《计算机系统结构》课程研究型教学模式探索.docx

计算机系统结构研究型教学模式探索张元鸣，高飞，雷艳静，肖刚(浙江工业大学 计算机科学与技术学院，杭州 310014)E-mail: 摘要：为了克服计算机系统结构课程传统的以讲授为主的教学模式的缺陷，本文提出了理论授课与专题研究相结合的研究型教学模式。该模式紧密围绕课程核心内容，密切联系最新的研究进展和教师的研究课题，通过若干专题形式展开，侧重最新研究成果的理解和掌握，达到传授知识与培养能力并重的目的；此外，还阐述了该教学模式的具体实施方法；实践证明该模式取得了良好的教学效果。关键词：研究型教学 理论授课 专题研究51 引言计算机系统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，包括计算机系统结构的基本概念、基本原理、关键技术和最新动态等内容，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。经过长期的教学实践发现，传统的以课堂讲授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。由于计算机系统结构的概念和原理较多，内容抽象，传统课堂讲授模式以“满堂灌”的方式会使学生感觉课程内容枯燥难学，知识生硬难懂，导致厌学情绪，影响学习的积极性1。（2）教材内容更新较慢，理论教学与实际应用相脱节。计算机技术的发展极为迅速，最新的技术和最新的研究成果层出不穷，例如多核处理器技术、投机多线程技术、超线程技术和辅助多线程技术等，而这些课程在现有的教学模式下较难引入课堂，导致理论授课内容与实际应用相脱节，不利于学生的创新意识的培养 2-4。 (3)传统的教学模式束缚了学生的主动性和创造性。传统的教学模式使学生在整个教学过程中始终处于被动地位，学生只能跟着教师的思路，按照教材的内容按部就班地学习,束缚了学生创新思维和实践能力的培养。为了改变传统的以课堂讲授为主的教学模式，本文提出了理论授课与专题研究相结合的研究型教学模式，秉承教学“既要重视传授知识，也要重视培养能力的理念”，力求学生在教师的指导下，以类似科学研究的方式获取知识、应用知识和解决问题，从而让学生在掌握知识内容的同时，也能够体验、理解和应用科学方法，培养创新精神和实践能力。2 研究型教学模式实施策略研究型教学模式是研究型大学在教学过程中对教学质量的高标准要求，其目的是将教学与科研相统一，注重教学过程中融合学科知识和研究方法5。与灌输型教学相比，研究型教学最重要的特点在于使学生成为知识的积极构建者、研究者和参与者，而不是被动的接受者，倡导积极地学习，而不是被动地接受。根据侧重点的不同，研究型教学可以分为四种类型6，即研究领先的教学、研究取向的教学、研究为本的教学和研究支持的教学。图1 基于理论授课和专题研究的研究型教学模式为了达到传授知识与培养能力并重的教学目的，本文提出了理论授课和专题研究相结合的研究型教学模式。它紧紧围绕学科专业内容，密切联系当前的研究热点和教师研究课题，以学习最新的研究成果为主要内容，通过若干专题展开，侧重最新研究成果的理解和掌握，属于研究领先的研究型教学方法6。图1给出了基于理论授课与专题研究的研究型教学模式示意图，这两种教学方法交替进行，相互联系又各有侧重。理论授课主要围绕本课程的基本概念、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，授课内容具有针对性和典型性，避免面面俱到。就计算机系统结构课程而言，需要突出计算机系统设计的定量原理、计算机指令集的设计内容和设计思想、指令级并行关键技术、层次结构存储器的原理和Cache优化技术、多处理器架构模式等内容，这些内容总体构成了设计一款计算机系统所涵盖的主要内容。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，采用基本思想和技术，取得的实际效果。在综合相关文献的基础上，写出专题小论文，并在在课堂上进行演讲和讨论。专题研究的题目由教师根据当前的最新的研究进展以及自己的研究课题设置，这样做主要基于以下几个考虑： 1) 体现教师的主导作用。要求教师清楚目前本学科的最新研究进展和研究成果，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和深入，避免内容过于分散、不够深入。3) 促使教师也要阅读文献，掌握学科最新研究进展，教师不仅要吃透教材，而且还需要了解最新的研究成果7。4) 可以使专题研讨更深入、更具体。由教师设置专题使得教师对学生的研究结果有一定的预期，可以对专题内容进行深入点评。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。然后，学生通过演讲这一环节将所学习的内容通过自己的语言介绍给大家，这对学生的要求较高，因为要想介绍清楚，学生必须对研究的专题有较为深入的理解和认识，这样才能够将学到的知识讲清楚、让别人理解。图2给出了理论授课、专题研究和教学目标的关系。理论授课侧重传授知识，专题研究则侧重培养能力，这两个教学环节密切相关、互为补充，共同确保了教学目标的实现。该模式既强调传授知识，同时也强调培养能力，不会由于采用研究型教学而将学习的任务完全推给学生。该教学模式的优点主要体现在以下几方面：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) 能够及时将最新技术引入教学课堂，保证教学内容与最新技术的同步，同时达到传授知识和培养学生创新意识的目的。表1 计算机系统结构理论授课内容序号知识模块教学内容学时分配教学要求1计算机系统结构概述1.1 计算机系统结构的概念1.2 计算机系统定量分析技术2学时理解计算机系统结构的概念、分类以及定量分析技术2计算机指令集结构2.1 指令集结构的分类2.2 指令集设计寻址技术2.3 指令集结构功能设计2.4 操作数的类型和大小2.5 指令集格式的设计4学时掌握计算机指令集结构的分类、指令寻址方式，指令集功能设计的主要内容3流水线技术3.1流水线的基本概念及分类3.2 流水线性能指标3.3 流水线的相关及冲突6学时掌握流水线的概念和分类方法，掌握流水线性能指标。理解流水线相关与冲突的概念，掌握经典5段流水线模型以及消除流水线冲突的基本方法。4存储器层次4.1 存储器的层次结构4.2 Cache基本知识4.3 Cache优化技术6学时理解存储器层次结构设计的基本原理，掌握Cache基本知识，掌握Cache性能分析方法。5多处理机5.1 多处理机的概念5.2 对称式共享存储器结构5.3分布式共享存储器结构6学时掌握并行计算机系统结构的分类和特点，了解通信模型和存储器结构模型。了解对称式共享存储器系统结构和分布式共享存储器系统结构的特点。合计24学时3) 能够充分发挥教师的主导作用和学生的主观能动性，避免单一教学模式所带来的局限性，实现“教”与“学”的相互促进和统一。该教学模式较适合专业课和专业基础课的教学，因为这些课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，比较适合采用研究型教学模式。图3 研究型教学实施过程3 研究型教学模式实施方法本教学模式包括理论教学和专题研究两个教学环节：理论教学分为“选取教学重点”、“讲授经典理论”、“设置专题内容”三个步骤，它以教师为主导和以学生为主体, 属于课内学习；专题研究分为“查阅文献资料”、“整理撰写论文”、“专题演讲讨论”三个步骤，它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，图3描述了该教学模式的实施过程。3.1 教学重点选取确定理论授课的重点之前，首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。针对计算机系统结构课程，可紧紧围绕如何设计“高性能、低成本、低功耗”的计算机系统组织选取教学内容，避免与“计算机组成”、“操作系统”等课程内容的重叠，同时遵循以下三个原则：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系统结构最基础、也是最重要的知识，对设计和理解计算机系统结构具有无可替代的作用。2) 教学内容具有系统性和典型性。选取的内容应该是计算机系统结构经典的技术，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。表2 计算机系统结构专题研究内容序号对应知识模块专题内容专题示例学时分配研究目的1计算机系统结构的概述设置2-3个新型计算机系统结构专题多核处理器专题：试分析多核处理器产生的背景及研究现状，应用多核处理器加速程序需要解决哪些关键问题？ 2学时对新型计算机系统结构专题内容进行讨论，分析产生的背景等。2计算机指令集结构设置1-2个计算机指令集结构专题计算机指令集专题：对比分析Intel指令集和MIPS指令集，比较它们的优势和不足。1学时对主流计算机指令集进行分析，讨论它们的特点和应用现状。3流水线技术设置1-2个流水线专题流水线技术专题：试分析Intel处理器所采用的指令级流水线技术，它主要包括哪些流水段？2学时对流水线技术的思想、特点进行剖析，明确其优势和局限性。4存储器层次设置1-2个存储器专题Cache优化专题：由于内存墙的制约，优化Cache成为提高内存访问速度的重要途径，试分析近些年提出的主要Cache优化技术。2学时理解存储器在高性能计算机中的重要作用。5多处理机设置1-2个并行计算机专题并行计算机专题：试分析和归纳2013年国际Top100采用的并行计算机体系结构的特点、关键技术以及主要性能指标。1学时对并行计算机的体系结构和性能指标进行讨论，明确当前高性能计算机研究的热点。合计8学时以我校计算机系统结构授课内容为例，表1按知识模块给出了理论授课的主要教学内容。该课程的总学时为32个学时，其中24个学时用于理论授课，8个学时用于专题研究。各校的计算机系统结构课程学时可能不同，可以对教学内容做些扩充或删减。3.2 专题内容设置专题研究的目的是通过对某一专题的系统研究和学习，使学生掌握科学研究的基本方法：研究要解决的问题，基本思想，采用的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)专题内容与理论授课紧密相关。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。最新的技术和研究成果是理论授课的必要补充，专题应该具有新颖性，能够代表当前计算机技术的最新研究进展。3)专题内容难度适宜。所设定的专题在学生的努力下能够独立完成，难度太大则可能会影响学生学习的积极性。表2给出了笔者教学中采用的部分专题内容，它与表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人为一组)，在选定的主题下，查阅相关资料，开展自主学习和研究, 撰写小论文，然后在课堂上用PPT对全班同学演讲。可鼓励学生使用英文，报告时间是20-30分钟，之后要求其他同学踊跃讨论，以便充分交流和思想碰撞，同时教师做好协调和解释工作。3.3 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模块，包括理论授课、小论文质量、PPT演讲、回答问题等方面，每个部分的成绩占适当的比例，最后计算出总成绩。比如，笔者采用的成绩考核方法如下： 总成绩=考试成绩X1+小论文成绩X2+演讲成绩X3+平时成绩X4其中的参数列表(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。该教学模式已经在本校计算机系统结构课程教学过程中进行了实践，取得了良好的教学效果，显著提高了学生的学习积极性，充分发挥了学生的主动性和创造性，学生文献资料查询充分，对文献资料理解良好，PPT演讲精彩，课堂讨论活跃，学评教结果接近满分。4 总结本文针对计算机系统结构传统授课模式存在的一些问题，提出了基于理论授课和专题研究相结合的研究型教学模式，它紧密围绕课程内容，密切联系当前的最新研究进展和教师研究课题，以学习最新的研究成果为主要内容，通过围绕若干专题展开，侧重最新研究结果的理解和掌握，能够实现传授知识与培养能力相并重的目的。该教学模式具有良好的适用性，对其他专业课和专业基础课的教学具有较好的借鉴意义。参考文献1张晨曦，刘依，探索新的教学模式和方法，建设计算机系统结构精品课程，计算机教育，200