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淺談《計算機系統結構》課程教學改革探討
[論文關鍵詞]系統結構 課程 教學改革
[論文摘要]本文針對《計算機系統結構》課程的特點，討論在教學過程中采用“引導”的方式進行教學，樹立明確的學習目標，多種教學方式相結合，注重能力培養，努力提高教學質量。
一、引言
《計算機系統結構》是計算機學科體系的一門重要課程，它是以算法為核心，為描述，硬件和軟件作為實現工具的互為聯系又互為制約的結構技術。課程以計算機系統結構中硬中有軟、軟中有硬、相互轉換、彼此滲透的觀點，從原理、結構和實現技術等方面系統地對現代計算機的并行處理進行深入的分析和探討，使學生建立起“整機”概念，培養其具有一定體系結構技術的應用能力。“計算機系統結構”涉及到多門其他專業課如《數據結構》、《計算機組成原理》、《操作系統》的知識，是一門綜合性很強的課程，非常典型地體現出計算機學科互相融合的特點。通過該課程的學習能夠提高學生系統思維和綜合分析的能力，努力提高這門課程的教學質量有著重要的意義。
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中實踐環節的設計都比較薄弱，有的院校甚至沒有安排實驗，因此難以激發學生的學習興趣，教學難度比較大。因此，需要在目前的教學條件下，綜合應用多種教學方式和手段，引導學生積極思考和自主學習。
二、課程教學改革
（一）課程教學改革的基本思路
教學過程中教師不單要教會學生課程的知識，更重要的是教會學生如何思考，如何進行創造性思維。具備了創造性思維能力，學生不僅可以學會教師傳授的知識，而且能夠觸類旁通，舉一返三，在自身的思維實踐中獲取更多的知識。教師為學生服務，以培養學生的能力為目標。在師生角色上，教師是主導，學生是主體，主要采用“引導”的方式進行教學，把學習的主動權交給學生。
（二）課程教學內容的安排
以教學大綱為根據安排本課程內容，著眼于有關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，同時適當介紹近幾年來系統結構的重要進展和今后的發展方向。課程選擇西安科技大學出版社出版的《計算機系統結構》（第四版，李學干編著）作為教材，該書曾獲得國家級優秀教材一等獎和優秀教學成果二等獎，內容豐富，配有學習和大量習題。
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。以前面五個部分為重點教學內容，講解時注意與先修課《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不同點。
（三）課程教學手段的運用
（1）樹立明確的學習目標
在課程正式開始之前先對“系統結構”的主要內容、學習重點和基本學習方法作一個總體性介紹，使學生對該課程有一個大致的認識；在課程的每一章開始講解之前，首先也要明確指出這一章的學習目標，讓學生把這個目標貫穿在學習過程中。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、組成與實現的關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，學生學習的目的更加明確，更容易抓住學習的重點。
（2）多種教學方式相結合
課堂教學宜采用多媒體教學與傳統板書教學相結合的方式。多媒體教學無疑是目前高等院校普遍采用的優秀教學手段，以其形象的圖文與特效演示對于加深學生理解知識點很有幫助；而傳統板書教學也有其適用的場合，比如在介紹指令系統操作碼的哈弗曼編碼、發生中斷時程序的運行過程以及流水線時-空圖畫法時就應該采用板書來演示，這樣不僅能與學生有良好的互動，還能夠更清晰地講解知識要點。
另外，課外時間可以充分利用網絡來強化教學效果，比如，利用論壇發布教學課件、提供閱讀資料，利用電子郵件進行答疑輔導，這些對拓展學生的知識面、提高教學效率很有好處。
（3）啟發式教學，注重能力的培養
“系統結構”是一門理論居多的課程，單向灌輸算法思想必然不利于知識的掌握。授課時應多采用設計提問，啟發思維的教學方法，引導學生自己去發現問題、分析問題和解決問題。
在教學工作中，還要注意培養學生良好的學習方法和自學能力。引導學生在學習過程中不斷自己的學習方法，學會運用各種手段來獲取知識，例如，可以布置學生課外通過查找資料完成有關“系統結構”最新發展的小論文。
三、課程教學改革實踐案例
（1）堆棧型替換算法原理的教學案例
在存儲體系這一章中，虛擬存儲器替換算法的實現是教學的重點，同時也是難點。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，勢必不利于學生對算法的理解。取而代之，先舉出實例，比如使用LRU法對頁地址流進行一次堆棧處理，從處理結果總結出主存頁數與命中率的關系，由此來說明命中率隨主存頁數的增加而單調上升，至少不會下降[1]，具有這種特性的算法就稱為堆棧型替換算法。此時再引出邏輯表達式，將表達式的各個部分與實例相對應，進行歸納，給出堆棧型替換算法的定義，這樣，學生就順理成章解了算法的內涵。從教學效果來看，絕大部分學生能夠準確地掌握該替換算法的涵義和替換過程。
（2）改進指令系統的教學案例
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的兩個主要方向時，CISC和RISC是一對需要學生重點理解的概念。前者是按增強指令功能的方向發展指令系統，而后者是按簡化指令功能的方向改進指令系統。學生應該了解兩者設計思想有哪些不同點，CISC和RISC分別采用哪些基本技術，有哪些典型的應用，它們分別存在哪些不足和問題，為什么說今后的發展應是CISC和RISC的結合。為了說明這些問題，可以讓學生自己去查找實例資料，了解IBM 370、Intel i486、IBM6150、Intel i860這幾個處理機采用的技術，讓他們自己去分析查找答案。通過這種教學方式，不僅加深了學生對知識的理解，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題，比如，第7章多處理機的講解可以結合目前熱門的多核處理器，這兩者的主要問題是一致的；更進一步地，可以讓學生去了解單芯片多處理器(CMP)與同時多線程處理器(SimultaneousMultithreading，SMT)，這兩種體系結構可以充分利用指令級并行性和線程級并行性，從而顯著提高性能。
四、結束語
《系統結構》這門課的內容可分為兩個部分：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。把握好這兩個方面，學生理解和掌握系統結構就容易得多。在教學過程中，合理安排進度，明確學習目標，采用多種教學方式，與實例緊密結合，積極引導啟發，使枯燥的理論知識變為形象的感性認識，提高學生學習的興趣，可取得較好的教學效果。
[參考文獻]
[1]李學干.計算機系統結構（第三版）.西安科技大學出版社，2005
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