“计算机系统结构”校级精品课程建设的探索与实践

方 娟 毛国君 朱文军

摘要:精品课程的建设可以促进教学水平和教学质量的提高,本文通过对“计算机系统结构”校级精品课程建设的研究,对该课程的课程定位、教学模式、教学方法等做了有益的探索,提出创新教育、知识更新的思想。

关键词:精品课程;教学模式;创新教育

中图分类号:G642 文献标识码:B

精品课程建设是教育部启动的“高等学校教学质量与教学改革工程”中的一项重要内容,是提高教学质量进而提高人才培养质量的奠基性工作。我校2008年开始启动“校级精品课程建设计划”,我院的“计算机系统结构”课程被评为首届校级精品课程。下面就课程定位、教学体系建设、知识模块、教学模式、相关教学研究等方面介绍对该课程建设的探索与实践。

1课程的基本定位和教学目标

在计算机专业人才需求越来越多的情况下,北京市对计算机硬件相关的技术人员也加大了需求量,在这样的形势下,我们建立了新的计算机硬件课程体系,对“计算机系统结构”课程的定位也越来越明确。我校的计算机专业主要为北京市培养计算机应用型人才,学生的就业取向大多数是北京市的高新技术企业。因此,我们从教学计划、教学大纲、教学平台、实验设计平台和工具等方面均做了改革和调整,以适应形势发展的需要。具体措施为:

(1) 通过“数字逻辑”解决数字逻辑电路的基本概念和原理;

(2) 通过“数字系统设计”等课程让学生掌握现代的数字系统设计平台和工具(EDA、FPGA等),以及简单电子部件的设计技术;

(3) 通过“计算机组成原理”解决计算机的基本组成原理与技术问题;

(4) 通过“计算机接口技术”、“高档微机系统”课程使学生掌握微机应用系统设计和调试基本概念和方法,提高学生工程素质和设计、技术创新等方面的基本知识。

“计算机系统结构”课程的教学目标是使学生在计算机应用系统和分析设计中,理解软硬界面分配及如何最佳、最合理地分配硬件功能,即提高系统的性能价格比方面的知识;“嵌入式系统”等系列课程,让学生在“嵌入式系统”、“微机系统及接口”等面向应用的专业方向上进行学习和实践。

在“计算机系统结构”的教学中,以提高计算机的性能价格比为重点,辅以计算机系统结构发展中的新技术,如流水线技术、并行技术等,最终的目标是提高学生从总体结构、系统分析这一层次来研究和分析计算机系统的能力,帮助学生建立整机系统的概念;使学生掌握计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构、基本设计方法,掌握基本的性能分析方法,特别是量化方法;并对计算机系统结构的发展现状有所了解。本课程强调培养学生的抽象思维能力和自顶向下、系统地分析和解决问题的能力,强调培养学生的创新思维和创新能力。

2知识模块顺序

本课程在建设中注重知识更新、创新教育,在2008年5月我校正式获得批准成为《英特尔“多核技术课程”大学计划》合作伙伴,成立了“北京工业大学——Intel多核技术实验室”,并得到Intel公司的多核服务器及相关软件的捐赠,在此基础上,本课程在授课过程中增加了多核技术的内容,使学生在课堂上能接触到更多的新知识。具体知识模块顺序如下:

(1) 计算机系统结构的基础知识:计算机系统结构的基础知识以及与计算机组成、计算机实现之间的关系,并对计算机系统结构未来的发展做相应的介绍。

(2) 指令系统:计算机指令系统的设计是计算机系统结构设计的核心问题,从系统结构的角度介绍指令系统及与之相关的数据表示和寻址技术等。

(3) 存储系统:计算机系统结构设计中的关键问题之一是如何以合理的价格、设计容量和速度满足计算机系统要求的存储器系统。本模块从存储层次出发,介绍多级存储体系及各级存储器。

(4) 流水线处理技术:本章主要介绍流水线技术的基本概念、工作方式、流水线的分类和流水线在向量处理机中的应用。

(5) 并行处理技术:并行处理技术的发展及应用,互连网络的基本概念、几种典型的互连网结构和消息传递机制。

(6) 多处理机及新型计算机系统结构:多处理机模型和基本结构,多处理机结构、性能和实例,介绍数据流机、归约机和智能计算机等的工作原理、结构、特点等。

(7) 多核技术:多核处理器的基本概念、分类和工作原理。

3建立理论与实践相结合的教学体系

本课程在近几年的建设中,针对原课程计划中没有实验的缺陷,通过加强对国内外大学该课程进行调查和研究,建立了本课程的实验体系。通过两部分的实验来加强学生对计算机流水线技术的理解。具体实验内容是:

(1) 在掌握基本原理的基础上,通过使用WinDLX模拟器对流水线处理和指令调度进行测试,加深对数据相关、资源相关的理解,了解这两类相关对CPU性能的影响以及如何用定向技术来解决。

(2) 设计四个流水线功能段的设计与实现的实验,包括取指、译码、执行、写回阶段,分析并设计流水线CPU各功能段的基本硬件结构,并用Verilog HDL硬件描述语言加以实现,进行实验结果分析,最后提交规范的实验报告。随着实验的不断完善,未来将增加多核方面的实验。实验体系的改革使本课程的教学过程更加完整,学生能够从实验中加深对计算机系统结构领域的技术的理解,使抽象的内容变得具体化。

本课程的实验为8学时,具体实验内容如表1所示:

由于学时的限制,上述实验中1、2为必选题目,3～6可以任选一个。

4启发式教学模式的建立

新教学模式的建立打破了以往纯粹课堂讲授的方式,采用创新型的教学模式:启发式课堂讲授、主题讨论、自主学习三种方式的结合。启发式教育的核心就是要培养学生独立思考和创新思维。在课堂中,每章节均设置相关的思考题和与前沿技术有关的研究性专题,鼓励学生自主查阅资料,提出问题,增强师生互动。在此过程中,突出自主学习和研究性学习,全面提高学生的思维能力、解决问题的能力以及创新能力。教学过程模型如图1所示:

在上述基础上,还采用了课堂授课与网络学习相结合的方式,将多种现代教学媒体与自主开发的多媒体课件、课程教学网站优化组合,构建课堂授课与网络学习的多媒体网络教学环境。“计算机系统结构”教学网站为学生提供了丰富的教学资源和良好的交流平台,如提供教学大纲、教学内容、教学团队、教学录像、教学课件、参考教材、习题与作业、自测题等资源;网站除了为课程提供基本的信息外,强调教师与学生的互动交流,教师可以针对核心问题设置分组,论坛帖子置顶,推荐精华帖,发布公告,设置论坛风格等;学生可以针对某个问题发帖讨论,站内搜索,收藏帖子等;论坛的数据库进行定期自动备份(如一天一备份),同时可以以一周或几天为单位,自动删除前一周或几天的数据库备份文件,达到既维护数据又不使备份数据过大的目的,满足论坛的持续性和扩展性的要求。

5结语

随着精品课程建设的不断推进,课程组的教师在教材建设、教学研究方面都取得了优秀的成果,目前由课程组合著的《计算机组成原理与汇编语言》、《高档微机原理与技术》等教材均已在清华大学出版社出版,并列入国家“十一五”规划教材;《计算机系统结构》一书也于2009年在清华大学出版社出版。由课程组的老师主持的三项教育教学项目现已通过学校中期验收,相关老师也在该课程的教学改革中不断提出新的思路,力争在不断的建设中使该课程达到北京市精品课程的标准。

参考文献:

[1] 毛国君,方娟. 计算机系统结构课程群的“1+2+3”模式及其应用[J]. 中国大学教学,2008(3):40-42.

[2] 方娟. 多核技术在“高级计算机体系结构”课程中的引入与探讨[J]. 计算机教育,2008(20):41-42,14.

[3] 惠丽,吴玲. “数字逻辑”精品课程建设的探索与实践[J]. 计算机教育,2009(2):110-111,133.