计算机体系结构层叠式教学模式研究

张元鸣，雷艳静，高 飞，肖 刚

（浙江工业大学 计算机科学与技术学院，浙江 杭州 310023）

0 引 言

计算机体系结构是高等院校计算机科学与技术专业本科生一门重要的专业主干课程，能够有机地结合计算机组成原理、操作系统、编译原理、汇编语言等课程的软、硬件知识，帮助学生建立计算机系统的完整概念，提高学生从系统结构角度设计、分析和量化评价计算机系统的能力。

经过较长期的教学实践发现，以理论授课为主的教学模式存在以下几个主要问题。

（1）教学内容枯燥，学生学习积极性不高。由于计算机体系结构的概念和原理较多，内容抽象，学生感觉课程内容枯燥难学，学习的积极性不高[1-2]。

（2）教材内容更新缓慢，教学与实际应用脱节。计算机体系结构发展迅速，新的技术和成果不断涌现，而这些课程在现有的教学模式下较难引入课堂，使得授课内容与当前研究热点和实际应用相脱节，不利于学生创新意识的培养[3-4]。

（3）传统的教学模式束缚学生的主动性和创造性。传统的教学模式使得学生在整个教学过程中始终处于被动地位，跟着教师的思路，按照教材的内容按部就班地学习，不利于创新思维和实践能力的培养。

为了克服以理论授课为主的计算机体系结构教学模式的缺陷，可以采用理论授课与专题研究相结合的层叠式教学模式，秉承教学“既重视传授理论知识，又要重视培养能力的理念”，在教师的引导下，以类似科学研究的方式获取知识并寻求解决问题的思路，让学生在掌握知识内容的同时，培养学生探寻新知识的能力，增强创新意识和综合能力。

1 层叠式教学模式的内涵

层叠式教学模式是一种将理论授课和专题研究相结合的教学模式，理论授课侧重于核心知识讲述，以学习经典的原理与关键技术为主；专题研究则侧重于当前的研究热点，以学习最新的研究成果为主，其中理论授课是基础，专题研究是授课内容的拓展和深入，两个教学环节相互补充、交叉进行，以迭代的方式逐步展开。层叠式教学模式的示意图如图1所示。

图1 层叠式教学模式示意图

理论授课主要围绕课程的基本概念、基本原理和关键技术进行教学，授课内容是经过教师认真思考，从教材以及相关资料中选取的重要内容，具有针对性和典型性，避免面面俱到，如计算机体系结构需要突出定量原理、指令集设计、指令级并行技术、层次结构存储器和Cache优化、多处理器架构等内容，这些内容涵盖课程的主要内容。

专题研究围绕若干专题由学生自主学习和研究，通过查阅一定数量的文献，对最新的研究成果消化吸收，理解其研究的背景、解决的科学问题，采用的基本思想和技术，取得的实际效果[5-6]。在总结文献的基础上，撰写专题报告并在课堂上宣讲和讨论。

专题研究的题目由教师根据当前本领域的研究热点以及教师研究课题设置，这样做主要基于以下几个考虑。

（1）体现教师的主导作用。教师清楚目前该领域的最新研究进展和成果，避免学生自主选题的盲目性，提高选题的质量。

（2）保证理论授课与专题内容的一致性和互补性。专题研究是对理论授课的进一步拓展，避免内容过于分散、不够深入。

（3）促使教师了解本领域最新研究成果，不仅要吃透教材，而且需要了解计算机体系结构的最新发展现状[7]。

（4）使专题研讨更深入、更具体。教师设置专题，使得其对学生的研究结果有一定的预期，可以在讨论阶段对专题内容进行引导和点评。

专题研究是在已掌握本课程基本理论之后的一个再学习过程，要求学生能够发挥主观能动性，积极地收集、分析、归纳、整理该专题范围内的学术资料，理解专题内容，注重获取知识的过程。在宣讲阶段将所学内容介绍给大家，这对学生的要求较高，因为只有对所研究的专题有较为深入的理解，才能够将学到的知识讲清楚、让别人理解。

理论授课、专题研究和教学目标的关系如图2所示，理论授课侧重传授知识，专题研究侧重培养能力，这两个教学环节密切相关、互为补充，共同确保教学目标的实现。该模式既强调传授知识，又强调培养能力，其优势主要体现在以下3方面。

图2 理论授课、专题研究和教学目标的关系

（1）理论授课和专题研究是有机的统一体，可相互补充。理论授课突出授课的重点，而专题研究则是授课内容的进一步拓展和深入。

（2）及时将最新研究成果引入教学课堂，保证教学内容与最新研究进展的同步，同时达到传授知识和培养学生创新意识的目的。

（3）充分发挥教师的主导作用和学生的主观能动性，避免单一教学模式带来的局限性，实现“教”与“学”的相互促进和统一。

该教学模式较为适合专业课和专业基础课的教学，因为这些课程一般面向某一专业领域，授课内容也与最新的研究进展密切相关。

2 层叠式教学模式的实施过程

层叠式教学模式包括两个教学环节：一是理论教学，包括选取教学重点、讲授经典理论、设置专题内容3个阶段，以教师为主导和以学生为主体，属于课内学习；二是专题研究，包括查阅文献资料、整理撰写报告、专题演讲讨论3个阶段，以学生为主导和以学生为主体，属于课外学习和课内研讨相结合。该教学模式的实施过程如图3所示。

2.1 理论教学内容选取

选取理论教学内容之前，先要对与本课程紧密相关的课程有一个较为深入系统的研究，吃透课程间的关联关系[7]。计算机系统结构课程教学内容的选取可紧紧围绕设计“高性能、低成本、低功耗”的计算机系统组织，避免与计算机组成、操作系统等课程内容的重叠，同时遵循以下3个原则。

（1）着重选取经典的思想和理论。经典的思想和理论代表着计算机体系结构最基础、最核心的内容，对设计和理解计算机体系结构具有无可替代的作用。

图3 层叠式教学模式实施过程

（2）选取具有系统性和典型性的教学内容。选取的内容应该是计算机体系结构经典的技术，具有良好的启发性和代表性，而且能够自成体系。

（3）强调量化的分析方法。高性能是计算机系统设计的目标，而量化分析计算机性能是评价一种技术是否有效的基本手段。

以浙江工业大学计算机体系结构课程的授课内容为例，该课程的总学时为32学时，其中24学时为理论授课，8学时为专题研究。表1为按知识模块划分的理论授课的主要教学内容[8]，根据实际的教学时数，可对教学内容作适当扩充或删减。

表1 计算机体系结构理论授课内容

2.2 专题研究内容设置

专题研究的目的是通过对某一专题的探索和学习，学生能掌握科学研究的基本方法，包括解决的问题、基本思想、关键技术以及最终的效果。一般地，设置的专题应该符合以下几个原则。

（1）专题内容与授课内容紧密相关。开设的专题应该是理论教学的深入和拓展，与理论教学具有良好的衔接性和内在的关联性。

（2）专题内容具有新颖性。最新的研究成果是理论授课的必要补充，专题应该具有新颖性，能够代表该领域的最新研究进展。

（3）专题内容难度适宜。学生通过努力能够独立完成所设定的专题，而难度太大的专题内容会影响学生的积极性。

表2为教学中采用的部分专题内容，与表1的知识模块相对应，每个知识模块根据学生授课人数、学时要求以及实际情况可以设置1～3个专题。

为了能够组织好“专题研究”教学，可由学生自由组合成研究学习小组（3～5人），在选定的主题下，查阅相关资料，开展自主学习和研究，撰写报告，然后在课堂上宣讲；可鼓励学生使用英文，报告时间是10～15 min，之后要求其他同学进行深入讨论，以便充分交流和思想碰撞，同时教师对专题涉及的重点内容做好引导和解释。

表2 计算机体系结构专题研究内容

2.3 成绩考核方法

在该教学模式下，总成绩考核需要充分反映教学过程中的各主要阶段，包括理论授课、报告质量、报告宣讲、课堂讨论等方面，每个部分的成绩占适当的比例，最后计算出总成绩，成绩考核方法如下：

总成绩=考试成绩×X1+报告成绩×X2+宣讲成绩×X3+课堂讨论成绩×X4

其中，参数列表（X1,X2,X3,X4）分别是（0.4,0.3,0.2,0.1），这些参数值可根据实际情况进行调整。

3 教学实践效果

截至2018年，我们在5届计算机科学与技术专业的计算机体系结构课程中采用层叠式教学模式，课堂教学突出教学的重点和难点，专题研究突出最新研究成果和实际应用，教学效果明显提升。计算机体系结构中较为抽象的理论、公式和原理能够在专题研究中得到进一步学习，加深学生对相关原理的理解，如计算机的CPU性能公式在诸多文献中被用来量化评价计算机的性能。此外，学生也进一步理解学术界和业界之前通过提升主频提高计算机性能，而目前通过多核技术提升计算机性能。

专题的设置能充分调动学生的积极性和主动性，如通过设置计算机指令集专题，学生能够主动地弄清楚各类计算机上采用的计算机指令集，并分析Intel指令集、AMD指令集和MIPS指令集的发展脉络和各自优势，理解指令集在CPU设计中的重要地位。

该模式能够提高学生的文献查阅能力、文献阅读能力、报告撰写能力、PPT制作能力、宣讲能力和团队能力，进一步培养学生的研究能力。每个专题的相关资料（文献资料、专题报告和PPT）可上传到公共的云服务平台上，供感兴趣的学生和教师下载和学习，如利用新秀科教平台分享相关专题报告资料。

从学生对课程的满意度调查看（结果来自学校匿名学评教），学生对本课程的满意度非常高，每年的学评教成绩都在98分以上，表明该教学模式具有一定的优势，能够显著提高本课程的教学质量和学习效果。

4 结 语

基于理论授课和专题研究相结合的层叠式教学模式，能够有效实现传授知识与培养能力并重的目的，实践证明该模式在高校计算机体系结构的教学中能够提高教学效果，对其他专业课和专业基础课的教学具有一定的借鉴意义。