《计算机系统结构》课程教学改革探讨

《计算机系统结构》课程教学改革探讨

　　[论文摘要]本文针对《计算机系统结构》课程的特点，讨论在教学过程中采用“引导”的方式进行教学，树立明确的学习目标，多种教学方式相结合，注重能力培养，努力提高教学质量。 

　　一、引言
《计算机系统结构》是计算机学科体系的一门重要课程，它是以算法为核心，为描述，硬件和软件作为实现工具的互为联系又互为制约的结构技术。课程以计算机系统结构中硬中有软、软中有硬、相互转换、彼此渗透的观点，从原理、结构和实现技术等方面系统地对现代计算机的并行处理进行深入的分析和探讨，使学生建立起“整机”概念，培养其具有一定体系结构技术的应用能力。“计算机系统结构”涉及到多门其他专业课如《数据结构》、《计算机组成原理》、《操作系统》的知识，是一门综合性很强的课程，非常典型地体现出计算机学科互相融合的特点。通过该课程的学习能够提高学生系统思维和综合分析的能力，努力提高这门课程的教学质量有着重要的意义。
由于“系统结构”内容抽象，不易理解，且目前各高校在该课程的教学中实践环节的设计都比较薄弱，有的院校甚至没有安排实验，因此难以激发学生的学习兴趣，教学难度比较大。因此，需要在目前的教学条件下，综合应用多种教学方式和手段，引导学生积极思考和自主学习。

二、课程教学改革

（一）课程教学改革的基本思路
教学过程中教师不单要教会学生课程的知识，更重要的是教会学生如何思考，如何进行创造性思维。具备了创造性思维能力，学生不仅可以学会教师传授的知识，而且能够触类旁通，举一返三，在自身的思维实践中获取更多的知识。教师为学生服务，以培养学生的能力为目标。在师生角色上，教师是主导，学生是主体，主要采用“引导”的方式进行教学，把学习的主动权交给学生。
（二）课程教学内容的安排
以教学大纲为根据安排本课程内容，着眼于有关计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构和基本分析方法，同时适当介绍近几年来系统结构的重要进展和今后的发展方向。课程选择西安科技大学出版社出版的《计算机系统结构》（第四版，李学干编著）作为教材，该书曾获得国家级优秀教材一等奖和优秀教学成果二等奖，内容丰富，配有学习和大量习题。
本课程的主要内容包括：计算机系统结构的基础理论、数据表示与指令系统、输入输出系统、存储体系、重叠与流水和并行处理机等。以前面五个部分为重点教学内容，讲解时注意与先修课《计算机组成原理与数字》的衔接，特别要体现出“系统结构”侧重于设计方法和设计思想的描述这个不同点。
（三）课程教学手段的运用
（1）树立明确的学习目标
在课程正式开始之前先对“系统结构”的主要内容、学习重点和基本学习方法作一个总体性介绍，使学生对该课程有一个大致的认识；在课程的每一章开始讲解之前，首先也要明确指出这一章的学习目标，让学生把这个目标贯穿在学习过程中。例如，第一章系统结构的基础理论就是要抓住系统结构的基本概念、系统结构、组成与实现的关系以及软硬取舍的基本原则、计算机系统的设计思路；第四章存储体系的学习目标就是要理解虚拟存储器和高速缓冲存储器的方式与原理。如此，学生学习的目的更加明确，更容易抓住学习的重点。
（2）多种教学方式相结合
课堂教学宜采用多媒体教学与传统板书教学相结合的方式。多媒体教学无疑是目前高等院校普遍采用的优秀教学手段，以其形象的图文与特效演示对于加深学生理解知识点很有帮助；而传统板书教学也有其适用的场合，比如在介绍指令系统操作码的哈弗曼编码、发生中断时程序的运行过程以及流水线时-空图画法时就应该采用板书来演示，这样不仅能与学生有良好的互动，还能够更清晰地讲解知识要点。
另外，课外时间可以充分利用网络来强化教学效果，比如，利用论坛发布教学课件、提供阅读资料，利用电子邮件进行答疑辅导，这些对拓展学生的知识面、提高教学效率很有好处。
（3）启发式教学，注重能力的培养
“系统结构”是一门理论居多的课程，单向灌输算法思想必然不利于知识的掌握。授课时应多采用设计提问，启发思维的教学方法，引导学生自己去发现问题、分析问题和解决问题。
在教学工作中，还要注意培养学生良好的学习方法和自学能力。引导学生在学习过程中不断自己的学习方法，学会运用各种手段来获取知识，例如，可以布置学生课外通过查找资料完成有关“系统结构”最新发展的小论文。

　三、课程教学改革实践案例

（1）堆栈型替换算法原理的教学案例
在存储体系这一章中，虚拟存储器替换算法的实现是教学的重点，同时也是难点。如果按照教材内容编排的顺序，直接给出抽象的表达式介绍堆栈型替换算法的定义，势必不利于学生对算法的理解。取而代之，先举出实例，比如使用LRU法对页地址流进行一次堆栈处理，从处理结果总结出主存页数与命中率的关系，由此来说明命中率随主存页数的增加而单调上升，至少不会下降[1]，具有这种特性的算法就称为堆栈型替换算法。此时再引出逻辑表达式，将表达式的各个部分与实例相对应，进行归纳，给出堆栈型替换算法的定义，这样，学生就顺理成章解了算法的内涵。从教学效果来看，绝大部分学生能够准确地掌握该替换算法的涵义和替换过程。
（2）改进指令系统的教学案例
在数据表示与指令系统这一章中，介绍指令系统设计和改进的两个主要方向时，CISC和RISC是一对需要学生重点理解的概念。前者是按增强指令功能的方向发展指令系统，而后者是按简化指令功能的方向改进指令系统。学生应该了解两者设计思想有哪些不同点，CISC和RISC分别采用哪些基本技术，有哪些典型的应用，它们分别存在哪些不足和问题，为什么说今后的发展应是CISC和RISC的结合。为了说明这些问题，可以让学生自己去查找实例资料，了解IBM 370、Intel i486、IBM6150、Intel i860这几个处理机采用的技术，让他们自己去分析查找答案。通过这种教学方式，不仅加深了学生对知识的理解，而且提高了他们查阅资料的能力。
另外，其他章节也有可以扩展的问题，比如，第7章多处理机的讲解可以结合目前热门的多核处理器，这两者的主要问题是一致的；更进一步地，可以让学生去了解单芯片多处理器(CMP)与同时多线程处理器(SimultaneousMultithreading，SMT)，这两种体系结构可以充分利用指令级并行性和线程级并行性，从而显著提高性能。

四、结束语
　　《系统结构》这门课的内容可分为两个部分：第一是介绍计算机系统的基本组成，第二是分析提高系统性能的方法。把握好这两个方面，学生理解和掌握系统结构就容易得多。在教学过程中，合理安排进度，明确学习目标，采用多种教学方式，与实例紧密结合，积极引导启发，使枯燥的理论知识变为形象的感性认识，提高学生学习的兴趣，可取得较好的教学效果。
[参考文献]
[1]李学干.计算机系统结构（第三版）.西安科技大学出版社，2005

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