方 娟 毛國(guó)君 朱文軍

摘要:精品課程的建設(shè)可以促進(jìn)教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量的提高,本文通過(guò)對(duì)“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”校級(jí)精品課程建設(shè)的研究,對(duì)該課程的課程定位、教學(xué)模式、教學(xué)方法等做了有益的探索,提出創(chuàng)新教育、知識(shí)更新的思想。

關(guān)鍵詞:精品課程;教學(xué)模式;創(chuàng)新教育

中圖分類號(hào):G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

精品課程建設(shè)是教育部啟動(dòng)的“高等學(xué)校教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程”中的一項(xiàng)重要內(nèi)容,是提高教學(xué)質(zhì)量進(jìn)而提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的奠基性工作。我校2008年開(kāi)始啟動(dòng)“校級(jí)精品課程建設(shè)計(jì)劃”,我院的“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程被評(píng)為首屆校級(jí)精品課程。下面就課程定位、教學(xué)體系建設(shè)、知識(shí)模塊、教學(xué)模式、相關(guān)教學(xué)研究等方面介紹對(duì)該課程建設(shè)的探索與實(shí)踐。

1課程的基本定位和教學(xué)目標(biāo)

在計(jì)算機(jī)專業(yè)人才需求越來(lái)越多的情況下,北京市對(duì)計(jì)算機(jī)硬件相關(guān)的技術(shù)人員也加大了需求量,在這樣的形勢(shì)下,我們建立了新的計(jì)算機(jī)硬件課程體系,對(duì)“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的定位也越來(lái)越明確。我校的計(jì)算機(jī)專業(yè)主要為北京市培養(yǎng)計(jì)算機(jī)應(yīng)用型人才,學(xué)生的就業(yè)取向大多數(shù)是北京市的高新技術(shù)企業(yè)。因此,我們從教學(xué)計(jì)劃、教學(xué)大綱、教學(xué)平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)平臺(tái)和工具等方面均做了改革和調(diào)整,以適應(yīng)形勢(shì)發(fā)展的需要。具體措施為:

(1) 通過(guò)“數(shù)字邏輯”解決數(shù)字邏輯電路的基本概念和原理;

(2) 通過(guò)“數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)”等課程讓學(xué)生掌握現(xiàn)代的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)和工具(EDA、FPGA等),以及簡(jiǎn)單電子部件的設(shè)計(jì)技術(shù);

(3) 通過(guò)“計(jì)算機(jī)組成原理”解決計(jì)算機(jī)的基本組成原理與技術(shù)問(wèn)題;

(4) 通過(guò)“計(jì)算機(jī)接口技術(shù)”、“高檔微機(jī)系統(tǒng)”課程使學(xué)生掌握微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試基本概念和方法,提高學(xué)生工程素質(zhì)和設(shè)計(jì)、技術(shù)創(chuàng)新等方面的基本知識(shí)。

“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生在計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)和分析設(shè)計(jì)中,理解軟硬界面分配及如何最佳、最合理地分配硬件功能,即提高系統(tǒng)的性能價(jià)格比方面的知識(shí);“嵌入式系統(tǒng)”等系列課程,讓學(xué)生在“嵌入式系統(tǒng)”、“微機(jī)系統(tǒng)及接口”等面向應(yīng)用的專業(yè)方向上進(jìn)行學(xué)習(xí)和實(shí)踐。

在“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”的教學(xué)中,以提高計(jì)算機(jī)的性能價(jià)格比為重點(diǎn),輔以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展中的新技術(shù),如流水線技術(shù)、并行技術(shù)等,最終的目標(biāo)是提高學(xué)生從總體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)分析這一層次來(lái)研究和分析計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的能力,幫助學(xué)生建立整機(jī)系統(tǒng)的概念;使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)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(jì)方法,掌握基本的性能分析方法,特別是量化方法;并對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀有所了解。本課程強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力和自頂向下、系統(tǒng)地分析和解決問(wèn)題的能力,強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。

2知識(shí)模塊順序

本課程在建設(shè)中注重知識(shí)更新、創(chuàng)新教育,在2008年5月我校正式獲得批準(zhǔn)成為《英特爾“多核技術(shù)課程”大學(xué)計(jì)劃》合作伙伴,成立了“北京工業(yè)大學(xué)——Intel多核技術(shù)實(shí)驗(yàn)室”,并得到Intel公司的多核服務(wù)器及相關(guān)軟件的捐贈(zèng),在此基礎(chǔ)上,本課程在授課過(guò)程中增加了多核技術(shù)的內(nèi)容,使學(xué)生在課堂上能接觸到更多的新知識(shí)。具體知識(shí)模塊順序如下:

(1) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識(shí):計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識(shí)以及與計(jì)算機(jī)組成、計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)之間的關(guān)系,并對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)未來(lái)的發(fā)展做相應(yīng)的介紹。

(2) 指令系統(tǒng):計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題,從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的角度介紹指令系統(tǒng)及與之相關(guān)的數(shù)據(jù)表示和尋址技術(shù)等。

(3) 存儲(chǔ)系統(tǒng):計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題之一是如何以合理的價(jià)格、設(shè)計(jì)容量和速度滿足計(jì)算機(jī)系統(tǒng)要求的存儲(chǔ)器系統(tǒng)。本模塊從存儲(chǔ)層次出發(fā),介紹多級(jí)存儲(chǔ)體系及各級(jí)存儲(chǔ)器。

(4) 流水線處理技術(shù):本章主要介紹流水線技術(shù)的基本概念、工作方式、流水線的分類和流水線在向量處理機(jī)中的應(yīng)用。

(5) 并行處理技術(shù):并行處理技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用,互連網(wǎng)絡(luò)的基本概念、幾種典型的互連網(wǎng)結(jié)構(gòu)和消息傳遞機(jī)制。

(6) 多處理機(jī)及新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu):多處理機(jī)模型和基本結(jié)構(gòu),多處理機(jī)結(jié)構(gòu)、性能和實(shí)例,介紹數(shù)據(jù)流機(jī)、歸約機(jī)和智能計(jì)算機(jī)等的工作原理、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)等。

(7) 多核技術(shù):多核處理器的基本概念、分類和工作原理。

3建立理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)體系

本課程在近幾年的建設(shè)中,針對(duì)原課程計(jì)劃中沒(méi)有實(shí)驗(yàn)的缺陷,通過(guò)加強(qiáng)對(duì)國(guó)內(nèi)外大學(xué)該課程進(jìn)行調(diào)查和研究,建立了本課程的實(shí)驗(yàn)體系。通過(guò)兩部分的實(shí)驗(yàn)來(lái)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)流水線技術(shù)的理解。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是:

(1) 在掌握基本原理的基礎(chǔ)上,通過(guò)使用WinDLX模擬器對(duì)流水線處理和指令調(diào)度進(jìn)行測(cè)試,加深對(duì)數(shù)據(jù)相關(guān)、資源相關(guān)的理解,了解這兩類相關(guān)對(duì)CPU性能的影響以及如何用定向技術(shù)來(lái)解決。

(2) 設(shè)計(jì)四個(gè)流水線功能段的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn),包括取指、譯碼、執(zhí)行、寫(xiě)回階段,分析并設(shè)計(jì)流水線CPU各功能段的基本硬件結(jié)構(gòu),并用Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言加以實(shí)現(xiàn),進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,最后提交規(guī)范的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。隨著實(shí)驗(yàn)的不斷完善,未來(lái)將增加多核方面的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)體系的改革使本課程的教學(xué)過(guò)程更加完整,學(xué)生能夠從實(shí)驗(yàn)中加深對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的技術(shù)的理解,使抽象的內(nèi)容變得具體化。

本課程的實(shí)驗(yàn)為8學(xué)時(shí),具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如表1所示:

由于學(xué)時(shí)的限制,上述實(shí)驗(yàn)中1、2為必選題目,3～6可以任選一個(gè)。

4啟發(fā)式教學(xué)模式的建立

新教學(xué)模式的建立打破了以往純粹課堂講授的方式,采用創(chuàng)新型的教學(xué)模式:啟發(fā)式課堂講授、主題討論、自主學(xué)習(xí)三種方式的結(jié)合。啟發(fā)式教育的核心就是要培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和創(chuàng)新思維。在課堂中,每章節(jié)均設(shè)置相關(guān)的思考題和與前沿技術(shù)有關(guān)的研究性專題,鼓勵(lì)學(xué)生自主查閱資料,提出問(wèn)題,增強(qiáng)師生互動(dòng)。在此過(guò)程中,突出自主學(xué)習(xí)和研究性學(xué)習(xí),全面提高學(xué)生的思維能力、解決問(wèn)題的能力以及創(chuàng)新能力。教學(xué)過(guò)程模型如圖1所示:

在上述基礎(chǔ)上,還采用了課堂授課與網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)相結(jié)合的方式,將多種現(xiàn)代教學(xué)媒體與自主開(kāi)發(fā)的多媒體課件、課程教學(xué)網(wǎng)站優(yōu)化組合,構(gòu)建課堂授課與網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境?！坝?jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”教學(xué)網(wǎng)站為學(xué)生提供了豐富的教學(xué)資源和良好的交流平臺(tái),如提供教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)團(tuán)隊(duì)、教學(xué)錄像、教學(xué)課件、參考教材、習(xí)題與作業(yè)、自測(cè)題等資源;網(wǎng)站除了為課程提供基本的信息外,強(qiáng)調(diào)教師與學(xué)生的互動(dòng)交流,教師可以針對(duì)核心問(wèn)題設(shè)置分組,論壇帖子置頂,推薦精華帖,發(fā)布公告,設(shè)置論壇風(fēng)格等;學(xué)生可以針對(duì)某個(gè)問(wèn)題發(fā)帖討論,站內(nèi)搜索,收藏帖子等;論壇的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行定期自動(dòng)備份(如一天一備份),同時(shí)可以以一周或幾天為單位,自動(dòng)刪除前一周或幾天的數(shù)據(jù)庫(kù)備份文件,達(dá)到既維護(hù)數(shù)據(jù)又不使備份數(shù)據(jù)過(guò)大的目的,滿足論壇的持續(xù)性和擴(kuò)展性的要求。

5結(jié)語(yǔ)

隨著精品課程建設(shè)的不斷推進(jìn),課程組的教師在教材建設(shè)、教學(xué)研究方面都取得了優(yōu)秀的成果,目前由課程組合著的《計(jì)算機(jī)組成原理與匯編語(yǔ)言》、《高檔微機(jī)原理與技術(shù)》等教材均已在清華大學(xué)出版社出版,并列入國(guó)家“十一五”規(guī)劃教材;《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》一書(shū)也于2009年在清華大學(xué)出版社出版。由課程組的老師主持的三項(xiàng)教育教學(xué)項(xiàng)目現(xiàn)已通過(guò)學(xué)校中期驗(yàn)收,相關(guān)老師也在該課程的教學(xué)改革中不斷提出新的思路,力爭(zhēng)在不斷的建設(shè)中使該課程達(dá)到北京市精品課程的標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn):

[1] 毛國(guó)君,方娟. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程群的“1+2+3”模式及其應(yīng)用[J]. 中國(guó)大學(xué)教學(xué),2008(3):40-42.

[2] 方娟. 多核技術(shù)在“高級(jí)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”課程中的引入與探討[J]. 計(jì)算機(jī)教育,2008(20):41-42,14.

[3] 惠麗,吳玲. “數(shù)字邏輯”精品課程建設(shè)的探索與實(shí)踐[J]. 計(jì)算機(jī)教育,2009(2):110-111,133.