计算机系统结构课程群的“1+2+3”模式及其应用

计算机系统结构课程群的“１＋２＋３”模式及其应用

摘要：本文介绍了北京工业大学在计算机系统结构课程群教学实践中构建的“1+2+3”模式，并就相关的教学规划以及课程建设等情况进行了总结。

关键词：计算机系统结构；课程群；“1+2+3”模式

计算机系统结构是计算机科学与技术一级学科下面的3个二级学科之一，涵盖计算机专业学生培养的许多知识和能力。按照国内外对计算机专业本科生的课程规划，计算机系统结构二级学科的相关课程主要是解决计算机硬件的描述、内部结构的理解、不同层次部件或者整机设计以及网络连接技术等相关问题。从2002年开始，我们对计算机系统结构二级学科的所有课程进行了分析，划分成计算机系统结构和计算机网络两个课程群。本文所说的计算机系统结构课程群是指前者，它以数字逻辑、组成原理、接口技术、体系结构等为主干课程内容，解决计算机硬件系统的内部构造以及部件连接技术等核心问题，因此通常人们也把它简单地叫做硬件系列课程。

众所周知，目前在计算机专业教与学的过程中都普遍存在“轻硬重软”的现象，这有就业等客观的因素，也有硬件教学本身的问题。当然，对于我们教师来说，研究对应的教与学问题，找到解决问题的策略和方法是最重要的。这正是我们这些年一直思考和致力于解决的问题。针对这一问题，我们进行了相关的研究和调研，对长期教学实践进行了提炼，确定了“1+2+3”教学模式，并且开展了相关的课程内容改革、实验规划以及教材编写等工作。

一、“1+2+3”教学模式介绍

针对计算机系统结构课程群的课程特点，我们对目前国内外的该课程群的教与学现状、改革经验与教训进行了大量的研究和分析，特别是通过对我们长期在该课程群教学所积累的得与失进行了总结，进一步对该课程群教学要达到的培养目标、知识点与实践要求以及重点需要解决的问题进行了定位。在此基础上，在教学理念上进行了探索和对应的实践，在课程划分与融合、实践环节的递进式计划、配套教材的规划与编写等方面开展了具体的工作，其中的核心是“1+2+3”模式的构建。

所谓“1+2+3”模式是对该课程群教学坚持“1个重点、2个保证、3个环节”的简述。

“1个重点”是指课程群教学要以“计算机整机概念和设计”为重点。如前所述，该课程群重点要培养学生对计算机(硬件)系统的认知、分析和设计能力。事实上，这些能力是计算机专业学生特点的集中体现。众所周知，随着计算机应用的普及与深入，利用计算机编写程序已经不是计算机专业学生的“特权”，许多理工科专业(如计算数学、信息管理等)在软件编程方面的教育也有很高的要求。因此，对于计算机专业的学生来讲，提高软硬件的综合运用能力就是突出特色的集中体现。毋容置疑，提高计算机(硬件)系统的设计能力需要许多理论、原理与技术支撑，特别是随着现代数字设计技术的发展，许多工具出现，因此在有限的课时内高效地达到培养目标就必须要找到一条合理的技术路线。经过分析，我们确定以“计算机整机概念和设计”为重点是科学而有效的。一方面，现代计算机的部件及其整机设计是建立在严格的逻辑理论和现代大规模电路设计基础上的，因此在对“数字逻辑”等硬件基础课程规划时应该尽量择选和“计算机整机概念和设计”密切相关的内容；另一方面，“计算机整机概念和设计”涵盖了计算机的CPU、存储器以及输入输出接口等主要功能部件，因此可以将“计算机组成原理”、“接口技术”等核心课程有效连接，使学生真正掌握计算机硬件系统的整体概念和设计原理。

“2个保证”是指保证课程群的完整性和先进性。为什么重点提出这2个保证问题呢?这是我们在大量调研和长期教学改革实践基础上提出的，直接针对目前国内该课程群的改革中存在的突出问题。目前计算机硬件系列课程的改革存在两种极端的倾向：一是过分强调先进技术而破坏课程内容的完整性的“实用主义”思想，这种所谓的“先进性”不仅破坏了课程内容的完整性，对后继课程的学习带来困难，而且为学生将来的发展埋下了不可弥补的知识缺陷；二是受课室紧张等因素的影响，长期对硬件课程的教学及实验内容不进行更新，一些先进的硬件设计理念和技术没有及时融入到教学中，甚至一些淘汰的技术仍然作为教学和实验的主要内容。因此我们确定了这2个保证，力求在课程群概念的指导下将知识内容的完整性和先进性加以融合，其中目标之一就是在同样的课时下减少不必要的课程间内容的重叠，提高系列实验的连续性，进而增加课程群的新知识和新技术含量等，达到内容的完整性和先进性的统一。

“3个环节”是指整个课程群要按照课堂教学、课程实验和课程群实验3部分进行规划。课堂教学的目标是解决课程群对应的基础知识、基本原理以及先进技术对应的设计方法的讲解。在课程的讲解过程中，强调以通用概念先行，即从课程的通用概念出发来系统地介绍对应的基础理论、设计技术以及发展背景等，然后再结合具体的产品进行技术分析。课程实验是指具体一门课程对应的实验，主要是对课程的关键原理对应的部件(组)的设计与实现技术。课程群实验是我们新的教学模式确立后增加的综合性实验，它在课程实验的基础上要求学生综合运用所学的知识和工具来设计较完整的计算机(硬件)系统。近3年的教学实践表明，学生对该实验的积极性很高，而且许多学生通过主动增加课余时间的利用设计出了具有相对完整指令系统的16位计算机系统，对学生在计算机整机概念的理解起到了很好的作用，对将来学生从事硬件方面的工程设计工作也具有很大的帮助。

二、新模式下的课程群规划

在“1+2+3”教学模式的指导下，我们对课程群的教学构架进行了设计，对教学内容、课程衔接以及实验等进行了对应的改革。目前支撑该课程群的骨干课程包括“数字逻辑”、“计算机组成原理与汇编语言”、“微机原理与接口技术”、“体系结构”和“课程群综合实验”。它们构成了5个相互联结的单元，分别来解决硬件设计所需的逻辑基础与现代设计技术、计算机主要部件与主机工作机制、广泛使用的微机构成与外设接口技术、计算机的体系分析与发展趋势、利用现代设计技术设计计算机整机系统等问题。

新的课程群的计划和实施是一个不断探索和实验的过程。表1给出了我们目前按照新模式构建的教学计划以及对应的目标说明等，它是我们几年来对新的教学模式研究和探索以及教学尝试获得的经验的集中体现。这些探索和实践的突出特点可以简单地归纳为：第一，坚持“1+2+3”教学模式的指导地位，在统一的教学理念下设计教学和实验环节。例如，坚持以“计算机整机概念和设计”为重点就意味着所有的单元应该服从课程群整体目标要求，所有的课程应该围绕着计算机整机(硬件)系统进行基础设计、部件剖析，最终达到对整机工作机理的理解和实际设计；第二，突出课程群概念，将课程内容进行整合，在统一的内容体系下进行教材的内容的安排。这样就可以达到在有限的课时的情况下，减少课程衔接带来的课时浪费等问题。

三、新模式下的教材建设