《高級計算機體系結(jié)構(gòu)》課程改革探討

劉峻 鐘誠 陸向艷 唐天兵 張錦雄 黃毅然 李娜

摘要：隨著高性能計算機體系結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了與此相關(guān)的大量新概念與新技術(shù)。因此，在高校碩士研究生教學(xué)中需要對《高級計算機體系結(jié)構(gòu)》進(jìn)行相應(yīng)改革。文章探討了新形勢下面向計算機專業(yè)碩士生的《高級計算機體系結(jié)構(gòu)》課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與考評模式的改革，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)和研究熱情，提高教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：體系結(jié)構(gòu)；高性能計算；課程建設(shè)；教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）28-0080-02

一、引言

《高級計算機體系結(jié)構(gòu)》課程是計算機專業(yè)中理論融合性很強的一門課程，主要從軟、硬件兩個方面考慮，設(shè)計和構(gòu)建合理的軟硬件界面，使計算機系統(tǒng)的軟、硬件各部件資源整體上發(fā)揮最大效用。在廣西大學(xué)計算機與電子信息學(xué)院，《高級計算機體系結(jié)構(gòu)》課程作為計算機科學(xué)與技術(shù)一級學(xué)科學(xué)術(shù)碩士研究生、計算機技術(shù)專業(yè)碩士研究生等相關(guān)學(xué)科專業(yè)的專業(yè)學(xué)位課程，更偏重于并行與分布式計算機等高性能計算機體系結(jié)構(gòu)研究的講解。

目前，計算機技術(shù)日新月異。多核、眾核體系結(jié)構(gòu)，以及云計算平臺逐漸深入應(yīng)用，人工智能深度學(xué)習(xí)平臺涉及的高性能GPU和TPU體系結(jié)構(gòu)正在成為熱點研究問題，進(jìn)一步加劇了并行與分布式計算機等高級計算機體系結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和多樣性，使得高性能程序設(shè)計模型和相應(yīng)軟件系統(tǒng)變得更復(fù)雜與多樣化，給該課程的教學(xué)帶來了很多問題。

因此，非常有必要改革現(xiàn)有的《高級計算機體系結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式及評分模式，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)和研究熱情，提高教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量，更好地培養(yǎng)出在高級計算機體系結(jié)構(gòu)方面相關(guān)的、滿足各社會領(lǐng)域要求的高層次專業(yè)人才。

二、課程教學(xué)現(xiàn)狀

高校本科《計算機體系結(jié)構(gòu)》課程主要講授指令系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)、Cache系統(tǒng)、互連網(wǎng)、任務(wù)劃分與調(diào)度等內(nèi)容。鑒于課程在學(xué)生知識結(jié)構(gòu)中的重要性，許多高校都開設(shè)了這門課程，并出現(xiàn)了許多教研成果[1]。但碩士研究生《高級計算機體系結(jié)構(gòu)》課程更多的是從高性能計算機體系結(jié)構(gòu)[2]方面的內(nèi)容進(jìn)行講述，更加強調(diào)培養(yǎng)計算機專業(yè)學(xué)生的抽象思維能力、自頂向下系統(tǒng)分析和創(chuàng)新能力。

目前，廣西大學(xué)計算機與電子信息學(xué)院碩士研究生課程《高級計算機體系結(jié)構(gòu)》采用陳國良老師編著的教材——《并行計算機體系結(jié)構(gòu)》[3]。該教材以當(dāng)代可擴放的并行計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為主題，從硬件和軟件的角度，著重討論了對稱多處理機系統(tǒng)、大規(guī)模并行處理機系統(tǒng)、機群系統(tǒng)和分布共享存儲系統(tǒng)的組成原理、結(jié)構(gòu)特性、關(guān)鍵技術(shù)、性能分析、設(shè)計方法。該教材內(nèi)容精練、體系完整，較好地反映了當(dāng)代可擴放并行計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。但目前，計算機技術(shù)日新月異。多核、眾核、云計算、GPU和TPU等高性能計算體系結(jié)構(gòu)技術(shù)層出不窮，該教材沒有包括這些前沿技術(shù)的介紹，而這些前沿技術(shù)正對我們的科技和生活起到了非常重要的促進(jìn)作用。同時，我們在講課時，更多的是采用“老師講、學(xué)生聽”的單一方式，學(xué)生學(xué)起來枯燥，理解費勁，無法滿足當(dāng)前信息社會各專業(yè)領(lǐng)域?qū)τ嬎銠C類高層次創(chuàng)新型人才的需求。因此，我們結(jié)合計算機專業(yè)碩士研究生教學(xué)及科研創(chuàng)新能力的要求，改革現(xiàn)有的《高級計算機體系結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式及評分模式。

三、課程改革

（一）教學(xué)內(nèi)容改革

一門優(yōu)秀的課程不是一朝一夕能夠建成的，其教學(xué)內(nèi)容需要不斷錘煉優(yōu)化，不斷進(jìn)行更新?！陡呒売嬎銠C體系結(jié)構(gòu)》課程的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該立足于基礎(chǔ)性和前沿性，重視結(jié)合實際案例，與時俱進(jìn)，及時吸收和反映本學(xué)科的最新研究成果，合理地維持“更新與保留”內(nèi)容的適當(dāng)比例。

我們基于陳國良老師教材《并行計算機體系結(jié)構(gòu)》的基本內(nèi)容，進(jìn)一步補充了多核、眾核、云計算、GPU、TPU等目前已廣泛應(yīng)用及正在進(jìn)行研究的高性能計算機體系結(jié)構(gòu)內(nèi)容，力圖反映該學(xué)科的最新成就和發(fā)展趨勢。我們應(yīng)該使碩士研究生從總體結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)分析這一角度來研究這些新的高性能計算系統(tǒng)，尤其側(cè)重研究這些新的高性能計算系統(tǒng)的各種優(yōu)化途徑，這將有助于培養(yǎng)學(xué)生自上而下地分析問題、解決問題的能力和抽象思維能力。

根據(jù)上述教學(xué)內(nèi)容，我們將原有的《高級計算機體系結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行壓縮，SMP、MPP、DSM、機群等平臺體系結(jié)構(gòu)知識的講授只占總授課學(xué)時的2/3，多核、眾核、云計算、GPU、TPU等前沿技術(shù)知識的講授將占總授課學(xué)時的1/3。這樣就在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)安排上突出了計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展教改成果和這些前沿技術(shù)的最新發(fā)展成果，有效地支持了對這些前沿技術(shù)的研究。

（二）教學(xué)方法改革

由于該課程的學(xué)習(xí)對象是碩士研究生，因此在教學(xué)時我們更著眼于培養(yǎng)碩士研究生分析和解決問題的能力。在教學(xué)過程中，有意識地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，提高學(xué)生理論聯(lián)系實際、發(fā)現(xiàn)問題以及靈活獨特地解決問題的能力。

針對上述課程內(nèi)容的改革，在教學(xué)模式上我們作了相應(yīng)調(diào)整，以適應(yīng)多核、眾核、云計算、GPU和TPU等新技術(shù)條件下的計算機體系結(jié)構(gòu)教學(xué)。在教學(xué)上，對于這些新技術(shù)知識的“點”和“面”，重點突出，全面兼顧，采用啟發(fā)式教學(xué)的方法進(jìn)行教學(xué)，研究改變課堂“填鴨式”教學(xué)，充分實現(xiàn)課堂互動方式。

運用啟發(fā)式教學(xué)，教師列出一些前沿性問題，這些問題甚至還存在爭議或有待進(jìn)一步解決。讓學(xué)生從這些問題出發(fā)，搜集文獻(xiàn)和資料、撰寫讀書報告及編寫講課PPT，讓學(xué)生們到講臺來講課，闡述自己的觀點和研究內(nèi)容，然后教師和同學(xué)一起討論和點評。通過這種方式讓學(xué)生形成一種應(yīng)用驅(qū)動的模式進(jìn)行自發(fā)學(xué)習(xí)和探索，提高學(xué)習(xí)積極性，提升教學(xué)效果，使學(xué)生由被動接收變?yōu)橹鲃訁⑴c，丟棄“教師講，學(xué)生聽”的單一教學(xué)模式，從而有助于他們理解研究方法的本質(zhì)。

（三）考評模式改革

基于上述教學(xué)內(nèi)容和方法，我們采用了考慮多種評價要素的考評模式。期評成績?yōu)槎喾N評價要素的加權(quán)和，多種評價要素包括：

A.設(shè)置科學(xué)、合理的筆試分值項，反映學(xué)生對《高級計算機體系結(jié)構(gòu)》課程基本理論知識的掌握程度。

B.設(shè)置課堂互動教學(xué)環(huán)節(jié)活躍分值項，鼓勵學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

C.設(shè)置小論文或研究報告分值項，鼓勵學(xué)生結(jié)合自己的碩士課題研究方向進(jìn)行高質(zhì)量地科研選題及主動學(xué)習(xí)。

D.設(shè)置創(chuàng)新型應(yīng)用項目分值項，鼓勵碩士研究生參與和《高級計算機體系結(jié)構(gòu)》課程相關(guān)的多層次、多元化創(chuàng)新型應(yīng)用項目，增強理論與實踐相結(jié)合的能力。

E.設(shè)置學(xué)科競賽分值項，鼓勵碩士研究生參加和《高級計算機體系結(jié)構(gòu)》課程相關(guān)的計算機學(xué)科競賽、計算機軟件能力認(rèn)證，以激發(fā)創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維，提高創(chuàng)新實踐能力。

通過設(shè)置多種評價要素分值項，做到評價體系多樣、真實和有效，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)該門課程的熱情，使最終課程成績能夠真正反映出學(xué)生多層面的學(xué)習(xí)效果。

四、結(jié)語

結(jié)合碩士研究生教學(xué)的特點，把高性能計算機體系結(jié)構(gòu)的前沿技術(shù)及時引入教學(xué)內(nèi)容中來，保持教學(xué)內(nèi)容與相關(guān)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步相一致，使計算機教學(xué)能夠及時地進(jìn)行變革，并采用課堂講授與課題研討、教師引導(dǎo)與學(xué)生自主研究相結(jié)合等教學(xué)形式，再輔以合理、激勵的評分模式，以幫助學(xué)生建立系統(tǒng)、完整的專業(yè)基礎(chǔ)理論體系，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和研究的熱情，開拓學(xué)生的專業(yè)學(xué)術(shù)視野，使其具備良好的科研創(chuàng)新能力，是《高級計算機體系結(jié)構(gòu)》課程改革需要不斷探索和實踐的課題。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙小剛，丁玲.基于FPGA的計算機體系結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革研究[J].湖北科技學(xué)院學(xué)報，2016，36（12）：64-67.

[2]Josué Feliu，Julio Sahuquillo，Salvador Petit.Designing lab sessions focusing on real processors for computer architecture courses：A practical perspective[J].Journal of Parallel and Distributed Computing，2018，（118）：128-139.

[3]陳國良.并行計算機體系結(jié)構(gòu)[M].北京：高等教育出版社，2002.