王 瓊 沈 立 張春元 王志英

（國防科技大學(xué)計算機(jī)學(xué)院 湖南·長沙 410073）

計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是計算機(jī)大類專業(yè)一門重要的系統(tǒng)級課程，重點講述現(xiàn)代大多數(shù)計算機(jī)系統(tǒng)都采用的比較成熟的結(jié)構(gòu)，主要內(nèi)容包括計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和并行性等基本概念、計算機(jī)指令系統(tǒng)的設(shè)計方法、流水線及指令級并行技術(shù)、向量處理機(jī)結(jié)構(gòu)和性能模型、存儲層次、多處理機(jī)和關(guān)鍵技術(shù)、集群計算機(jī)及典型案例等。通過學(xué)習(xí)計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，學(xué)生將建立起計算機(jī)系統(tǒng)的整體概念，包括概念性結(jié)構(gòu)與功能特性。然而本課程具有內(nèi)容抽象、實踐要求高等特點，導(dǎo)致教學(xué)具有“很難教、不易學(xué)、難學(xué)好”等難點。

國防科技大學(xué)計算機(jī)學(xué)院依托計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)一流學(xué)科（在歷次全國一級學(xué)科評估中名列前茅，2016年A+、入選“雙一流”）和一流專業(yè)（2010年入選卓越工程師計劃，2014年通過國家工程教育專業(yè)認(rèn)證），堅持教學(xué)科研相結(jié)合，大力推動教學(xué)改革，開展高水平《計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》課程建設(shè)，強(qiáng)化計算機(jī)專業(yè)學(xué)生的系統(tǒng)能力培養(yǎng)。通過學(xué)習(xí)該課程，學(xué)生將掌握計算機(jī)系統(tǒng)，包括單機(jī)系統(tǒng)和多機(jī)系統(tǒng)的基本原理、基本結(jié)構(gòu)、基本設(shè)計方法和基本分析方法，特別是量化的分析方法，最終形成設(shè)計、集成和構(gòu)造計算機(jī)系統(tǒng)的解決復(fù)雜工程問題的能力。

2004年，國防科技大學(xué)計算機(jī)學(xué)院《計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》課程入選首批全軍優(yōu)質(zhì)課程，2005年評為國家精品課，是全國首門計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)精品課程，2013年評為國家精品資源共享課。本文以國防科技大學(xué)計算機(jī)學(xué)院建設(shè)高水平《計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》課程的具體實踐為案例，總結(jié)經(jīng)驗做法，提出若干課程建設(shè)建議。

1 課程建設(shè)情況

國防科技大學(xué)計算機(jī)學(xué)院《計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》課程主要面向計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程和網(wǎng)絡(luò)工程等專業(yè)的大三學(xué)生，先修課程為計算機(jī)原理，后續(xù)的課程是嵌入式系統(tǒng)、并行計算機(jī)系統(tǒng)、計算機(jī)系統(tǒng)性能評價等，主要教材是清華大學(xué)出版社出版的《計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》（第2版），由國防科技大學(xué)王志英、張春元、沈立、肖曉強(qiáng)、姜晶菲幾位老師聯(lián)合撰寫。該課程始終堅持科研實踐與理論教學(xué)緊密結(jié)合，從工程經(jīng)歷和科研成果中提取教學(xué)案例，設(shè)計實驗方案，打造高水平教學(xué)團(tuán)隊，編寫高水平教材，將本課程建成國家級精品課程，并以本課程為基礎(chǔ)打造了本碩博貫通的計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程體系。2014年以來，本課程結(jié)合計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)一級學(xué)科建設(shè)、工程教育專業(yè)認(rèn)證等工作，以培養(yǎng)系統(tǒng)能力特別是解決復(fù)雜工程問題的能力為目標(biāo)，更新教學(xué)理念、調(diào)整內(nèi)容體系、改革教學(xué)方法，同時建設(shè)課程資源和教材，充分發(fā)揮國家級精品課程的引領(lǐng)示范作用。

1.1 以目標(biāo)產(chǎn)出導(dǎo)向和持續(xù)改進(jìn)理念等指導(dǎo)課程建設(shè)和改革

目標(biāo)產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)都是國家工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心理念，強(qiáng)調(diào)課程建設(shè)應(yīng)以學(xué)生達(dá)到畢業(yè)要求為目標(biāo)，并根據(jù)教師、學(xué)生、督導(dǎo)的意見和建議及時改進(jìn)。結(jié)合本領(lǐng)域的發(fā)展實際，本課程確定了“培養(yǎng)復(fù)雜工程能力特別是解決計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)相關(guān)復(fù)雜工程問題能力”相關(guān)的畢業(yè)要求，并以此指導(dǎo)課程建設(shè)，組織教學(xué)活動，實施教學(xué)評價。

持續(xù)改進(jìn)方面，采用線上線下兩種方式相結(jié)合的手段來實現(xiàn)課程建設(shè)和改革方法的不斷改進(jìn)?；?EduCoder在線平臺，建立課程、布置作業(yè)、發(fā)布測試題等。課上通過雨課堂發(fā)布課件、隨堂布置習(xí)題、現(xiàn)場提問等方式來了解學(xué)生知識掌握情況，檢驗知識點的教學(xué)效果并同步進(jìn)行調(diào)整。課后通過發(fā)放線上課程調(diào)查問卷的方式收集學(xué)生對課程和教學(xué)方式的看法，根據(jù)反饋結(jié)果來調(diào)整課程建設(shè)思路和實施方法，提升課程改革效果。

1.2 以系統(tǒng)能力培養(yǎng)為目標(biāo)，改革教學(xué)內(nèi)容

本課程是計算機(jī)專業(yè)一門非常重要的系統(tǒng)級課程。因此，培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)能力，特別是解決計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)相關(guān)復(fù)雜工程問題的能力，是本課程的主要目標(biāo)之一。本課程圍繞這一目標(biāo)對教學(xué)內(nèi)容和實驗內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的更新，及時將多核處理器、GPU、集群、DSA等內(nèi)容引入課堂，使學(xué)生全面了解典型計算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及工作原理，并以時鐘精度軟件模擬器的設(shè)計和實現(xiàn)為基礎(chǔ)，增加了指令系統(tǒng)設(shè)計、專用指令擴(kuò)展、指令級并行、Cache一致性協(xié)議等實驗內(nèi)容，填補(bǔ)了國內(nèi)同類課程空白。

本課程的負(fù)責(zé)人和主講教師王志英教授是國家精品課、國家精品資源共享課“計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”負(fù)責(zé)人，率先在國內(nèi)高效發(fā)起系統(tǒng)能力培養(yǎng)的計算機(jī)類專業(yè)課程教學(xué)改革，數(shù)百所國內(nèi)高校參與。2017年，因在計算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的突出貢獻(xiàn)，王志英教授獲得中國計算機(jī)學(xué)會杰出教育獎。

1.3 以一流科研支撐一流課程建設(shè)

計算機(jī)學(xué)院長期承擔(dān)超級計算機(jī)、高性能處理器、操作系統(tǒng)等為代表的國家重大工程項目，取得了以銀河巨型計算機(jī)、天河超級計算機(jī)、飛騰處理器、麒麟操作系統(tǒng)等為代表的一系列具有影響力的科研成果。本課程堅持以一流科研成果支撐課程建設(shè)，科研教學(xué)協(xié)同育人，采用現(xiàn)場教學(xué)、師徒幫帶等形式使研究生近距離接觸銀河、天河等科研團(tuán)隊，由科研團(tuán)隊成員親自指導(dǎo)和評價。

將天河2號、國產(chǎn)飛騰處理器和麒麟操作系統(tǒng)等作為案例引入課堂教學(xué)，以國產(chǎn)自主處理器和操作系統(tǒng)為核心打造課程實驗平臺，形成鮮明的國產(chǎn)化特色。如在講解“測試程序”相關(guān)內(nèi)容時，從TOP500排行榜出發(fā)，介紹超級計算機(jī)的性能測試集Linpack以及計算機(jī)學(xué)院天河超級計算機(jī)面向該測試集所做的體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化。此外，邀請國產(chǎn)飛騰處理器研制團(tuán)隊的一線科研人員結(jié)合自身科研經(jīng)歷做“領(lǐng)域?qū)Ｓ皿w系結(jié)構(gòu)”的主題報告，介紹相關(guān)領(lǐng)域的國內(nèi)外前沿進(jìn)展、他們在科研攻關(guān)經(jīng)歷中遇到的體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域挑戰(zhàn)問題，以及攻克這些難關(guān)的方法。

1.4 開展課程思政建設(shè)

以“弘揚(yáng)銀河精神，傳承紅色基因”為目標(biāo)，結(jié)合課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式，采用類比講解、舉例講解、案例教學(xué)、參與式教學(xué)等多種形式教學(xué)方法，從計算機(jī)學(xué)院長期以來承擔(dān)的銀河系列巨型計算機(jī)系統(tǒng)、天河系列超級計算機(jī)系統(tǒng)、飛騰系列CPU和DSP、麒麟操作系統(tǒng)等國家重大工程項目的研制經(jīng)歷中提取課程思政元素，將科研無縫融入課程教學(xué)，實現(xiàn)專業(yè)教學(xué)內(nèi)容和思政元素的深度融合，做到潤物細(xì)無聲。比如在“指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn)”這一教學(xué)內(nèi)容中，首先以國防科大計算機(jī)學(xué)院研制的加速器中所用的超越函數(shù)指令為例，講解增強(qiáng)運算型指令的收益，同時加強(qiáng)學(xué)生對計算機(jī)學(xué)院科研成果的了解和認(rèn)可；其次以飛騰、龍芯、申威等國產(chǎn)CPU為例，使學(xué)生了解國產(chǎn) CPU的現(xiàn)狀以及進(jìn)一步發(fā)展自主指令集所面臨的專利、制造等“卡脖子”問題，使學(xué)生意識到國家發(fā)展國產(chǎn)自主CPU的道路依然充滿挑戰(zhàn)，需要大量的科研、教學(xué)人員為之努力奮斗。

2 課程特色與創(chuàng)新

2.1 建設(shè)了“高水平計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”課程體系

充分借鑒和吸收國際一流大學(xué)相關(guān)課程的精華，內(nèi)容上與國際計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的最新進(jìn)展保持一致，建設(shè)了本、碩、博打通的高水平課程體系，“高級計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”2019年入選湖南省優(yōu)質(zhì)研究生課程。建設(shè)了包括“計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”（本）、“高級計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”（碩）、“計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)實驗”（碩）、“面向體系結(jié)構(gòu)的軟件優(yōu)化實驗”（碩）、“計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)前沿技術(shù)”（博）在內(nèi)的本、碩、博貫通的高水平課程體系。

本科生課程以建立計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)概念、培養(yǎng)系統(tǒng)設(shè)計能力和性能評價能力為主。研究生課程深入討論指令級并行、數(shù)據(jù)級并行和進(jìn)程級并行開發(fā)技術(shù)，以及有效支撐這些并行性開發(fā)的體系結(jié)構(gòu)技術(shù)。在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，研究生階段還建設(shè)了兩門實驗課，其中“計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)實驗”重點關(guān)注體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計和實現(xiàn)，“面向體系結(jié)構(gòu)的軟件優(yōu)化實驗”重點關(guān)注如何充分發(fā)揮體系結(jié)構(gòu)的性能。博士生課程則以介紹近年來體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的前沿進(jìn)展為主。

2.2 理論與實踐緊密結(jié)合

主講教師長期工作在教學(xué)科研一線，主要研究方向為計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和微處理器設(shè)計等，主持國家自然科學(xué)基金、國家973重大基礎(chǔ)研究、國家863高技術(shù)研究等多個計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)相關(guān)項目，具有豐富的科研實踐經(jīng)驗。課程深入結(jié)合本單位幾十年來從事計算機(jī)系統(tǒng)研制的雄厚積累，在保持基本內(nèi)容基礎(chǔ)上，引入來自科研成果的新的內(nèi)容和典型實例，體現(xiàn)了理論與實踐的緊密結(jié)合的教學(xué)基本要求，使得課程教學(xué)更加生動，還有助于激發(fā)學(xué)生潛能。

比如講授向量處理機(jī)相關(guān)內(nèi)容時，課程結(jié)合計算機(jī)學(xué)院研制的我國首臺億次巨型計算機(jī)銀河-I，介紹銀河-I在雙向量陣列結(jié)構(gòu)等方面所做出的體系結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，幫助學(xué)生更好的理解向量處理機(jī)的知識點。此外，課程在介紹異構(gòu)多核處理器相關(guān)知識時，則結(jié)合計算機(jī)學(xué)院研制的我國首臺千萬億次超級計算機(jī)天河1號，通過介紹天河1號所采用的CPU+GPU異構(gòu)多核體系結(jié)構(gòu)，使得學(xué)生更好的理解和掌握異構(gòu)平臺在性能加速方面的原理和優(yōu)勢。

2.3 同步建設(shè)高水平教材

本課程的教材是“十一五”“十二五”國家級規(guī)劃教材，是課程主講教師多年來從事計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)科學(xué)研究、課程建設(shè)和教學(xué)工作的結(jié)晶。教材的編寫充分借鑒和吸收了國際上計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域公認(rèn)教材的重要精華之處，做到了在內(nèi)容上與國際計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程教學(xué)內(nèi)容的協(xié)調(diào)一致，并且符合教育部高等教育計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會發(fā)布的《高等學(xué)校計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)規(guī)范》對該課程的要求，教學(xué)目標(biāo)定位清晰。

教材設(shè)計立體化，促進(jìn)學(xué)生對理論知識和實踐能力的掌握。配套有實驗指導(dǎo)教材、教師教學(xué)和習(xí)題指導(dǎo)教材、教學(xué)課件等。教材內(nèi)容覆蓋合理，組織恰當(dāng)，符合教學(xué)規(guī)律。在內(nèi)容組織上做到“因材施教”，重點突出、難點分散。教材在國內(nèi)計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)教學(xué)中有著很好的引領(lǐng)和示范作用，多所高等學(xué)校采用此書作為課程教材。

3 課程建設(shè)成果通過教學(xué)改革，教學(xué)質(zhì)量提升顯著，能力培養(yǎng)成效突出

3.1 學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力得到顯著提升

學(xué)生能夠有效利用現(xiàn)代工具解決所遇到的問題，從最基本的計算機(jī)模擬器實現(xiàn)、DLX處理器的指令系統(tǒng)和指令編碼方案確定、單流出的5級32位dlx整數(shù)流水線以及在FPGA平臺上的仿真，到更多高級功能模塊的實現(xiàn)，包括計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程中介紹的開發(fā)指令級并行和數(shù)據(jù)級并行的硬件機(jī)制、Cache等，如DLX浮點流水線、記分牌算法、VLIW技術(shù)、分支目標(biāo)緩沖器、SIMD指令擴(kuò)展等。開發(fā)出可用的時鐘精度軟件模擬器，實現(xiàn)流水線、分支預(yù)測、Cache等基本模塊以及動態(tài)指令調(diào)度或多核結(jié)構(gòu)Cache一致性協(xié)議等高級模塊，代碼規(guī)模超過1.5萬行，代碼軟件質(zhì)量優(yōu)。

3.2 教改成果產(chǎn)生重要影響力

獲國家教學(xué)成果二等獎2項，軍隊和湖南省教學(xué)成果一等獎各1項；出版的一套教材（主教材、教學(xué)指導(dǎo)和習(xí)題解答、實驗教材）入選“十一五”“十二五”國家規(guī)劃教材，被國內(nèi)100多所高校的計算機(jī)學(xué)院、軟件學(xué)院、信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院、電信工程學(xué)院等的計算機(jī)類專業(yè)、自動化及電子信息專業(yè)選用，具有很強(qiáng)的輻射作用和影響力。學(xué)院牽頭全國計算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)改革，負(fù)責(zé)制定國家計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程規(guī)范。本課程的負(fù)責(zé)人和主講教師王志英教授率先在國內(nèi)高效發(fā)起系統(tǒng)能力培養(yǎng)的計算機(jī)類專業(yè)課程教學(xué)改革，數(shù)百所國內(nèi)高校參與。多次受邀在全國性教學(xué)會上做特邀報告或進(jìn)行課程導(dǎo)教，介紹課程建設(shè)和教學(xué)經(jīng)驗。

3.3 課程思政建設(shè)取得顯著成效

本課程率先開展課程思政建設(shè)改革，結(jié)合計算機(jī)學(xué)院在銀河、天河等重大項目中的科研攻關(guān)經(jīng)歷，建設(shè)了課程思政案例庫，弘揚(yáng)銀河精神，2020年以總分第一的成績?nèi)脒x國防科技大學(xué)課程思政示范課程。2021年1月，在全軍課程思政研討會上做專題報告“弘揚(yáng)銀河精神，傳承紅色基因——計算機(jī)類專業(yè)課程思政的實踐”，介紹計算機(jī)類專業(yè)課程思政建設(shè)經(jīng)驗，受到與會專家和教師的高度肯定。張春元教授多次在工程教育專業(yè)認(rèn)證培訓(xùn)會上面向國內(nèi)高校計算機(jī)類專業(yè)建設(shè)團(tuán)隊介紹“專業(yè)課程思政建設(shè)與自評”部分的撰寫經(jīng)驗。

4 進(jìn)一步提升課程建設(shè)的若干建議

4.1 改進(jìn)教學(xué)設(shè)計、提升教學(xué)質(zhì)量

基于收集到的反饋，發(fā)現(xiàn)課程教學(xué)中的問題和不足，綜合運用類比講解、舉例講解、案例教學(xué)、參與式教學(xué)等手段，改進(jìn)課堂教學(xué)、實踐教學(xué)方法、實踐教學(xué)設(shè)計及要求，完善過程性評價方法，切實提升能力培養(yǎng)成效。完善本課程已初步形成的依托學(xué)生和教師的內(nèi)部反饋機(jī)制，以及依托督導(dǎo)的外部反饋機(jī)制，同時利用教學(xué)平臺收集分析學(xué)生的學(xué)習(xí)過程數(shù)據(jù)，探究教學(xué)規(guī)律，分析教學(xué)成效和不足，用于指導(dǎo)課程改進(jìn)。

4.2 豐富教學(xué)資源、更新課程教材

依托在線教學(xué)平臺，更新已有的教學(xué)資源，包括教學(xué)課件、教學(xué)視頻、習(xí)題實驗、論文資料等，新增教學(xué)案例、設(shè)計實例等資源。結(jié)合本領(lǐng)域的最新進(jìn)展、本單位的最新科研工作和成果，編寫出版新一版教材，包括主教材、教學(xué)指導(dǎo)和習(xí)題解答、實驗指導(dǎo)等，體現(xiàn)課程知識體系的完整性、前沿性和時代性。

4.3 制定課程規(guī)范、宣傳推廣應(yīng)用

根據(jù)專業(yè)發(fā)展、社會需求和產(chǎn)業(yè)要求，結(jié)合課程教改成果，制定國家計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，支撐計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、微電子科學(xué)與技術(shù)、集成電路設(shè)計與集成系統(tǒng)等相關(guān)專業(yè)的人才培養(yǎng)。通過積極組織和參加全國范圍的教學(xué)研討會、課程導(dǎo)教班等活動，在全國性教學(xué)會上做報告或進(jìn)行課程導(dǎo)教，介紹課程建設(shè)和教學(xué)經(jīng)驗。向國內(nèi)同行分享課程建設(shè)成果經(jīng)驗、教學(xué)方法和課程資源，充分發(fā)揮國家級精品課程的引領(lǐng)示范作用。

4.4 創(chuàng)新思政建設(shè)、培養(yǎng)學(xué)生意識

深化課程設(shè)計，使思政元素或案例與教學(xué)內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)更加緊密，探索課程思政目標(biāo)與課程內(nèi)容相融合的量化評估。深化課程思政教學(xué)效果評價機(jī)制，除課堂評價外，還將其納入畢業(yè)生綜合評價體系，且持續(xù)到畢業(yè)后若干年。具體在思政元素上可以多結(jié)合時政熱點開展，如回顧“中興事件”“華為事件”，使學(xué)生們在理解與掌握集群計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)及其特點的同時，意識到雖然國家在信息技術(shù)的某些領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到或者接近國際一流水平，但在其他領(lǐng)域，依然面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，甚至被“卡住了脖子”。學(xué)生應(yīng)該具有足夠的憂患意識，國家也需要通過基礎(chǔ)研究和原始創(chuàng)新來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。

5 結(jié)語

本文對國防科技大學(xué)計算機(jī)學(xué)院建設(shè)高水平《計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》課程實踐情況進(jìn)行了總結(jié)，具體從課程建設(shè)內(nèi)容與成果、課程特色與創(chuàng)新、下一步完善措施等方面展開介紹了課程的建設(shè)情況和未來計劃。在下一步工作中，將進(jìn)一步更新教學(xué)理念，調(diào)整內(nèi)容體系，改革教學(xué)方法，提高計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程建設(shè)水平。