計算機硬件課程體系的改革與創(chuàng )新

　　0引言

　　云計算技術(shù)被稱(chēng)為IT的第三次變革，正在改變人們獲取信息技術(shù)和軟件能力的模式，降低各行各業(yè)信息化的門(mén)檻。傳統的用戶(hù)通常通過(guò)購買(mǎi)并擁有計算機等IT產(chǎn)品開(kāi)發(fā)或完成自己的業(yè)務(wù)。云計算技術(shù)隨著(zhù)處理器技術(shù)、分布式存儲技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和自動(dòng)化管理技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生，與計算機專(zhuān)業(yè)一些傳統課程有著(zhù)非常密切的關(guān)系，能為相關(guān)課程提供良好的實(shí)驗環(huán)境，開(kāi)拓學(xué)生視野，幫助學(xué)生對知識有更深層次的理解。

　　1計算機硬件課程體系改革的必要性

　　在計算機技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣，提高學(xué)生的動(dòng)手能力，強化學(xué)生的創(chuàng )新意識，增加實(shí)用和新穎的實(shí)踐環(huán)節，是新形勢下培養學(xué)生的重要手段。計算機硬件核心課程包括數字邏輯、計算機組成原理、微機原理與接口技術(shù)、計算機系統結構等，這些同時(shí)也是計算機專(zhuān)業(yè)中的核心課程，具有理論性強、應用廣且與實(shí)踐聯(lián)系緊密等特點(diǎn)。課程體系的建立和課程結構是否合理，對于硬件知識的教與學(xué)有著(zhù)很重要的影響。從以前的教學(xué)情況看，一些硬件的核心課程協(xié)調不夠，相關(guān)問(wèn)題可歸納為:①未將目前的先進(jìn)技術(shù)恰當地納入課程體系;②實(shí)驗環(huán)境比較傳統，實(shí)驗內容不夠新穎，在吸引學(xué)生進(jìn)行創(chuàng )新性實(shí)驗上顯得不足;③相關(guān)課程內容銜接不夠緊密，試圖各自封閉，部分教學(xué)內容簡(jiǎn)單重復，未能進(jìn)行全局規劃。

　　解決上述幾個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵在于整體規劃，以系統構建為主線(xiàn)，適當引入新技術(shù)并配以適當的實(shí)踐體系，引導學(xué)生積極實(shí)踐、自主學(xué)習，激發(fā)其創(chuàng )新精神。

　　2利用優(yōu)質(zhì)資源，建設計算機硬件課程體系

　　計算機專(zhuān)業(yè)應注重學(xué)生計算思維、算法設計與分析、程序設計與實(shí)現以及系統能力的培養，其中82個(gè)能力點(diǎn)中有62個(gè)能力點(diǎn)是系統能力，包括系統的認知、設計、開(kāi)發(fā)和應用4方面。教師可以利用優(yōu)質(zhì)資源，建設計算機硬件課程體系，促進(jìn)對學(xué)生系統能力的培養。

　　IBM公司于20xx年12月與北京工業(yè)大學(xué)合作建設云計算實(shí)驗平臺。該平臺采用硬件設備虛擬化、軟件版本標準化、系統管理自動(dòng)化和服務(wù)流程一體化等技術(shù)，為計算機硬件課程體系中的相關(guān)課程提供極佳的教學(xué)和實(shí)驗環(huán)境。計算機系統結構、計算機網(wǎng)絡(luò )、計算機組成原理、并行計算、高性能計算、網(wǎng)格計算、云計算等課程涵蓋現今計算機硬件領(lǐng)域的最新課程與技術(shù)。

　　課程體系建設中，教師重點(diǎn)從各課程中涉及云計算技術(shù)的不同角度，調整課程教學(xué)內容和教學(xué)方式，比較全面地介紹計算機系統技術(shù)，幫助學(xué)生在學(xué)習一系列軟件課程的基礎上深入理解計算機基本原理，從基礎到應用為學(xué)生建立完整的計算機系統概念。

　　計算機硬件課程體系的最底層是電子與電路技術(shù)和數字邏輯，這兩門(mén)課程是整個(gè)體系的基礎知識，作為計算機專(zhuān)業(yè)的入門(mén)課程，為之后學(xué)生學(xué)習和理解計算機部件、接口器件等的工作原理打下基礎。計算機組成原理和計算機系統結構課程幫助學(xué)生深入理解計算機各功能部件的組成及實(shí)現原理，建立起計算機整機概念;掌握從計算機軟硬件界面開(kāi)始進(jìn)行計算機整機系統設計的原理;學(xué)會(huì )機器語(yǔ)言設計、功能部件設計和計算機整機系統設計。這兩門(mén)課程的教學(xué)可以培養學(xué)生的抽象思維能力和自頂向下、系統分析和解決問(wèn)題能力。在此基礎上，操作系統課程介紹計算機系統如何對內部資源進(jìn)行管理及為用戶(hù)提供使用計算機資源的手段。其中，計算機組成原理被評為教育部微軟精品課程，計算機系統結構被評為教育部Intel精品課程，另外，數字邏輯、計算機組成原理、計算機系統結構均為北京工業(yè)大學(xué)精品課程。

　　微機接口技術(shù)幫助學(xué)生了解微型計算機系統與外界I/O接口方式，匯編語(yǔ)言根據課程性質(zhì)設置為自學(xué)課程，為學(xué)生設計實(shí)驗環(huán)節，讓學(xué)生經(jīng)過(guò)分析、設計、編程、調試等環(huán)節獨立完成4個(gè)實(shí)驗項目，進(jìn)而加深對匯編語(yǔ)言程序設計相關(guān)概念以及關(guān)鍵技術(shù)應用技巧的理解，最終具備利用匯編語(yǔ)言設計和調試實(shí)際問(wèn)題的能力。在該課程體系中，處于最頂層的各門(mén)課程更注重學(xué)生應用能力的培養，在計算機課程設置上具有一定特色，涵蓋嵌入式系統、可編程芯片技術(shù)、高檔微機原理與技術(shù)、多核計算、機群計算、并行計算等方面知識，是當今計算機硬件體系以及計算機科學(xué)技術(shù)中發(fā)展最快、最有應用前景的幾個(gè)分支。

　　上述計算機硬件課程體系結構具有以下幾個(gè)主要特點(diǎn):①分清層次以及課程的先后關(guān)系，明確先修課，保證內容的緊密銜接;②重視體系的系統性和先進(jìn)性，突出培養應用型人才的特點(diǎn);③將計算機組成原理和匯編語(yǔ)言設計分開(kāi)，設置匯編語(yǔ)言自學(xué)課程，提高學(xué)生動(dòng)手能力和自學(xué)能力;④貫徹以基礎知識為核心、理論結合實(shí)際的思想，設置兩門(mén)大型課程設計，促進(jìn)知識的融會(huì )貫通。

　　3發(fā)揮資源優(yōu)勢，構建相適應的實(shí)驗體系

　　上述課程相關(guān)知識的系統教學(xué)可以幫助學(xué)生了解計算機系統的工作原理和系統構成。在改革過(guò)程中，教師可以重點(diǎn)加大實(shí)踐環(huán)節的設置，包括電路與電子技術(shù)實(shí)驗、數字邏輯實(shí)驗、計算機組成原理實(shí)驗、計算機組成原理課程設計和計算機系統結構實(shí)驗，總共達125學(xué)時(shí)，尤其是計算機組成原理的課程設計可以達到國內高校先進(jìn)水平，撰寫(xiě)的實(shí)踐教材也在多家高校采用。通過(guò)在EDA平臺上進(jìn)行一臺模型計算機的設計、封裝和調試，包括總體結構、數據通路、指令系統、微操作命令、時(shí)序系統、控制部件等部分;在此基礎上，進(jìn)一步實(shí)現硬件輸入輸出部件的功能設計并下載到FPGA芯片中進(jìn)行計算機整機的測試及驗證，學(xué)生能夠掌握設計、實(shí)現及調試計算機整機系統的基本步驟和方法，提高分析和解決問(wèn)題的能力，為提高計算機硬件動(dòng)手實(shí)踐能力打下堅實(shí)基礎。

　　目前，北京工業(yè)大學(xué)可以為學(xué)生提供優(yōu)質(zhì)的實(shí)驗資源，其中高性能計算平臺和云計算平臺遵循分區規劃、統一管理的建設思路，總計算能力達到23TFlops，總存儲能力達到40TB，目前規模位居全國高校第四。

　　該實(shí)驗環(huán)境下，學(xué)生可以利用虛擬化技術(shù)，以虛擬機形式為用戶(hù)提供所需的計算資源和基礎軟件運行環(huán)境，實(shí)現硬件資源和軟件資源的動(dòng)態(tài)分配、自動(dòng)部署、統一監控和統一備份。這些環(huán)境為計算機硬件課程體系建設提供先進(jìn)實(shí)用的實(shí)驗環(huán)境并利于創(chuàng )新性實(shí)驗的開(kāi)展。計算機硬件系列課程改革中，教師將一部分課程實(shí)驗設置在云計算平臺環(huán)境中進(jìn)行，充分利用虛擬化技術(shù)、高性能計算技術(shù)、自動(dòng)部署技術(shù)等開(kāi)展創(chuàng )新性實(shí)驗環(huán)節，激發(fā)學(xué)生興趣，提高動(dòng)手能力，拓寬學(xué)生視野。

　　計算機系統結構課程實(shí)驗的主要目的是驗證理論教學(xué)中高速緩存技術(shù)、流水線(xiàn)技術(shù)和多核技術(shù)的相關(guān)知識。由于多個(gè)實(shí)驗涉及不同的系統軟件和平臺軟件，包括Windows, Linux,WinDLX, SimpleScalar等，在以往的實(shí)驗環(huán)境中給學(xué)生帶來(lái)不便。有了云計算平臺以后，學(xué)生可以利用云計算平臺中的IBM B1ueCloud虛擬機，為用戶(hù)提供計算資源和基礎軟件運行環(huán)境，實(shí)現硬件資源和軟件資源的動(dòng)態(tài)分配、自動(dòng)部署、統一監控和統一備份，實(shí)現上述平臺的無(wú)縫連接，同時(shí)能使學(xué)生在此基礎上利用先進(jìn)的計算機軟件以及平臺提供的數據存儲空間和計算資源，對計算機系統結構中的流水線(xiàn)技術(shù)、高速緩存技術(shù)、多核技術(shù)等進(jìn)行自主實(shí)驗和開(kāi)發(fā)。

　　機群計算課程實(shí)驗主要與理論教學(xué)中機群系統單一系統映像核心功能的設計與實(shí)現、面向企業(yè)機群的高可用技術(shù)和面向科學(xué)計算機群的作業(yè)管理技術(shù)相結合，幫助學(xué)生加深對機群體系結構及核心技術(shù)的理解，掌握機群構建、測試及管理維護的基本方法;通過(guò)安裝、配置Linux操作系統中的Heartbeat服務(wù)，實(shí)現機群系統的雙機高可用功能，同時(shí)培養工程實(shí)踐能力。這些實(shí)驗必須在上述云計算平臺和高性能計算平臺中進(jìn)行。

　　云計算課程實(shí)驗與理論教學(xué)云計算平臺中的系統虛擬化技術(shù)內容相結合，主要包括基于Eucalypus的IaaS級云計算平臺的構建、配置與使用，基于Hadoop的PaaS級云計算平臺構建及應用開(kāi)發(fā)，基于Tomcat的Web服務(wù)開(kāi)發(fā)及其在云計算平臺的部署。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗可以加深對云計算服務(wù)層次結構及核心技術(shù)的理解，掌握云計算平臺構建、使用及管理維護的基本方法。這些實(shí)驗在云計算平臺提供的實(shí)驗環(huán)境中可以以服務(wù)的形式，面向用戶(hù)多樣化的應用需求，提供定制的個(gè)性化運行環(huán)境，從而使學(xué)生充分發(fā)揮自己的創(chuàng )新能力。例如，教師可以引導學(xué)生針對部署好的環(huán)境制作虛擬機鏡像并上傳，通過(guò)遠程登錄方式驗證虛擬機鏡像實(shí)例創(chuàng )建和運行的正確性，利用瀏覽器遠程訪(fǎng)問(wèn)方式驗證Web服務(wù)開(kāi)機自啟動(dòng)的正確性。類(lèi)似的創(chuàng )新實(shí)驗也可以在教師的指導下進(jìn)行，以拓寬學(xué)生視野。

　　4建設成效

　　課程體系改革、計算機領(lǐng)域新技術(shù)融入的最直接效果就是大大提高學(xué)生的學(xué)習積極性。前些年各種條件的限制給教學(xué)帶來(lái)很大困難，經(jīng)過(guò)幾年的教學(xué)改革與實(shí)踐，實(shí)驗設備的更新、課程內容的改革、教學(xué)模式的建立、教學(xué)方法的改變以及實(shí)踐環(huán)節的設置都提高了學(xué)生對計算機硬件課程的興趣，很多學(xué)生參加相關(guān)的硬件課程設計大賽，取得很好的成績(jì)。北京工業(yè)大學(xué)團隊于20xx年、20xx年參加IBM杯并行計算大賽，分別獲得一等獎和二等獎，20xx年參加微軟全國高性能計算大賽，獲得第6名。同時(shí)，近幾年的專(zhuān)家和學(xué)生評教結果顯示各門(mén)課程均由原來(lái)的良好提升為優(yōu)秀，說(shuō)明計算機硬件系列課程改革得到專(zhuān)家和學(xué)生的認可。

　　另外，由于近幾年我們的教材建設取得顯著(zhù)成果并在國內外的教學(xué)會(huì )議上進(jìn)行推廣，部分教材已在北京航空航天大學(xué)、北京科技大學(xué)等相關(guān)院校采用并取得良好教學(xué)效果，也為北京工業(yè)大學(xué)的計算機硬件課程建設提供了良好支持。在項目建設過(guò)程中，我們獲批1項教育部Intel精品課程、1項教育部微軟精品課程、2本北京高等教育精品教材、北京工業(yè)大學(xué)優(yōu)秀教學(xué)團隊、3門(mén)北京工業(yè)大學(xué)精品課程、1項北京高等教育精品教材建設立項，出版3本普通高等教育十一五國家級教材清華大學(xué)出版社系列教材;完成8項北京工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)研究項目，其中1項是重點(diǎn)項目;20xx年至今獲得3項北京工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)成果獎;總結計算機硬件體系課程在近年來(lái)教學(xué)研究和實(shí)踐的成果，發(fā)表30余篇教育教學(xué)研究論文。

　　5結語(yǔ)

　　該課程體系改革提高了教師的授課積極性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習興趣，科學(xué)的課程體系和課程內容也更吸引學(xué)生學(xué)習相關(guān)知識并促進(jìn)學(xué)生自主實(shí)踐和創(chuàng )新。通過(guò)科學(xué)地構建基于云計算平臺和高性能計算平臺的相關(guān)課程實(shí)驗，為學(xué)生提供優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源和先進(jìn)的實(shí)驗環(huán)境，提高學(xué)生學(xué)習興趣，開(kāi)闊學(xué)生視野，也為北京工業(yè)大學(xué)計算機系統結構領(lǐng)域的發(fā)展提供良好平臺。在此基礎上，我們將進(jìn)一步整合整個(gè)硬件課程，建立更完善的硬件課程體系，為學(xué)生提供更優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源。

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