以系統(tǒng)能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的計算機課程改革探討

李東勤，徐勇，常郝

（安徽財經(jīng)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院，蚌埠233030）

0 引言

人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的發(fā)展，正在引領(lǐng)科技、應(yīng)用和社會進(jìn)入智能時代。計算機系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用日益深化，各類新型計算系統(tǒng)及其產(chǎn)業(yè)成為主流，計算機技術(shù)發(fā)展體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化、融合化、智能化等新特征。在新技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用新形勢下，對高等學(xué)校計算機專業(yè)人才培養(yǎng)提出了更高的要求，能夠掌握計算機軟硬件協(xié)同工作機制和基本運行原理，具備計算機系統(tǒng)層面的認(rèn)知與設(shè)計能力，能站在計算機系統(tǒng)的高度來考慮問題和解決問題，即計算機系統(tǒng)能力。

為了推動國內(nèi)高校在計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)方面的教學(xué)改革，2010年教育部計算機類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會（以下簡稱“教指委”）專門成立了“計算機類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)”研究項目組，發(fā)表了相關(guān)的研究報告[1-4]。在教指委的指導(dǎo)和推動下，國內(nèi)許多高校開始重視計算機系統(tǒng)方面的教學(xué)，積極探索和實踐系統(tǒng)能力培養(yǎng)模式。清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、南京大學(xué)、浙江大學(xué)等國內(nèi)一流高校早在10年前就已經(jīng)開始了系統(tǒng)能力培養(yǎng)試點工作，目前已經(jīng)形成了各自的系統(tǒng)能力培養(yǎng)模式，為國內(nèi)其他高校提供了豐富的教改經(jīng)驗。

我校針對計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)，2017年開始參加了高等學(xué)校計算機系統(tǒng)類課程教學(xué)的幾次研討會和相關(guān)導(dǎo)教班，學(xué)習(xí)到北航、浙大、華科、科大、合工大等高校的相關(guān)教學(xué)改革經(jīng)驗，確定了我校硬件系列核心課程的教改思路；結(jié)合地方高校生源特點和學(xué)校實際軟硬件情況，積極制定適合我校的課程體系以及課程改革方案，并于2018年5月入選教指委高等院校系統(tǒng)能力培養(yǎng)第三批試點校。

1 我校計算機專業(yè)課程體系存在的問題

系統(tǒng)能力培養(yǎng)是一個完整的體系，強調(diào)各課程之間知識的整合和有效銜接。而我校計算機專業(yè)課程的設(shè)置是按照計算機系統(tǒng)不同層次劃分的，課程理論整體性不強，內(nèi)容組織松散，概念間結(jié)合不夠，學(xué)生難以形成對所有知識點的全面認(rèn)識。教師在授課過程中更是強調(diào)各課程自身的完整性，沒有關(guān)注同一課程、不同課程知識之間的關(guān)聯(lián)性，導(dǎo)致軟硬分家、課程與課程分家、知識體系缺乏系統(tǒng)性，還極易造成同一個知識點在相關(guān)課程中的重復(fù)講解。

在實踐環(huán)節(jié)，更是以課程為單位。實驗缺乏綜合性的實踐環(huán)節(jié)，只是覆蓋部分概念，而且均是概念的認(rèn)知和理解，缺乏縱深性；導(dǎo)致學(xué)生只能學(xué)到一些較孤立的概念和知識點，無法形成對計算機系統(tǒng)完整的認(rèn)識[5]。同時，課程實驗大多數(shù)是驗證性實驗，主要采用實驗箱方式，學(xué)生只是通過簡單的插拔線完成實驗內(nèi)容，缺乏開發(fā)具有工程規(guī)模系統(tǒng)的實踐。雖然小規(guī)模實驗可以達(dá)到讓學(xué)生基本理解、掌握系統(tǒng)運行原理和初步具備系統(tǒng)開發(fā)能力的目的，但由于缺乏足夠的工程規(guī)模和難度，使得復(fù)雜系統(tǒng)中存在的較為深刻的問題難以暴露[6]，學(xué)生更是無法體會。

2 計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)的思路和目標(biāo)

系統(tǒng)能力培養(yǎng)的基本內(nèi)容是掌握系統(tǒng)內(nèi)部各軟件/硬件部分的接口、運行協(xié)同以及系統(tǒng)內(nèi)部各部件的邏輯關(guān)聯(lián)，了解系統(tǒng)呈現(xiàn)的外部特性與人機交互模式，強調(diào)從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)角度實現(xiàn)系統(tǒng)功能的綜合方法[7-8]。系統(tǒng)能力具有突出的工程特征，是解決復(fù)雜工程問題的基本能力和直接體現(xiàn)。

我校計算機專業(yè)之前沒有開設(shè)過硬件描述語言，所有的硬件類課程實驗都是通過在實驗箱中完成的，因此學(xué)生對硬件描述語言還不了解，如果直接讓學(xué)生用硬件描述語言進(jìn)行計算機功能部件及CPU設(shè)計肯定是行不通的。作為一所省屬地方高校，教師的師資水平和學(xué)生的能力方面與985、211高校有一定的差距，我們因地制宜探索一條適合我校系統(tǒng)能力培養(yǎng)的方法、措施。在數(shù)字邏輯課程開設(shè)的同時增開硬件描述語言Verilog，要求學(xué)生首先通過圖形、動畫等方式直觀地理解計算機內(nèi)部各個基本部件的工作原理，然后采用硬件描述語言Verilog進(jìn)行設(shè)計。

設(shè)計循序漸進(jìn)的實驗項目，學(xué)生首先通過計算機各個功能部件的設(shè)計過程熟悉和掌握硬件描述語言Verilog以及Xilinx的Vivado軟件的使用，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行單周期MIPS CPU、多周期MIPS CPU以及五級流水MIPS CPU的設(shè)計，并通過Xilinx的FPGA開發(fā)板進(jìn)行驗證。這種由易到難的階梯式實踐過程比較適合我校學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，學(xué)生也容易接受，避免打擊學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

根據(jù)我校生源情況和實際師資力量，擬將學(xué)生最終能夠自主設(shè)計“一臺功能計算機、一個操作系統(tǒng)”確立為我校計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)，并據(jù)此重構(gòu)數(shù)字邏輯、計算機組成原理、微機原理與接口技術(shù)、操作系統(tǒng)等四門系統(tǒng)類核心課程的知識體系，形成邊界清晰且有序銜接的課程群知識體系。

3 以系統(tǒng)能力培養(yǎng)為導(dǎo)向開展深層次教學(xué)改革

針對目前實際教學(xué)內(nèi)容整體性不夠問題，提出以完整計算機系統(tǒng)設(shè)計為目標(biāo)的軟硬件協(xié)同的教學(xué)改革方案，圍繞實現(xiàn)一個完整的計算機系統(tǒng)組織教學(xué)內(nèi)容。因此，課程改革涉及到數(shù)字邏輯、計算機組成原理、微機原理與接口技術(shù)和操作系統(tǒng)等四門系統(tǒng)類核心課程。前期目標(biāo)為貫通硬件課程，具體體現(xiàn)在利用硬件描述語言Verilog設(shè)計計算機內(nèi)部各個基本部件，

最終實現(xiàn)一個單周期、多周期、流水線的MIPS CPU的設(shè)計，并下載到FPGA實驗板上，從而完成設(shè)計與驗證。同時，逐步推進(jìn)和規(guī)范化小學(xué)期的課程設(shè)計，將畢業(yè)設(shè)計和課外研學(xué)相結(jié)合，拓寬學(xué)生的思維深度和廣度，不斷培養(yǎng)學(xué)生的分析問題解決問題能力、計算機系統(tǒng)能力以及工程實踐能力。

3. 1 優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容

針對系統(tǒng)類核心課程只注重自身完整性、缺乏整體優(yōu)化的問題，在學(xué)習(xí)其他高校改革方案的基礎(chǔ)上，構(gòu)建符合我校師資力量和學(xué)生能力的課程體系。

（1）構(gòu)建數(shù)字邏輯課程知識體系

現(xiàn)有的數(shù)字邏輯課程，只是強調(diào)該課程本身知識體系的完整性，忽略了與后續(xù)課程（計算機組成原理）之間的銜接，同時沒有考慮復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)實踐項目?；谟嬎銠C系統(tǒng)能力培養(yǎng)目標(biāo)，在數(shù)字邏輯課程開設(shè)的同時，增開Verilog HDL語言課程，目前該課程已經(jīng)由開始的公選課變成了現(xiàn)在的必修課。在EDA（Electronic Design Automation）軟件工具Xilinx的Vivado中利用Verilog語言進(jìn)行數(shù)字電路的設(shè)計和仿真，并通過Xilinx的FPGA開發(fā)板進(jìn)行驗證。

面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)要求，以《計算機科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)規(guī)范》為基礎(chǔ)[6]，同時考慮課程銜接和實驗項目規(guī)模與難度，研究數(shù)字邏輯課程所涉及的知識領(lǐng)域、知識單元、知識點以及與后續(xù)課程之間的關(guān)系，最終建立符合計算機系統(tǒng)設(shè)計所需要的主要知識體系。與現(xiàn)有的數(shù)字邏輯課程知識體系相比，更加深入講解寄存器、計數(shù)器、譯碼器、有限狀態(tài)機、存儲器等與后續(xù)課程相關(guān)的知識模塊；同時，刪除集成電路傳輸特性、555定時器、數(shù)-模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換等內(nèi)容。具體如表1所示。

表1構(gòu)建數(shù)字邏輯課程知識體系

（2）構(gòu)建計算機組成原理課程知識體系

計算機組成原理是計算機專業(yè)中最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，在整個計算機專業(yè)課程體系中起著承上啟下的作用，也是考研必考課程。該課程主要講解計算機各個功能部件的工作原理、設(shè)計方法以及各部件之間的關(guān)聯(lián)機制，幫助學(xué)生建立計算機整機概念。目前，我校計算機組成原理課程教學(xué)主要偏向各功能部件工作原理的講解，弱化了其設(shè)計方法以及各功能部件之間的關(guān)聯(lián)機制，因此對于學(xué)生來說是“只見樹木，不見森林”。同時，目前的課程教學(xué)內(nèi)容只是強調(diào)課程本身知識體系的完整性，忽略了其與數(shù)字邏輯以及微機原理與接口技術(shù)、操作系統(tǒng)等課程之間的銜接。

考慮課程銜接和實驗項目規(guī)模與難度，研究計算機組成原理課程所涉及的知識領(lǐng)域、知識單元、知識點以及與數(shù)字邏輯、微機原理與接口技術(shù)、操作系統(tǒng)等課程之間的關(guān)系，最終建立符合計算機系統(tǒng)設(shè)計所需要的主要知識體系。與目前的教學(xué)內(nèi)容相比，在計算機組成原理課程中增加了計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)內(nèi)容、計算機開發(fā)與執(zhí)行過程、計算機系統(tǒng)的性能評價指標(biāo)；在指令系統(tǒng)這一塊，重點講解MIPS指令系統(tǒng)和MIPS指令匯編語言；在中央處理器這一部分，原來只是以基本模型機講授CPU的基本工作原理，現(xiàn)在以具體的MIPS指令為例，詳細(xì)分析每條指令的格式和實現(xiàn)過程，分別以單周期和多周期為例，構(gòu)建數(shù)據(jù)通路，設(shè)計組合邏輯控制器和微程序控制器；詳細(xì)講解流水線實現(xiàn)的工作原理和存在的問題及解決辦法；外圍設(shè)備這一塊刪減過時的教學(xué)內(nèi)容，例如存儲設(shè)備中的磁帶、軟盤等。

3. 2 規(guī)劃實驗教學(xué)

（1）構(gòu)建數(shù)字邏輯實驗體系

在數(shù)字邏輯實驗教學(xué)中，學(xué)生需要利用硬件描述語言Verilog，完成組合邏輯電路的設(shè)計、同步時序邏輯電路的設(shè)計以及譯碼器、加法器、數(shù)據(jù)選擇器、寄存器、存儲器、計數(shù)器等計算機內(nèi)部各個基本部件的設(shè)計，這些部件將在后續(xù)的計算機組成原理實驗中被直接使用，可以減輕計算機組成原理實驗課程的負(fù)擔(dān)。在我校，數(shù)字邏輯實驗和計算機組成原理實驗同樣都是18學(xué)時。而計算機組成原理要完成CPU的設(shè)計，課時很是緊張的，所以可以將計算機系統(tǒng)的基本部件的設(shè)計實驗放在數(shù)字邏輯實驗課程中完成。構(gòu)建的數(shù)字邏輯實驗教學(xué)體系，計劃安排8次，共計16學(xué)時，設(shè)計的實驗教學(xué)內(nèi)容如表2所示。

表2數(shù)字邏輯實驗教學(xué)體系

在課程結(jié)束的小學(xué)期即第20周，增加數(shù)字邏輯課程設(shè)計環(huán)節(jié)。利用Verilog語言和Xilinx的Vivado軟件，設(shè)計面向工程應(yīng)用的數(shù)字系統(tǒng)項目。設(shè)計題目能夠具有一定的規(guī)模，不易太復(fù)雜，以免打擊大二學(xué)生的積極性。通過課程設(shè)計過程，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考的習(xí)慣，激發(fā)其創(chuàng)新意識和團(tuán)隊合作意識，進(jìn)一步提高學(xué)生的動手實踐能力。設(shè)計結(jié)果通過Xilinx的FPGA開發(fā)板進(jìn)行驗證。課程設(shè)計要求學(xué)生制定設(shè)計方案，畫出原理圖，提交設(shè)計報告，并通過PPT形式進(jìn)行結(jié)題匯報。課程設(shè)計題目如表3所示，學(xué)生可以兩人一組，選擇其中一個項目完成。

表3數(shù)字邏輯課程設(shè)計部分項目

（2）構(gòu)建計算機組成原理實驗體系

在計算機組成原理實驗課程中，我們最終的目標(biāo)是設(shè)計CPU，包括單周期CPU、多周期CPU以及五級流水CPU。對于在數(shù)字邏輯實驗中已經(jīng)完成的功能部件實驗，我們可以直接拿過來使用，避免重復(fù)設(shè)計過程。同時，對于實驗平臺，我們選擇和數(shù)字邏輯實驗統(tǒng)一的實驗平臺，就是利用硬件描述語言Verilog在Xilinx的Vivado軟件中進(jìn)行設(shè)計和仿真，通過Xilinx的FPGA開發(fā)板進(jìn)行驗證。選擇統(tǒng)一的實驗平臺，可以避免學(xué)生再次進(jìn)行實驗平臺的學(xué)習(xí)和熟悉，將更多的時間和精力用于CPU的設(shè)計。構(gòu)建的計算機組成原理實驗教學(xué)體系，計劃安排8次，共計16學(xué)時，具體安排如表4所示。

受實際課時的限制，我們需要增加課程設(shè)計，可以安排在課程結(jié)束的小學(xué)期即第20周進(jìn)行，利用為期一周的時間，完成五級流水MIPS CPU設(shè)計，考慮相關(guān)控制。課程設(shè)計要求學(xué)生兩人一組，制定設(shè)計方案，提交設(shè)計報告，并通過PPT形式進(jìn)行結(jié)題匯報。通過課程設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生的計算機系統(tǒng)能力，提高他們的團(tuán)隊合作意識。

表4計算機組成原理實驗教學(xué)體系

4 結(jié)語

作為省屬地方高校，以系統(tǒng)能力培養(yǎng)為導(dǎo)向積極探索教學(xué)改革，從課程體系建設(shè)、教學(xué)內(nèi)容的組織、實驗平臺的統(tǒng)一、實驗項目的規(guī)劃等方面進(jìn)行了一些探討。計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)是一個長期的過程，路雖遠(yuǎn)，行則將至；事雖難，做則必成！教改之路還很長，教改后對教師的教學(xué)與實踐能力要求更高，后期將通過培訓(xùn)、學(xué)習(xí)、交流、競賽等多種方法進(jìn)一步加強教師的教學(xué)水平，提升教學(xué)能力和科研能力。在課程體系建設(shè)方面，后期還要繼續(xù)探索與微機原理與接口技術(shù)、操作系統(tǒng)、編譯原理等核心課程的融合貫通，特別是實驗方面的貫通，打通硬件和軟件，培養(yǎng)學(xué)生的全局觀、系統(tǒng)觀，真正達(dá)到計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)的目標(biāo)和要求。