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摘 要：从系统观角度出发,根据近年来计算机系统结构和计算机操作系统以及相关课程的教学经历与思考,对比国内外名校计算机系统结构课程的教学内容划分与学时安排,从加强系统能力、构建知识体系、教学内容设计等方面提出一些思路,强调该课程教学中系统能力的培养.
关 键 词：系统结构；系统能力；教学内容
0、引言
计算机系统结构课程是高等院校计算机科学与技术专业的一门重要专业核心课,在已具备基本的计算机软、硬件知识基础上,从软、硬的总体设计角度出发,研究如何改善计算机系统组织结构以提高系统性能特别是应用程序性能的方法,组织性价比高的计算机系统,着重讨论软、硬件功能的分配以及如何最佳、最合理地实现分配给硬件的功能.该课程对于学生全面理解计算机系统的层次结构、建立计算机整机的概念、了解软硬件之间的关系、培养计算机系统分析设计及开发能力都起到非常重要的作用.
1.加强系统能力培养
2013-2017年教育部高等学校计算机专业教学指导委员会制定的教学指导计划中指出,计算机专业应该培养的四大基本能力包括计算思维能力、算法设计与分析能力、程序设计与实现能力和系统能力.计算机系统结构课程应从全局和系统的角度介绍进行计算机系统设计所必须了解与掌握的专业知识,培养学生的系统认知、系统设计、系统开发和系统应用能力,这4方面就构成了系统能力.四大基本能力及能力点分配见表1,每种基本能力都有相应能力点的分配,其中系统能力占到75%.
当前计算机专业学生最重要的是必须加强系统能力培养.相比其他专业学生的计算机基础和应用能力,计算机专业学生的核心特点和需求是更强调计算机系统能力.其他工科专业（如通信工程、电子工程、自动化专业等）也都开设了一些与计算机相关的课程,如C++程序设计、数据结构、计算机组成原理、汇编语言等.如果把这些课程比作列车车厢,计算机系统结构就是连接这些车厢的挂钩和轨道.没有挂钩,车厢之间就孤立无联系；没有轨道,列车无以依托便无法驰骋.计算机专业的学生区别于其他专业学生最重要的能力就是能否将这些课程所学内容系统地联系起来,能否从总体结构、系统分析这一角度研究计算机系统.
2.从系统层面构建知识体系
ACM和IEEE/CS联合工作组于2012年11月提交了具有指导意义的计算机科学课程教学参考计划ComputingScienceCurricula2013,其中明确指出计算机组织与体系结构应当建立在深入理解计算机系统硬件环境与更高级的软件层基础上,要求学生理解计算机系统基本组成、特征、性能及其之间的关系,特别是现在和未来利用并行性所带来的计算机系统性能的改进.
通常计算机系统结构课程面向高年级本科生开设,其原因是该课程涉及与计算机软、硬件相关的方方面面知识,因此孤立学习这门课程不可取,必须从系统层面建立知识体系.课程体系既是一个整体,又应当连贯而有继承性,能够满科以及更高层次的教学需求.
计算机系统结构课程与相关课程共同构成的教学体系如图l所示.该体系所包含的知识应当涵盖于计算机专业学生应具备的知识体系中,其中虚线以下部分是针对本科2-4年级学生开设的课程,虚线以上部分是针对本科以上层次开设的相关课程,其中灰色部分课程是与计算机系统结构课程联系最为紧密的课程群.
从系统层面构建知识体系有利于高年级学生将所学知识立体化,形成科学完整的知识体系；注重课程之间的融合与衔接能促使学生真正做到融会贯通,领略到计算机专业最核心、最本质的内涵.
3.教学内容划分与学时安排
以课堂教学为主导的教学活动中,教学内容对学生学习兴趣的培养至关重要,因此有必要对教学内容进行精心合理的设计.
目前解放军信息工程大学计算机系统结构课程的教学分为3个不同层次：一是计算机专业本科必修课程；二是针对研究生阶段的高性能计算机体系结构；三是面向非计算机专业（电子工程专业、芯片专业等）开设的计算机系统结构选修课程.教师应当针对不同授课对象适当调整教学内容的学时安排,通过查阅网上公开资源,将解放军信息工程大学针对计算机专业本科开设的计算机系统结构教学学时安排与美国加利福尼亚大学伯克利分校（UCBerkeley）、美国威斯康星大学（WISC）、国防科技大学等进行对比,对比情况见表2.
从表2可以看出,我们对教学内容的划分与各大名校相比较为一致,结构较为合理.其中国防科技大学和解放军信息工程大学的高级专题主要是介绍多处理机系统、机群系统的基本工作原理,为研究生阶段的后续课程学习打下基础.美国加利福尼亚大学伯克利分校针对本科生开设的高级专题部分占到总学时数（60学时）的20%且内容丰富,主要讲授GPU体系结构中的数据级并行、多核结构下的线程级并行及相关内容,对专题的拓展程度较为深入.美国威斯康星大学对计算机系统结构课程仅就本科生阶段分为3个层次,总学时70学时,随着课程不断进阶,教师对讲授内容的延展程度和深入程度不断加强,高级专题涉及计算机系统的保护与安全、并行算法、并行检测的原则、矢量化编译器、互连网络、阵列处理机、多处理器的同步、数据一致性、数据流计算机和其他特殊用途的处理器结构等一系列知识.
解放军信息工程大学自2012年针对计算机系统结构课程实施教学改革以来,把该课程的实验部分集中在寒暑假实践周进行,将课堂讲授部分学时压缩为36学时.与国防科技大学相比,尤其是与国外名校相比,我们更注重基础知识的教学,高级专题部分所占比重较少,计算机专业的其他课程中也存在类似情况.
4.面向系统能力的教学内容设计
计算机系统结构课程由于涉及多门计算机专业的软、硬件课程,知识体系庞大,各门课程的教学内容交叉多,对讲授该门课程的教师要求很高,不仅要熟悉该课程内容,还要准确把握相关课程尤其是课程间的教学融合点.计算机系统结构介绍了计算机系统的内部工作原理以及软硬件分界面的权衡策略,对计算机的整体性能进行评价和改进,从而建立计算机软硬件整机的概念.美国普渡大学fPurdueUniversity）计算机科学系资深教授科默fDouglasE,Comer）博士曾经在他的著作中指出：计算机系统结构课程将计算机软硬件知识统一起来,在许多计算机科学（ComputerScience）的教学计划中,计算机系统结构是惟一一门能让学生接触到与编程相关的计算机结构方面的课程.
表3列出了计算机组成原理、计算机系统结构、计算机操作系统等课程的教学融合点,同时将不同课程的授课内容进行横向对比,旨在找到核心课程之间教学融合点的区别与联系,使得课程衔接更加顺畅,教学重点更加突出.
由表3可以看出,计算机组成原理（CP）强调基本运行原理,计算机系统结构（CA）强调性能优化方法,而操作系统（0s）则侧重从系统软件角度管理计算机软硬件资源；Os多用软件的方法解决问题,CP则从硬件的角度思考问题,cA在软件和硬件之间权衡考虑后取一个折衷,讨论具有最佳性价比的软硬件资源分配方法以及软硬件界面的划分.
比如,教师在cP中讲三大部件连接结构时应该在细化部件讲授的基础上讲清楚最根本的全局通路,在CA中讲结构时应该屏蔽硬件细节,重点讨论系统全局结构和优化方法.如果忽视全局概念,就容易陷入模块化讲授的误区,导致衔接出现断层.
再比如,CP中在汇编级讲清指令集接口,讲清CA中汇编级的描述与cP的关系,而在cA中则要讲清高级语言、编译、操作系统和硬件结构的关系以及性能分析中各方面带来的影响,否则容易令学生对系统软件层面产生误解,弄不清流水线硬件结构与指令集的关系.
教师在讲授时应采取不同的策略,从而达到不同的教学目的,面向系统能力的授课对教师本身就是一种挑战.学生在教师指导下将新的教学内容与之前所学课程的教学内容联系起来,从而更容易把握关键点,在已经熟知或略有了解的知识领域换一种角度和思路展开分析和研究,提高学习兴趣.
面向系统能力进行教学内容设计可以让学生更多地了解学习该课程的意义.计算机系统结构课程中的内容有利于学生理解程序设计中不同选择和取舍带来的影响,从而提高程序的效率.学生通过学习硬件工作原理可以改善编程的过程,能够更迅速地查明故障来源,从而减少程序中的错误,而理解计算机的工作原理与系统结构则有助于学生今后从事系统级的程序开发或参与设计一个真实的计算机系统.
5.结语
教师总结教学中的问题并加以思考,有助于全面了解教学过程.高校中的教与学可以看作是一种学术活动,教师需要不断地对学生以及学生的学习情况进行研究,不断做新的尝试,与学生共同完成教与学的全过程.在教与学的互动过程中,教学内容对学生学习兴趣的培养、学习热情的激发、学习效果的正向影响都起到至关重要的作用,如何设计科学合理且有吸引力的教学内容,值得我们思考并不断探索.笔者从系统观角度出发研究计算机系统结构课程教学内容的设计,在教学内容的完整性及与前沿领域的结合方面尚有不尽完善之处,希望能够与同行分享并共同探讨.