基于卓越计划的“计算机体系结构”课程教学模式

摘 要：“卓越工程师教育培养计划”以“计算机体系结构”课程为例,从课程内容和教学方式两个方面来创新课程教学模式,并提出,只有不断改进课程教学,才能实现我国的“卓越工程师教育培养计划”.

关 键 词：计算机体系结构；教学方式；课程内容；卓越工程师

作者简介：李旎（1978-）,女,浙江温州人,湖南城市学院信息科学与工程学院,讲师；吴宏斌（1964-）,男,湖南益阳人,湖南城市学院信息科学与工程学院院长,教授.（湖南　益阳　413000）

中图分类号：G642.0文献标识码：A文章编号：1007-0079（2012）31-0079-01

2010-2020年,中国“卓越工程师教育培养计划”将用10年时间,培养百万高素质各类型工程技术人才,为建设创新型国家、实现工业化和现代化奠定人力资源优势.“卓越计划”具有三个特点：一是行业企业深度参与培养过程,二是学校按通用标准和行业标准培养工程技术人才,三是强化培养学生的工程能力和创新能力.本文就第三点,以“计算机体系结构”课程为例,提出了从课程内容与教学方式两方面进行课程教学模式的创新,以提高学生工程能力与创新能力的一些探索.

“计算机体系结构”是计算机科学与技术专业的一门基础和必修课程,覆盖了计算机组成原理、操作系统、编译原理、数据结构、数字电子技术、模拟电路基础等方面的内容.课程的目的是帮助学生建立整机系统的概念,提高学生从总体结构的层次来理解和研究计算机系统的能力.

“计算机体系结构”不仅是计算机专业研究生入学考试的专业课程之一,也是其他计算机类考试的必选内容.目前的计算机类考试主要是以下两种：软件水平考试,分初级、中级和高级三个级别；IT认证考试.无论哪种考试都涉及计算机体系结构的内容.比如,系统分析师考试大纲就要求学生了解各种计算机体系结构的特点与应用（P、MPP等）,构成计算机的各类部件功能及其相互关系；实现性能计算（响应时间、吞吐量、TAT）,性能设计（系统调整、Amdahl解决方案、响应特性、负载均衡）和性能指标（SPEC-Int、SPEC-Fp、TPC、Gibsonmix、响应时间）.这从一个侧面说明,“计算机体系结构”是一门非常重要的计算机专业课程,对提高计算机专业学生的分析、计算和设计能力有很大的帮助.但是,在实践教学中,发现这门课程存在内容抽象、语言枯燥、学生难以理解等问题,因此教学难度大,效果也不尽如人意.为了做好“计算机体系结构”课程的教学,培养出高素质的计算机专业学生,我们改变了传统单一的教学模式,从教学方式和课程内容两个方面来改进课程教学.

一、教学方式的改进

1.启发式课程教学

启发式教学是指教师在教学过程中根据教学任务和学习的客观规律,从学生的实际出发,采用多种方式,以启发学生的思维为核心,调动学生的学习主动性和积极性,促使他们生动活泼学习的一种教学方式.

在教学中,先给学生设置悬念,然后再讨论需要讲解的内容,从而提高学生的兴趣.NancyM.Dixon指出：我们能够记住所听到的10%,所看到的15%,边看边听的20%,做的10%,积极去做并得到响应的80%,给他人讲授的90%.所以,在常规教学中,学生能掌握的知识是有限的,需要创造情景,使学生积极地做并进行响应,若能转换成学生自己也能讲授的程度则更好.教师经常要求学生自问：如果自己是老师,会怎么讲这些内容,并要求在学生之间互相扮演教师和学生的角色,讲述课程内容.如在讲述流水线技术的过程中,笔者先向学生提出：为什么要采用流水线技术,怎样实现流水线,它与工程上的流水线有何相关.课堂中,首先以经典的五段式流水线为例,和学生一起探讨这个问题；然后,鼓励他们积极思考,踊跃发言；最后,由他们推出一位学生做总结性的发言.现场气氛活跃,课堂效果非常好.在期末考试中,关于流水线方面的知识,大部分学生均拿了满分.

2.量化分析教学

培养从总体、系统的角度来分析和解决问题的能力以及自主创新能力,对学生的成长和未来发展有很大的影响,“计算机体系结构”特别强调培养学生的这一种能力.“计算机体系结构”一般安排在大学四年级开始,需要学生在学完主要的软硬件基础课程后,从整体系统、总体设计的角度来理解和研究计算机系统,学习如何根据各种实际应用的需要,综合考虑软硬件,设计和构建合理的计算机系统结构.“计算机体系结构”课程中多是抽象的概念和原理,这些内容不被学生理解,且有限的实验环境也限制了学生自主创新能力的培养,但是,如果将研究对象转换成可以运算的数据,并对这些数据进行分析是完全可行的,这就是量化分析方法.

前人对量化分析法的定义和特点阐述主要有：量化研究遵循的是实证主义,它应用量的方法以验证检测设；量的研究是指研究者事先建立检测设并确定具有因果关系的各种变量,然后使用某些检测工具对这些变量进行测量和分析,从而验证预定的检测设.“计算机体系结构”是从整体上研究由处理系统、指令系统、存储系统、信息传输系统构成的有机系统,其目的是设法提高整个系统的性能.对性能的分析主要就是采用量化分析法,将问题简化、精确化和客观化,使抽象的知识也变得形象起来.如在探讨计算机加速比S的过程中,以时间t为标准,比较计算机改进前与改进后的时间比值.实践证明,这样的效果非常好.

二、课程内容的改进

1.“计算机体系结构”课程和“计算机组成原理”课程有很多相似的地方

这两门课程都讲授输入输出系统、存储部件、数据表示等,但“计算机组成原理”作为一门硬件课程主要强调其基本运行原理,而“计算机体系结构”强调性能优化方法；“计算机组成原理”强调其细节,而“计算机体系结构”则强调的是软硬件的分配,及对性能的影响.现在有些专业中,在“计算机组成原理”中涵盖计算机体系结构的内容,有些专业则单独开设这两门课程.必须合理划分两门课的内容,组织教学内容和教学计划.现在,“计算机体系结构”课程主要讲述内容为流水线技术和存储技术,并对嵌入式系统方向的学生加强了存储技术中虚拟存储系统的讲授.

2.强调知识的更新和发展

计算机技术是发展最快、应用最广、影响最大的学科之一,“计算机体系结构”知识也在日新月异发展着.近年来多核技术、虚拟机、复杂存储系统和先进互联技术的发展使经典的计算机体系结构内容有了很大的更新.怎样运用有限的课堂时间,使这些复杂技术与经典体系结构知识点融合,是教学内容改革的主要任务.

同时,就是同一门课程,不同的作者所编著的教材的内容和侧重点都有很大的不同,如张晨曦所编著的《计算机系统结构》Catch部分,偏重于Catch性能的分析与优化,而李学干的《计算机体系结构》,则偏重于Catch系统的结构,且着重描述了虚拟存储器的结构和功能.

所以,教学中既不能照本宣科,也不能脱离书本,根据专业方向的不同,有选择性地进行讲授,同时将一些新技术、新知识、新产品以及最新的发展动态,融入课堂教学中.

3.加强实验教学环节

实验是任何科学创新的源和本.在学校教学工作中,理论课和实验课是教学体系中两个互相有联系的独立环节,要重视实验,决不能把实验课看成是理论课的依附.

计算机专业作为一门应用型专业,需加大培养学生的动手能力,激发他们的创新潜能,通过实验将课堂和实践结合,改善理论教学枯燥、单调的情况.现在“计算机体系结构”课程实验学时仅8个学时,而很多著名的高等院校如同济大学的实验环节已增加到了24学时,很值得借鉴.

三、结束语

人才是一个国家发展最重要的资源,能否培养出有优秀工程能力和创新能力的人才,最后的关键还要看是否有一个科学的课程体系和教学内容.探索说明,只有不断改进课程教学,才能培养出更多的高素质人才,实现我国的“卓越计划”.