《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)改革探討
[論文關(guān)鍵詞]系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 課程 教學(xué)改革 [論文摘要]本文針對(duì)《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》課程的特點(diǎn)，討論在教學(xué)過(guò)程中采用“引導(dǎo)”的方式進(jìn)行教學(xué)，樹(shù)立明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)，多種教學(xué)方式相結(jié)合，注重能力培養(yǎng)，努力提高教學(xué)質(zhì)量。
一、引言
《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》是計(jì)算機(jī)學(xué)科體系的一門(mén)重要課程，它是以算法為核心，為描述，硬件和軟件作為實(shí)現(xiàn)工具的互為聯(lián)系又互為制約的結(jié)構(gòu)技術(shù)。課程以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中硬中有軟、軟中有硬、相互轉(zhuǎn)換、彼此滲透的觀點(diǎn)，從原理、結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)技術(shù)等方面系統(tǒng)地對(duì)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的并行處理進(jìn)行深入的分析和探討，使學(xué)生建立起“整機(jī)”概念，培養(yǎng)其具有一定體系結(jié)構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用能力。“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”涉及到多門(mén)其他專(zhuān)業(yè)課如《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》、《計(jì)算機(jī)組成原理》、《操作系統(tǒng)》的知識(shí)，是一門(mén)綜合性很強(qiáng)的課程，非常典型地體現(xiàn)出計(jì)算機(jī)學(xué)科互相融合的特點(diǎn)。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)能夠提高學(xué)生系統(tǒng)思維和綜合分析的能力，努力提高這門(mén)課程的教學(xué)質(zhì)量有著重要的意義。
由于“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”內(nèi)容抽象，不易理解，且目前各高校在該課程的教學(xué)中實(shí)踐環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)都比較薄弱，有的院校甚至沒(méi)有安排實(shí)驗(yàn)，因此難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)難度比較大。因此，需要在目前的教學(xué)條件下，綜合應(yīng)用多種教學(xué)方式和手段，引導(dǎo)學(xué)生積極思考和自主學(xué)習(xí)。
二、課程教學(xué)改革
（一）課程教學(xué)改革的基本思路
教學(xué)過(guò)程中教師不單要教會(huì)學(xué)生課程的知識(shí)，更重要的是教會(huì)學(xué)生如何思考，如何進(jìn)行創(chuàng)造性思維。具備了創(chuàng)造性思維能力，學(xué)生不僅可以學(xué)會(huì)教師傳授的知識(shí)，而且能夠觸類(lèi)旁通，舉一返三，在自身的思維實(shí)踐中獲取更多的知識(shí)。教師為學(xué)生服務(wù)，以培養(yǎng)學(xué)生的能力為目標(biāo)。在師生角色上，教師是主導(dǎo)，學(xué)生是主體，主要采用“引導(dǎo)”的方式進(jìn)行教學(xué)，把學(xué)習(xí)的主動(dòng)權(quán)交給學(xué)生。
（二）課程教學(xué)內(nèi)容的安排
以教學(xué)大綱為根據(jù)安排本課程內(nèi)容，著眼于有關(guān)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念、基本原理、基本結(jié)構(gòu)和基本分析方法，同時(shí)適當(dāng)介紹近幾年來(lái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要進(jìn)展和今后的發(fā)展方向。課程選擇西安科技大學(xué)出版社出版的《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》（第四版，李學(xué)干編著）作為教材，該書(shū)曾獲得國(guó)家級(jí)優(yōu)秀教材一等獎(jiǎng)和優(yōu)秀教學(xué)成果二等獎(jiǎng)，內(nèi)容豐富，配有學(xué)習(xí)和大量習(xí)題。
本課程的主要內(nèi)容包括：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)理論、數(shù)據(jù)表示與指令系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)、存儲(chǔ)體系、重疊與流水和并行處理機(jī)等。以前面五個(gè)部分為重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容，講解時(shí)注意與先修課《計(jì)算機(jī)組成原理與數(shù)字》的銜接，特別要體現(xiàn)出“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”側(cè)重于設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)思想的描述這個(gè)不同點(diǎn)。
（三）課程教學(xué)手段的運(yùn)用
（1）樹(shù)立明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)
在課程正式開(kāi)始之前先對(duì)“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”的主要內(nèi)容、學(xué)習(xí)重點(diǎn)和基本學(xué)習(xí)方法作一個(gè)總體性介紹，使學(xué)生對(duì)該課程有一個(gè)大致的認(rèn)識(shí)；在課程的每一章開(kāi)始講解之前，首先也要明確指出這一章的學(xué)習(xí)目標(biāo)，讓學(xué)生把這個(gè)目標(biāo)貫穿在學(xué)習(xí)過(guò)程中。例如，第一章系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)理論就是要抓住系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)的關(guān)系以及軟硬取舍的基本原則、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路；第四章存儲(chǔ)體系的學(xué)習(xí)目標(biāo)就是要理解虛擬存儲(chǔ)器和高速緩沖存儲(chǔ)器的方式與原理。如此，學(xué)生學(xué)習(xí)的目的更加明確，更容易抓住學(xué)習(xí)的重點(diǎn)。
（2）多種教學(xué)方式相結(jié)合
課堂教學(xué)宜采用多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)板書(shū)教學(xué)相結(jié)合的方式。多媒體教學(xué)無(wú)疑是目前高等院校普遍采用的優(yōu)秀教學(xué)手段，以其形象的圖文與特效演示對(duì)于加深學(xué)生理解知識(shí)點(diǎn)很有幫助；而傳統(tǒng)板書(shū)教學(xué)也有其適用的場(chǎng)合，比如在介紹指令系統(tǒng)操作碼的哈弗曼編碼、發(fā)生中斷時(shí)程序的運(yùn)行過(guò)程以及流水線時(shí)-空?qǐng)D畫(huà)法時(shí)就應(yīng)該采用板書(shū)來(lái)演示，這樣不僅能與學(xué)生有良好的互動(dòng)，還能夠更清晰地講解知識(shí)要點(diǎn)。
另外，課外時(shí)間可以充分利用網(wǎng)絡(luò)來(lái)強(qiáng)化教學(xué)效果，比如，利用論壇發(fā)布教學(xué)課件、提供閱讀資料，利用電子郵件進(jìn)行答疑輔導(dǎo)，這些對(duì)拓展學(xué)生的知識(shí)面、提高教學(xué)效率很有好處。
（3）啟發(fā)式教學(xué)，注重能力的培養(yǎng)
“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”是一門(mén)理論居多的課程，單向灌輸算法思想必然不利于知識(shí)的掌握。授課時(shí)應(yīng)多采用設(shè)計(jì)提問(wèn)，啟發(fā)思維的教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生自己去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題。
在教學(xué)工作中，還要注意培養(yǎng)學(xué)生良好的學(xué)習(xí)方法和自學(xué)能力。引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中不斷自己的學(xué)習(xí)方法，學(xué)會(huì)運(yùn)用各種手段來(lái)獲取知識(shí)，例如，可以布置學(xué)生課外通過(guò)查找資料完成有關(guān)“系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”最新發(fā)展的小論文。
三、課程教學(xué)改革實(shí)踐案例
（1）堆棧型替換算法原理的教學(xué)案例
在存儲(chǔ)體系這一章中，虛擬存儲(chǔ)器替換算法的實(shí)現(xiàn)是教學(xué)的重點(diǎn)，同時(shí)也是難點(diǎn)。如果按照教材內(nèi)容編排的順序，直接給出抽象的表達(dá)式介紹堆棧型替換算法的定義，勢(shì)必不利于學(xué)生對(duì)算法的理解。取而代之，先舉出實(shí)例，比如使用LRU法對(duì)頁(yè)地址流進(jìn)行一次堆棧處理，從處理結(jié)果總結(jié)出主存頁(yè)數(shù)與命中率的關(guān)系，由此來(lái)說(shuō)明命中率隨主存頁(yè)數(shù)的增加而單調(diào)上升，至少不會(huì)下降[1]，具有這種特性的算法就稱(chēng)為堆棧型替換算法。此時(shí)再引出邏輯表達(dá)式，將表達(dá)式的各個(gè)部分與實(shí)例相對(duì)應(yīng)，進(jìn)行歸納，給出堆棧型替換算法的定義，這樣，學(xué)生就順理成章解了算法的內(nèi)涵。從教學(xué)效果來(lái)看，絕大部分學(xué)生能夠準(zhǔn)確地掌握該替換算法的涵義和替換過(guò)程。
（2）改進(jìn)指令系統(tǒng)的教學(xué)案例
在數(shù)據(jù)表示與指令系統(tǒng)這一章中，介紹指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)和改進(jìn)的兩個(gè)主要方向時(shí)，CISC和RISC是一對(duì)需要學(xué)生重點(diǎn)理解的概念。前者是按增強(qiáng)指令功能的方向發(fā)展指令系統(tǒng)，而后者是按簡(jiǎn)化指令功能的方向改進(jìn)指令系統(tǒng)。學(xué)生應(yīng)該了解兩者設(shè)計(jì)思想有哪些不同點(diǎn)，CISC和RISC分別采用哪些基本技術(shù)，有哪些典型的應(yīng)用，它們分別存在哪些不足和問(wèn)題，為什么說(shuō)今后的發(fā)展應(yīng)是CISC和RISC的結(jié)合。為了說(shuō)明這些問(wèn)題，可以讓學(xué)生自己去查找實(shí)例資料，了解IBM 370、Intel i486、IBM6150、Intel i860這幾個(gè)處理機(jī)采用的技術(shù)，讓他們自己去分析查找答案。通過(guò)這種教學(xué)方式，不僅加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，而且提高了他們查閱資料的能力。
另外，其他章節(jié)也有可以擴(kuò)展的問(wèn)題，比如，第7章多處理機(jī)的講解可以結(jié)合目前熱門(mén)的多核處理器，這兩者的主要問(wèn)題是一致的；更進(jìn)一步地，可以讓學(xué)生去了解單芯片多處理器(CMP)與同時(shí)多線程處理器(SimultaneousMultithreading，SMT)，這兩種體系結(jié)構(gòu)可以充分利用指令級(jí)并行性和線程級(jí)并行性，從而顯著提高性能。
四、結(jié)束語(yǔ)
《系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》這門(mén)課的內(nèi)容可分為兩個(gè)部分：第一是介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成，第二是分析提高系統(tǒng)性能的方法。把握好這兩個(gè)方面，學(xué)生理解和掌握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就容易得多。在教學(xué)過(guò)程中，合理安排進(jìn)度，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，采用多種教學(xué)方式，與實(shí)例緊密結(jié)合，積極引導(dǎo)啟發(fā)，使枯燥的理論知識(shí)變?yōu)樾蜗蟮母行哉J(rèn)識(shí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，可取得較好的教學(xué)效果。
[參考文獻(xiàn)]
[1]李學(xué)干.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（第三版）.西安科技大學(xué)出版社，2005
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