念、教學內(nèi)容、教學方法和手段等方面進行了改革探索，目的是激發(fā)學生學習熱情，培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識，提高實驗教學效果。

經(jīng)過幾年的探索，我們逐漸形成了自己的教學方法，找到了一條可行的路子，取得了一定的成績。

1轉(zhuǎn)變教學理念，探索新的教學模式

本課程的目標是讓學生從總體、系統(tǒng)這一層次來研究和分析計算機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能，幫助學生建立整機系統(tǒng)的概念；使學生掌握計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念、基本原理、基本結(jié)構(gòu)、基本設(shè)計方法，并對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀有所了解，為后續(xù)課程打下基礎(chǔ)。

要達到課程目標，教學理念就要創(chuàng)新，就必須在教學中滲透設(shè)計思想和設(shè)計方法，很自然就必須選擇與之相配套的教材，才能事半功倍。我們根據(jù)學生基礎(chǔ)實踐能力弱的特點，選擇國家級重點建設(shè)的西安電子科技大學出版社出版《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(第三版)》作為授課教材，同時指定國外英文原版教材《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：一種定量的方法(第二版)》作為參考教材，還制作了多媒體課件，自編《計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗指導書》，采用啟發(fā)式課堂講授、自主學習、專題研究學習三者并重的模式，使學生不僅能對現(xiàn)代計算機廣泛采用的比較成熟的結(jié)構(gòu)、方法和技術(shù)等有所了解，還能夠通過模擬實驗對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本原理有一個清晰的概念和認識，強化對知識的理解，調(diào)動學生學習的積極性和主動性。

由于本課程概念抽象、難理解，課程內(nèi)容又隨著計算機軟硬件技術(shù)的發(fā)展而不斷更新，學生很難將所學到的知識應用到具體問題中，因而會產(chǎn)生畏懼、反感甚至厭惡。我們在教學中，充分利用現(xiàn)代教育技術(shù)和資源，采用多媒體教學法，精心設(shè)計和制作了充分體現(xiàn)優(yōu)秀教師教學思想的動畫、課件、網(wǎng)絡(luò)課程和大量資源，利用多媒體教室和網(wǎng)絡(luò)開展教學；采用類比關(guān)聯(lián)法，把本課程中的一些概念、設(shè)計策略和思想與現(xiàn)實生活中的生動事例進行關(guān)聯(lián)和類比，使學生更容易理解和牢固掌握教學內(nèi)容，抓住關(guān)鍵思想，同時又活躍課堂氣氛，提高教學效果。教師通過講述現(xiàn)實社會中的一些策略，啟發(fā)學生思考在計算機系統(tǒng)中可以采用的類似策略；通過介紹教師自己科學研究的經(jīng)驗和體會，啟發(fā)學生思考如何拓寬自己的思維空間等。同時，計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗室在50臺PC機上安裝了本課程實驗所需要的設(shè)計開發(fā)環(huán)境(ISP DesignEXPERT8.0軟件)，其中25臺配備計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)硬件實驗系統(tǒng)設(shè)備，還提供有關(guān)所用模擬器安裝與使用的詳細資料，要求學生自己能夠在課外完成具體知識的學習、實驗及交互模擬、專題研究學習等。

新的教學模式，不僅使教師自身的教學理念得到更新，也激發(fā)了學生的學習興趣。通過對學生的調(diào)查了解，學生普遍認為：通過本課程的學習，一方面學習到了計算機體系結(jié)構(gòu)的基本理論知識；另一方面也培養(yǎng)了良好的動手能力，改變了不少學生認為它是一門枯燥的理論說教課的看法。在教學考核中也表現(xiàn)出：(1)教學目標明確，突出學生的能力培養(yǎng)。教師能根據(jù)學生的實際知識水平，使前后知識和技能緊密銜接，把握實用、能用的原則，注重學生動手能力的培養(yǎng)，注重學生分析問題和解決問題的能力。(2)教學方法正確，注重啟發(fā)式。注意引導學生發(fā)揮自己的主觀能動性和創(chuàng)造力。(3)教學內(nèi)容精選。教師能選擇有代表性的事例，并進行實踐教學，突出重點，化解難點問題。(4)教學過程中充分利用學?，F(xiàn)有教學設(shè)備，實驗設(shè)備，注重理論聯(lián)系實際。(5)教學手段采用現(xiàn)代教育技術(shù)，收到了良好的教學效果。

2注重講課技巧，改革教學的方法和手段

本課程在教學中強調(diào)以探索和研究為基礎(chǔ)，激發(fā)學生的求知欲；強調(diào)與學科發(fā)展的緊密聯(lián)系，以保持教學內(nèi)容的新鮮；強調(diào)師生互動，培養(yǎng)學生創(chuàng)新性思維與探索精神。教師結(jié)合計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理和概念，從結(jié)構(gòu)框圖開始逐步展開、深入，同時輔以系統(tǒng)組成部件的特性及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法進行講解，反復向?qū)W生強調(diào)抽象思維的重要性，有意識地培養(yǎng)學生自頂向下、系統(tǒng)分析和解決問題的能力，通過對不同復雜程度模型計算機的設(shè)計來研究計算機各部件是如何配合工作的，進而了解設(shè)計計算機系統(tǒng)的方法；在整個教學過程中，教師注重講解設(shè)計思想和設(shè)計技術(shù)，采用面向計算機各部件的設(shè)計方法教學，一直到怎樣設(shè)計一個實用的RISC結(jié)構(gòu)的CPU這樣一個方向來講解，并且始終貫穿如何考慮設(shè)計方案以及在設(shè)計時要注意的功耗、時延、成本的問題。具體通過以下幾個方面實現(xiàn)：

(1) 上好第一次課。第一節(jié)課是激發(fā)學生求知探索欲望的最佳時期，要引領(lǐng)學生到計算機整體框架的制高點上，然后誘導學生主動向下探索，逐步深入到電腦“內(nèi)核”。

(2) 側(cè)重設(shè)計原則應用的教學。教師在講指令系統(tǒng)時，不僅介紹指令的結(jié)構(gòu)，還要側(cè)重介紹指令系統(tǒng)的設(shè)計原則，如指令越規(guī)則越能簡化CPU的設(shè)計越小越快原則，還要告訴學生好的設(shè)計要求好的利弊權(quán)衡方案。學習指令不但要學生掌握指令系統(tǒng)的功能設(shè)計，更要使學生掌握指令格式對RISC結(jié)構(gòu)的CPU設(shè)計及制造成本、性能的影響。學生明白了這一些原則后，就可以自己設(shè)計滿足一定要求的指令系統(tǒng)。在講解運算器時，側(cè)重介紹用不同設(shè)計原則設(shè)計的加法器、乘除法器的優(yōu)缺點，如何處理運算器中的溢出、先行進位問題，怎么減少運算器芯片的引腳數(shù)目，以滿足工藝要求。在講解控制器時側(cè)重介紹影響RISC結(jié)構(gòu)的CPU性能的幾個方面，怎樣定義控制信號，指令集如何實現(xiàn)、不同實現(xiàn)方法如何影響時鐘及RISC結(jié)構(gòu)的CPU定時與同步如何解決、數(shù)據(jù)通路如何建立、多時鐘周期RISC結(jié)構(gòu)的CPU如何設(shè)計、實現(xiàn)，同時還要考慮中斷請求，最后通過介紹有限狀態(tài)機(如米勒機等)的設(shè)計步驟來設(shè)計一個RISC結(jié)構(gòu)的CPU。在介紹I/O系統(tǒng)時分析速度如何匹配，以達到不同機型對速度和可靠性的要求等。

(3) 注重實踐設(shè)計技巧教學。一是精講，突出重點而不要面面俱到，把一些細節(jié)問題留給學生研究討論，然后和上機實驗有機地結(jié)合起來，互相印證、補充，使所學的內(nèi)容得到升華。二是引人先進的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法，用一部分時間講解FPGA器件和VHDL語言，讓學生極早熟悉先進的硬件設(shè)計模擬工具；隨后讓同學們自學，以便能盡早開始實驗，避免前半學期無實驗可做，設(shè)備空閑，后半學期實驗做不完的現(xiàn)象發(fā)生；然后，要求學生用這種語言設(shè)計以后要講的如校驗碼發(fā)送和接收裝置、加法器、乘法器、總線控制器、存儲器以及RISC結(jié)構(gòu)的CPU等，再通過仿真、綜合、優(yōu)化布局布線等做成真正的芯片，這些試驗要保留到期末，最后把這些試驗綜合到一起，設(shè)計成一個比較完整的具有RISC結(jié)構(gòu)的CPU計算機系統(tǒng)，使學生對本門課程有比較深的理解。

在教學過程中，要讓學生明白上述問題，就要在教學中灌輸面向具體設(shè)計理念，在講解加法器、計數(shù)器、寄存器功能和設(shè)計時，通過分析讓學生知道如電路中的毛刺、門電路的工作電壓、電路空閑時是否關(guān)閉門電路等有關(guān)現(xiàn)象；在講解寄存器、運算器、外設(shè)接口時，通過分析邏輯門電路的時延，告訴學生怎樣在版圖的設(shè)計中控制其寄生點，以減少其延時，減少線間可能導致信號間的干擾，以及如何減少設(shè)計的芯片的面積降低成本等。

(4) 多管齊下，提高教學效果。采用多媒體教學手段，把課件和有關(guān)資料放在服務器上，方便學生學習和下載；通過多媒體和網(wǎng)絡(luò)教學促進師生的交流；進行座談會或問卷調(diào)查，及時發(fā)現(xiàn)問題，及時改進措施，提高教學質(zhì)量。

3采用多層次實驗設(shè)計，鍛煉學生動手能力

實驗目的是鍛煉學生動手能力、培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識的重要手段。為此，我們對實驗內(nèi)容設(shè)計、實驗過程管理、實驗成績考核等進行科學設(shè)計，以提高實驗教學效果。

3.1合理配置實驗內(nèi)容

在傳統(tǒng)的實驗教學中，大多數(shù)實驗是根據(jù)教科書按部就班地進行，實驗就是對教材的結(jié)論進行驗證，但這種教學模式很難做到激發(fā)學生的創(chuàng)新思維。我們在保留一定數(shù)量的驗證性實驗基礎(chǔ)上，增加設(shè)計性、綜合性實驗的學時和個數(shù)，并保證有設(shè)計性和綜合性的實驗項目不少于已開出實驗項目數(shù)的30%。

3.2加強實驗過程管理

本課程是學生第一次深入了解計算機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的課程，對實驗的要求很高。教師合理地安排上課和實驗時間，中間留給學生一定的時間，盡量避免理論課結(jié)束就上機；每次實驗都要點名，遲到5分鐘或沒有預習實驗報告者不讓進實驗室；開始20分鐘講解實驗，提出不同要求；中間解答學生提問，啟發(fā)學生，指出問題可能的原因，但不給出答案；最后驗收；驗收時讓學生講解設(shè)計原理，教師隨機提出問題，看學生是否真正理解，根據(jù)做實驗的程度，給出不同的分數(shù)，這些分數(shù)記入總成績，占30%。

3.3重視綜合與創(chuàng)新實驗

綜合實驗在學期初將2～4名學生組成一個課題組(或稱大作業(yè))，在一個學期中共同完成教師提供的一個課題，教師要為每一個課題組提供充分資源。學生通過課堂聽講、作業(yè)和搜集資料等方式獲取知識，并通過相互討論、教師指導、做實驗檢驗等完成課題，學生在期末提交課題報告，在做課題過程中，學生通過動手發(fā)現(xiàn)問題、運用所學的理論分析問題和解決問題，從而加深對知識的理解。

3.4全面考核實驗成績

實驗成績是對學生在實驗過程中實踐能力、操作技能和解決現(xiàn)場問題能力的客觀反映，是對學生實驗過程的綜合評價，也是保證培養(yǎng)目標實現(xiàn)的一種手段。實驗成績評定的內(nèi)容，應包括實驗態(tài)度、實驗能力表現(xiàn)和實驗結(jié)果等幾個方面。

(1) 實驗態(tài)度。包括對實驗有無興趣，實驗內(nèi)容的預知程度，實驗中是否注意人身及實驗設(shè)備的安全，實驗善后工作(如儀器設(shè)備的整理和實驗室衛(wèi)生)等。實驗態(tài)度及心理將影響到整個實驗的過程，而且會對學生一生的職業(yè)養(yǎng)成等方面產(chǎn)生影響。

(2) 實驗能力表現(xiàn)。包括實驗方案、設(shè)計思路,獨立完成實驗的程度，是否按要求進行正確操作，有無人身傷害及實驗設(shè)備損壞，能否對實驗中出現(xiàn)的問題及現(xiàn)象進行正確判斷分析，有無創(chuàng)新意識及能力等。實驗能力表現(xiàn)反映學生現(xiàn)場動手和操作能力，對日后走向工作崗位是一次很好的模擬，因此，在實驗中應充分發(fā)揮學生的主觀能動性，鼓勵學生多動手、多分析。

(3) 實驗結(jié)果。包括以下內(nèi)容：對現(xiàn)場數(shù)據(jù)或現(xiàn)象的分析處理情況(分析處理是否合理)；實驗報告的完成情況(報告是否規(guī)范、清楚實驗數(shù)據(jù)是否真實、有效等)。此外，實驗結(jié)果還包括實驗結(jié)束后，實驗儀器的整理和衛(wèi)生清掃方面的內(nèi)容。對于整理儀器和打掃衛(wèi)生的學生，予以記錄，并在成績中適當加分。

4鼓勵創(chuàng)新研究，完善課程體系建設(shè)

根據(jù)本課程的定位和目標以及教學的新發(fā)展，我們調(diào)整了本課程的內(nèi)容體系。課堂講授64學時，實踐教學和自主學習26學時。并向?qū)W生提供了豐富的擴充性資料，包括：

(1) 提供豐富的教學多媒體課件;

(2) 指定的相關(guān)專業(yè)書籍及刊物中的內(nèi)容；

(3) Internet上國內(nèi)外相關(guān)的課程資源以及相關(guān)研究工作的資源。

學生在課外利用這些資料和資源完成本課程的兩個重要環(huán)節(jié)：自主學習和研究性學習。

通過本課程的學習，學生不僅學到了計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本知識，掌握了基本的性能分析方法，提高了分析問題的能力。還有不少學生不滿足單純本課程的學習，還主動尋求和探討更有挑戰(zhàn)性的實驗項目。為此，我們?yōu)閷W生搭建了創(chuàng)新平臺，利用CPLD現(xiàn)場可編程的靈活性，指導學生開展科技創(chuàng)新設(shè)計，不僅提高學生的實踐動手能力，也促進教師科研水平的提高。本課程獲得了我校教學成果一等獎，我們指導的學生在全國性各類科技創(chuàng)新競賽中獲獎4項，發(fā)表學術(shù)論文20余篇，學生與教師科研立項4項。

培養(yǎng)適應社會需求的人才是高等教育的主要目標，“個性化，特色化”的培養(yǎng)模式是當前學生培養(yǎng)的主流。如何在教學中突出特色，培養(yǎng)專業(yè)基礎(chǔ)扎實、動手能力強、具有創(chuàng)新意識的學生是教學改革的主要目標，也是我們需要不斷探索和實踐的課題。

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