计算机系统能力培养教学改革与实践

宋鑫 张瑜 伊开

[摘 要] 近年来，河北大学以参加“龙芯杯”全国大学生计算机系统能力培养大赛为契机，开展面向计算机系统能力培养的教学改革与实践。通过分析教学改革现状，提出了以竞赛倒逼教学的改革思路，探讨了以竞赛倒逼教学的改革实践：在教学内容组织上分析比赛要求，建立覆盖比赛知识结构的授课内容;在实践教学上设计评分便捷的分层次实验项目，贯彻“软硬件全栈贯通”的思路;在考核方式上不局限于理论考试，引导学生把理论运用于实践。学生考核成绩、参加大赛表现等方面表明，教改活动具有显著的效果。

[关键词] 以赛促学;系统能力培养;软硬件贯通;计算机组成;计算机体系结构

[基金项目] 2018年度河北省高等教育教学改革研究与实践项目“面向系统能力培养的计算机组成与体系结构课程改革与实践”（2018GJJG014）

[作者简介] 宋 鑫（1980—），男，河北石家庄人，博士，河北大学网络空间安全与计算机学院讲师，主要从事信息检索、计算机系统结构研究;张 瑜（1982—），女，河北石家庄人，工学硕士，河北大学数学与信息科学学院讲师，主要从事个性化推荐、大数据研究;伊 开（1965—），男，河北保定人，工学学士，河北大学网络空间安全与计算机学院高级实验师，主要从事计算机系统结构研究。

[中图分类号] TP391.1    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）19-0067-04   [收稿日期] 2020-12-14

一、引言

计算机专业培养的人才首先是计算机系统的设计者，每一代计算技术的发展都是以底层计算机系统的进步为核心的。近年来，人工智能、大数据、物联网、区块链、云计算等技术飞速发展，这些技术的发展是以计算机系统的发展为基础的。如果仅仅侧重学习高层的算法和应用，是无本之木、无源之水。例如，谷歌有世界上最大的人工智能团队，但是团队核心人员是计算机体系结构科学家或者研究者;图计算是大数据处理的热点问题，构建高时效的图计算处理体系结构需要异构混合的内存架构和高能效比的图计算加速器。这些新技术对计算机专业教学提出了更高的要求。近年来中兴、华为的芯片危机，使我国计算机界迫切需要培养底层软硬件技术人才，只有培养出具备较强“系统能力”的计算机专业人才，才能为我国计算机新技术和国家各行各业发展做好支撑。

教育部高等学校计算机类专业教学指导委员会自2017年开始每年举办一次“龙芯杯”全国大学生计算机系统能力培养大赛（以下简称“比赛”）。我校自2017年起连续四年参加了比赛。2018年、2019年、2020年均有队伍进入决赛并获得三等奖。通过参赛我校在计算机系统能力培养方面开展了“以竞赛倒逼教学”的模式，取得了显著的教学效果。

二、教学改革现状

2013年，教育部计算机科学与技术专业教学指导分委员会系统研究组分析了计算机技术发展的特点，介绍系统能力的主要内涵及培养需求，阐述系统能力培养和课程体系设置的总体思路[1]。

系统能力培养活动早期，主要是探索思路。清华大学较早开设了“计算机组成与操作系统”课程的联合实验，要求学生在自己设计的CPU上运行自己设计的操作系统[2]。北京航空航天大学提出“以课程群为中心”的建设模式，介绍了一种新颖的教学方法——工程化综合方法，旨在指导学生开发具有足够规模的系统[3]。北京航空航天大学还提出启发式教学的思路，这是一种从整体功能推进到局部组成，从微观实现抽象到宏观结构的层次化教学内容设计模式，探讨了“计算机组成原理”教学与学生能力培养之间的关系，探索并实践了一种研究性的教学方法[4]。这两所学校提出的改革方案可以很好地锻炼学生独立思考和解决工程问题的能力，但是实验难度较大，普通院校的学生难以完成。南京大学提出了立足“现代”，强调“系统”，注重“设计能力”的教学理念[5]。此外，南京大学还提出了课程群建设的思路[6]。在实践教学上，东南大学提出了虚实结合的实验设备为特点的计算机系统实践平台的框架[7]。华中科技大学、东南大学等院校构建了丰富的MOOC资源。这些在系统能力培养方面的理念和实践，为国内高校计算机专业系统能力培养工作提供了很好的借鉴。

三、以竞赛倒逼教学的改革思路

结合我校生源、师资、课程设置和实验条件，确定了教学改革的思路：通过比赛要求倒逼教学内容，重新组织教学内容;使学生具备基本的计算机系统分析、设计和实现能力。以“数字逻辑和硬件描述语言”课程为基础，以自主设计并实现单周期CPU为核心，利用现有的编译工具编译简单应用，在自主实现的CPU上运行简单应用。相应的课程群包括“数字电路与逻辑设计”“硬件描述语言”“計算机组成与体系结构和操作系统”四门课程。具体的教改目标如下：（1）建立覆盖比赛知识结构的教学体系。参考比赛对软硬件知识体系的需求，组建系统能力培养课组，明确课程任务和边界，理顺课程间知识点衔接，使教学内容能够覆盖比赛要求。（2）建立软硬件贯通的实践体系。采用Logisim方式和硬件描述语言方式并行的思路，前者的学习可以使学生掌握传统电路设计方式，后者的学习可以使学生掌握现代的电路设计方式。两条线都经过硬件、软件和应用三个阶段，在思路和实践上形成了对比，培养了学生的系统能力。（3）建立清晰高效的量化评分体系。针对实践环节检查难、评分难的问题，建立硬件设计评分项目、指令执行能力评分项目，使学生和教师都可以快速评价实践效果。

四、以竞赛倒逼教学的改革实践

以竞赛为抓手，培养组织系统能力，结合课程群各门课程的教学内容，吸取竞赛中实践性较强的内容，在保证知识体系系统性的前提下，对教学内容进行剪裁或增加。

（一）教学内容组织

通过参加比赛倒推出平时教学内容的不足，补充实践性强的知识，加强理论教学和实践的联系。