计算机体系结构课程教学改革实践
摘要：计算机体系结构课程理论性强、内容抽象且理解困难，容易造成学生学习兴趣不高、影响教学效果。针对这个问题，结合学校的实际情况，从课程内容设置、教学方法、考核方式等方面对该课程进行了改革尝试，并利用多种方法和手段来增强学生自主学习能力。初步实践表明，所采取的措施激发了学生的学习兴趣，增强了学习的主动性，取得了较好的效果。
关键词：计算机系统结构;教学改革;教学方法;考核方式
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）51-0085-02
计算机体系结构是计算机科学与技术专业本科生的骨干课程，也是计算机分析和设计技术方面的核心课程。它主要从整体上研究计算机系统的组成、分析及优化技术，将计算机组成原理、操作系统、编译原理、汇编语言、高级语言等课程所学的软硬件知识有机地结合起来，从而能够使学生更好地理解计算机的内部结构，掌握硬件设计和软件优化技术，建立起对计算机系统的完整概念。该课程的学习能够使学生从总体结构和系统分析的角度来理解和研究计算机系统，从而为设计出合理的计算机系统，以及开发出高效的系统软件和应用程序打下良好的基础，对于培养学生系统分析问题、解决问题和抽象思维能力都有非常重要的作用。
一、计算机体系结构教学中存在的问题
根据多年的教学经验，结合我校的情况，目前计算机体系结构课程教学和学习方面主要存在以下问题：
1.课程内容抽象、理解难度大。这门课涉及诸多软硬件方面的知识、包括计算机组成、操作系统、编译原理、汇编语言等，其涉及的概念多，内容广泛且抽象，学生对计算机内部的各硬件的工作原理和运行机制缺乏直观的认识。如果仅凭课本及课堂讲解，缺乏形象而具體的教学手段，就会比较枯燥，也会导致学生难以理解课程内容。加之计算机系统结构方面发展迅速，现有课本的内容也无法保持快速更新，同样影响了学生学习的热情。因此，如何合理组织更新教学内容，并采用新颖教学手段来吸引学生注意力，增强对内容的理解和掌握，是需要深入研究的问题。
2.教学方法和考核方式单一。传统的教学方法忽略了学生的主体地位，无法调动学生的主观能动性，因此需要探索启发式、任务驱动式、问题驱动等互动式教学方法，从而更好地激发学生的兴趣。在考核模式方面，传统的考核方式比较单一，通常由平时成绩、期中成绩和期末成绩三部分组成。期中和期末成绩采用笔试形式;平时成绩主要由出勤、测试和作业成绩组成。这种考核模式不能充分、全面地评价学生的能力，不利于学生综合能力的培养;同时忽视了过程考核对学生学习的引导作用，也缺少问题及时反馈和调整功能，因此需要研究基于过程的考核模式，并形成多元化的考评模式来评价学生学习情况。
3.课程实践环节薄弱。该课程的实践教学环节一直比较薄弱，目前有的学校开设了一些简单的实验，大部分学校还没有开设相应的实践课程，这限制了学生的理解能力，不利于学生动手能力的培养。因此，研究并合理设置相应的实践课程已成为一个亟待解决的问题。
对于存在的上述共性问题，已有很多专家学者进行了建设性的探索。陈智勇等[1]尝试了在该课程的教学过程中采用基于程序设计的启发式教学方法。刘鹏等[2]则探索了实施“名人导我”教学过程中的教学内容和教学方法的改革问题。郑纬民等[3]提出了开设面向“计算机使用者”的计算机体系结构课程，并对课程内容进行了组织。谢艳新[4]构建了自己学校的新型“计算机系统结构”课群，并对课程内容和教学方法进行了探讨。关昕[5]探讨了问题驱动法在计算机系统结构教学中的应用。孙辉[6]则探讨了大数据时代下的计算机系统结构课程的教学方法。这些工作极大地丰富了该课程的教学，具有重要的参考价值。然而不同学校对人才培养的要求各不相同，因此还需要结合学校的实际和对人才培养的目标，来对这门课程的教学进行研究和改革。
二、课程改革措施
在对现有计算机体系结构课程教学内容和方法进行深入研究的基础上，结合东北大学的实际情况，对该课程教学工作进行了改革，采取了下列措施。
1.重新组织课程内容、加强互动式教学。结合学生实践能力和创新精神培养目标，重新对计算机体系结构课程的教学内容进行组织，在原有教材“计算机系统结构量化研究方法”的基础上，增加了两方面的内容：（1）适当增加多核处理器、通用GPU、集群系统等高性能微处理器和大型集群系统方面的知识，这有助于学生对当前最新的微处理器和超级计算机体系结构的深入理解;（2）在优化技术方面，适当增加多种类型存储组织的优化及代码优化，增加处理器无关的优化和处理器相关的优化等方面的内容，方便学生对整体计算机系统存储层次和指令执行流程的理解。同时运用动画、图像、声音、文字等制作高水平的教学课件，突出重点、难点，更直观地显示计算机系统的构成及交互过程，如指令流水线及多操作部件处理机中的执行过程等，有助于提高教学效果。在教学过程中，采用多种教学手段来增强学习的互动性，除了课堂发言、提问等，增加学生小组互动授课、专题研讨等形式，同时采用启发式、互动式及问题引导等多种互动式教学方式，活跃课堂气氛，调动学生的积极性和主动性。
2.增加实践教学内容，加强对相关知识的理解。计算机体系结构课程具有概念多、内容抽象、理论性强等特点，合理设置相应的实践课程是加强学生对相关知识理解和增强动手能力的关键。为此，我们基于FPEG技术设计了“计算机体系结构”课程实验教学内容，主要包括两类实验：（1）基础实验。基础实验重点针对计算机体系结构课程教学内容，其内容和难度都与教学中涉及的基础理论和基本设计方法相一致，使得学生对计算机体系结构有一个直观的感受，从而帮助学生对相关理论和运行机制的深入理解。（2）综合性设计性实验。这类实验主要为培养高水平的软硬件设计人才。为此结合一些竞赛项目来设计实验内容，如结合全国CPU设计大赛、电子竞赛来挖掘新的实验项目。比如设计支持动态调度、动态分支预测等相关技术的处理机，并执行相应的测试指令等。（3）在实验管理上，尝试了开放式实验室的运行模式，从而充分利用实验室资源，同时吸收优秀学生参与到创新实验的开发中来，使学生能真正通过实验得到认知的升华。实验的设置使学生对计算机系统的组成和执行过程有了更直观的感受，极大地加深了对相关知识的理解，取得了良好的教学效果。
3.考核模式改革。现有的考核模式主要强调“评价”功能，忽视过程考核对学生学习的引导作用，不利于学生“应用能力”和“创新能力”的培养。为此采取了以下改进措施：（1）采用多样化的考核形式，考核成绩由过程考核成绩和期末考试成绩共同组成，过程考核成绩占大部分，包括出勤、课堂提问、作业、小测试、大作业、实验、课堂讨论、课堂讲解等的考核，形成综合全面的考核。（2）考核贯穿于整个教学过程，起到督促学生平时努力学习的作用;考核内容主要围绕课程核心知识，要有利于培养学生分析和解决问题的能力、应用能力和创新能力。（3）构建课程在线测试和考核系统，提升考核效率，同时实现考核信息的透明化，以便于学生及时发现问题和调整状态，促进学生学习。
三、结束语
针对计算机体系结构课程教学中存在的问题，我们从以上三个方面对课程教学进行了改革尝试，从学生的反馈来看，这门课不但传授了计算机体系结构的相关知识，更为重要的是课程将应用、编程、系统软硬件等层面的内容贯穿起来，帮助学生建立计算机系统的整体思维，取得了较好的教学效果。
参考文献：
[1]陈智勇，唐成华，张瑞霞，秦董洪.计算机系统结构课程教法研究[J].计算机教育，2015，（10）：1672-5913.
[2]刘鹏，傅婷婷.“名人导我”——计算机系统结构课程教学改革[J].福建电脑，2017，（2）：72-73.
[3]郑纬民，张悠慧.面向“计算机使用者’的计算机体系结构课程[J].计算机教育，2012，（11）：90-93.
[4]谢艳新.新型T-t模式计算机系统结构课程群建设与研究[J].信息化服务，2017，（248）：103-106.
[5]关昕.问题驱动法在“计算机系统结构”教学中的应用探讨[J].教育教学论坛，2016，（14）：145-146.
[6]孙辉.数据驱动时代下的“计算机系统结构”课程教学探讨[J].韶关学院学报：教育版，2018，39（11）：76-78.