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淺談《計算機系統結構》課程教學(xué)改革探討
[論文關(guān)鍵詞]系統結構 課程 教學(xué)改革
[論文摘要]本文針對《計算機系統結構》課程的特點(diǎn)，討論在教學(xué)過(guò)程中采用“引導”的方式進(jìn)行教學(xué)，樹(shù)立明確的學(xué)習目標，多種教學(xué)方式相結合，注重能力培養，努力提高教學(xué)質(zhì)量。
一、引言
《計算機系統結構》是計算機學(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)現工具的互為聯(lián)系又互為制約的結構技術(shù)。課程以計算機系統結構中硬中有軟、軟中有硬、相互轉換、彼此滲透的觀(guān)點(diǎn)，從原理、結構和實(shí)現技術(shù)等方面系統地對現代計算機的并行處理進(jìn)行深入的分析和探討，使學(xué)生建立起“整機”概念，培養其具有一定體系結構技術(shù)的應用能力�！坝嬎銠C系統結構”涉及到多門(mén)其他專(zhuān)業(yè)課如《數據結構》、《計算機組成原理》、《操作系統》的知識，是一門(mén)綜合性很強的課程，非常典型地體現出計算機學(xué)科互相融合的特點(diǎn)。通過(guò)該課程的學(xué)習能夠提高學(xué)生系統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(zhù)重要的意義。
由于“系統結構”內容抽象，不易理解，且目前各高校在該課程的教學(xué)中實(shí)踐環(huán)節的設計都比較薄弱，有的院校甚至沒(méi)有安排實(shí)驗，因此難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣，教學(xué)難度比較大。因此，需要在目前的教學(xué)條件下，綜合應用多種教學(xué)方式和手段，引導學(xué)生積極思考和自主學(xué)習。
二、課程教學(xué)改革
�。ㄒ唬┱n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，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，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。教師為學(xué)生服務(wù)，以培養學(xué)生的能力為目標。在師生角色上，教師是主導，學(xué)生是主體，主要采用“引導”的方式進(jìn)行教學(xué)，把學(xué)習的主動(dòng)權交給學(xué)生。
�。ǘ┱n程教學(xué)內容的安排
以教學(xué)大綱為根據安排本課程內容，著(zhù)眼于有關(guān)計算機系統結構的基本概念、基本原理、基本結構和基本分析方法，同時(shí)適當介紹近幾年來(lái)系統結構的重要進(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《計算機系統結構》（第四版，李學(xué)干編著(zhù)）作為教材，該書(shū)曾獲得國家級優(yōu)秀教材一等獎和優(yōu)秀教學(xué)成果二等獎，內容豐富，配有學(xué)習和大量習題。
本課程的主要內容包括：計算機系統結構的基礎理論、數據表示與指令系統、輸入輸出系統、存儲體系、重疊與流水和并行處理機等。以前面五個(gè)部分為重點(diǎn)教學(xué)內容，講解時(shí)注意與先修課《計算機組成原理與數字》的銜接，特別要體現出“系統結構”側重于設計方法和設計思想的描述這個(gè)不同點(diǎn)。
�。ㄈ┱n程教學(xué)手段的運用
�。�1）樹(shù)立明確的學(xué)習目標
在課程正式開(kāi)始之前先對“系統結構”的主要內容、學(xué)習重點(diǎn)和基本學(xué)習方法作一個(gè)總體性介紹，使學(xué)生對該課程有一個(gè)大致的認識；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)習目標，讓學(xué)生把這個(gè)目標貫穿在學(xué)習過(guò)程中。例如，第一章系統結構的基礎理論就是要抓住系統結構的基本概念、系統結構、組成與實(shí)現的關(guān)系以及軟硬取舍的基本原則、計算機系統的設計思路；第四章存儲體系的學(xué)習目標就是要理解虛擬存儲器和高速緩沖存儲器的方式與原理。如此，學(xué)生學(xué)習的目的更加明確，更容易抓住學(xué)習的重點(diǎn)。
�。�2）多種教學(xué)方式相結合
課堂教學(xué)宜采用多媒體教學(xué)與傳統板書(shū)教學(xué)相結合的方式。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于加深學(xué)生理解知識點(diǎn)很有幫助；而傳統板書(shū)教學(xué)也有其適用的場(chǎng)合，比如在介紹指令系統操作碼的哈弗曼編碼、發(fā)生中斷時(shí)程序的運行過(guò)程以及流水線(xiàn)時(shí)-空圖畫(huà)法時(shí)就應該采用板書(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要點(diǎn)。
另外，課外時(shí)間可以充分利用網(wǎng)絡(luò )來(lái)強化教學(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，這些對拓展學(xué)生的知識面、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
“系統結構”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的掌握。授課時(shí)應多采用設計提問(wèn)，啟發(fā)思維的教學(xué)方法，引導學(xué)生自己去發(fā)現問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題。
在教學(xué)工作中，還要注意培養學(xué)生良好的學(xué)習方法和自學(xué)能力。引導學(xué)生在學(xué)習過(guò)程中不斷自己的學(xué)習方法，學(xué)會(huì )運用各種手段來(lái)獲取知識，例如，可以布置學(xué)生課外通過(guò)查找資料完成有關(guān)“系統結構”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
在存儲體系這一章中，虛擬存儲器替換算法的實(shí)現是教學(xué)的重點(diǎn)，同時(shí)也是難點(diǎn)。如果按照教材內容編排的順序，直接給出抽象的表達式介紹堆棧型替換算法的定義，勢必不利于學(xué)生對算法的理解。取而代之，先舉出實(shí)例，比如使用LRU法對頁(yè)地址流進(jìn)行一次堆棧處理，從處理結果總結出主存頁(yè)數與命中率的關(guān)系，由此來(lái)說(shuō)明命中率隨主存頁(yè)數的增加而單調上升，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)再引出邏輯表達式，將表達式的各個(gè)部分與實(shí)例相對應，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涵。從教學(xué)效果來(lái)看，絕大部分學(xué)生能夠準確地掌握該替換算法的涵義和替換過(guò)程。
�。�2）改進(jìn)指令系統的教學(xué)案例
在數據表示與指令系統這一章中，介紹指令系統設計和改進(jìn)的兩個(gè)主要方向時(shí)，CISC和RISC是一對需要學(xué)生重點(diǎn)理解的概念。前者是按增強指令功能的方向發(fā)展指令系統，而后者是按簡(jiǎn)化指令功能的方向改進(jìn)指令系統。學(xué)生應該了解兩者設計思想有哪些不同點(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)展應是CISC和RISC的結合。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)生對知識的理解，而且提高了他們查閱資料的能力。
另外，其他章節也有可以擴展的問(wèn)題，比如，第7章多處理機的講解可以結合目前熱門(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(xiàn)程處理器(SimultaneousMultithreading，SMT)，這兩種體系結構可以充分利用指令級并行性和線(xiàn)程級并行性，從而顯著(zhù)提高性能。
四、結束語(yǔ)
《系統結構》這門(mén)課的內容可分為兩個(gè)部分：第一是介紹計算機系統的基本組成，第二是分析提高系統性能的方法。把握好這兩個(gè)方面，學(xué)生理解和掌握系統結構就容易得多。在教學(xué)過(guò)程中，合理安排進(jìn)度，明確學(xué)習目標，采用多種教學(xué)方式，與實(shí)例緊密結合，積極引導啟發(fā)，使枯燥的理論知識變?yōu)樾蜗蟮母行哉J識，提高學(xué)生學(xué)習的興趣，可取得較好的教學(xué)效果。
[參考文獻]
[1]李學(xué)干.計算機系統結構（第三版）.西安科技大學(xué)出版社，2005
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