高小鵬　龍　翔

摘要:本文在全面分析計算機學院核心課程體系存在問題的基礎上,提出了圍繞“數(shù)理邏輯”、“數(shù)字邏輯”、“計算機組成原理”、“編譯技術”、“操作系統(tǒng)”等核心課程的一體化教學與實驗體系,從而建立一種基礎學習與探索創(chuàng)新相結(jié)合、理論學習與工程實踐相結(jié)合的新型培養(yǎng)模式。目前,該教學實驗體系部分內(nèi)容已在計算機學院試運行,達到了預期效果。

關鍵詞:核心課程;教學與實驗體系;一體化教學

中圖分類號:G642 文獻標識碼:B

在經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展后,無論是萬億次大型計算機系統(tǒng)還是小型嵌入式計算機系統(tǒng),一個計算機系統(tǒng)的基礎構(gòu)成大致可以分為硬件、操作系統(tǒng)及應用程序三部分。在現(xiàn)代計算機應用中,為了構(gòu)造一個功能完備、性能優(yōu)良的計算機系統(tǒng),設計人員必須綜合考慮應用程序行為、編譯優(yōu)化、操作系統(tǒng)、處理器等各個環(huán)節(jié),特別是這些環(huán)節(jié)之間的相互作用關系。與此相對應,編譯器、操作系統(tǒng)及計算機硬件(尤其是處理器)三部分已經(jīng)形成了如圖1所示的密切配合、相互影響、彼此滲透的緊密關系。為此,現(xiàn)代計算機系統(tǒng)設計人員必須掌握軟硬件一體化設計方法。

有鑒于此,我們認為合格的計算機專業(yè)人才應能夠深刻理解計算機系統(tǒng)的各組成要素及其工作原理,初步掌握現(xiàn)代計算機軟硬件系統(tǒng)設計和開發(fā)的新方法與新工具,建立軟硬件一體化設計的系統(tǒng)觀,掌握計算機整體結(jié)構(gòu),并具備一定的工程能力和團隊精神。

1背景及存在的問題

隨著計算機技術的普及,越來越多的高校畢業(yè)生進入IT領域工作。這些人中不僅有計算機專業(yè)的畢業(yè)生,也有大量其他非計算機專業(yè)人員。在與這些非計算機專業(yè)人員的競爭中,計算機專業(yè)的學生并未表現(xiàn)出明顯的專業(yè)優(yōu)勢。

造成這一現(xiàn)象的原因是什么?帶著這個問題,我們對計算機學科核心課程,包括“數(shù)理邏輯”、“數(shù)字邏輯”、“高級語言程序設計”、“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法”、“計算機組成原理”、“計算機接口與通訊”、“EDA技術”、“編譯技術”、“操作系統(tǒng)”、“軟件工程”及“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”等,重點在教學內(nèi)容及課程之間的銜接關系兩個方面進行了全面深入的分析,同時對國內(nèi)外20多所研究型大學特別是Berkeley、MIT、CMU等幾所著名高校的課程設計和清華、北大的課程設計進行了調(diào)研。文章內(nèi)容：

調(diào)研結(jié)果表明,當前我院本科課程體系所面臨的主要問題是各門課程各自獨立、封閉、完備,各課程知識體系間缺乏相互承接,不具備足夠的完整性。具體體現(xiàn)在:

(1) 不同課程知識內(nèi)容難以建立相互關聯(lián)關系。當前課程數(shù)量較多,涉及的知識內(nèi)容廣泛。但由于整個課程體系缺乏一體化設計的思想,因此各門課程知識點相對獨立、各成體系,缺乏良好的銜接,部分課程在知識內(nèi)容講授上甚至存在一定的重復。

(2) 實驗環(huán)節(jié)相對薄弱。主要體現(xiàn)在兩個方面。首先是缺乏足夠的實驗深度即現(xiàn)有實驗體系中外特性體驗實驗偏多,而功能設計類實驗不足;其次由于部分課程的實驗方法、實驗平臺及實驗工具未能及時更新,因此學生無法掌握當前流行的設計方法和工具,不利于今后的工作和學習。

(3) 學生難以掌握計算機及系統(tǒng)軟件整體核心概念。受教學內(nèi)容的影響,核心課程的實驗內(nèi)容相互間缺乏足夠的連貫性,致使學生無法形成完整的整機概念,難以理解軟硬件一體化設計思想。此外課程門數(shù)過多占用了過多的課時,導致實驗環(huán)節(jié)缺乏足夠的課時。

因此,完善課程體系建設,加大課程實驗環(huán)節(jié)的深度和難度,構(gòu)建一體化的教學實驗體系,將更多的工程實際問題引入教學實驗,成為解決這一問題的關鍵。

2指導思想

在計算機學院的支持下,經(jīng)過相關教師的多次討論,形成了一體化教學實驗體系改革的總體思路:

(1) 簡化課程門數(shù),突出課程教學深度。通過簡化課程門數(shù),增加核心課程的課時數(shù)(尤其是實驗環(huán)節(jié)所需的課內(nèi)課外時數(shù)),從而進一步突出教學深度,使學生對計算機系統(tǒng)的各組成要素能夠更加深入透徹的理解。

(2) 理論與實踐相結(jié)合,突出實驗環(huán)節(jié)。課堂教學與實驗教學密切配合,通過配置各類不同難度的實驗,以及在實驗中使用流行的工具設計軟件與硬件環(huán)境,不僅使得學生掌握新方法與新工具,更為重要的是使得學生對計算機系統(tǒng)的感性認識與理性認識得到增強與提高。

(3) 通過小組實驗環(huán)節(jié),培養(yǎng)團隊能力。通過分組實驗環(huán)節(jié)(每組成員3人為宜),培養(yǎng)學生在現(xiàn)代以團隊為基礎的工作環(huán)境中能夠完成一個復雜工程系統(tǒng)包括構(gòu)思、設計、實現(xiàn)及運行的全流程,初步具備實現(xiàn)復雜工程系統(tǒng)所需要的工程能力。

本次教學實驗體系改革共涉及5門基礎核心課程,包括:“數(shù)理邏輯”、“數(shù)字邏輯”、“計算機組成原理”、“編譯技術”、“操作系統(tǒng)”。我們擬以MIPS指令系統(tǒng)為基礎,讓學生在本科學習過程中自主開發(fā)一個可實際運行操作系統(tǒng)與應用程序的小計算機系統(tǒng),使學生能夠掌握計算機系統(tǒng)的各組成要素,深刻理解其工作原理,學習計算機軟硬件系統(tǒng)設計和開發(fā)的新方法與新工具,具備計算機專業(yè)人員的基本素質(zhì)。

3目標及規(guī)劃

3.1總體目標

通過對5門基礎核心課程的教學與實驗環(huán)節(jié)的一體化設計,綜合設計教學與實驗內(nèi)容,構(gòu)建系統(tǒng)化的實驗體系,使得學生有能力設計一臺功能型計算機、研發(fā)一套編譯器和一套操作系統(tǒng),最終形成一個相對完整的功能型計算機系統(tǒng)。

我們期望通過本實驗體系的系統(tǒng)化訓練后,學生不僅能夠建立計算機系統(tǒng)觀,而且能夠培養(yǎng)工程實施經(jīng)驗和能力,并錘煉團隊合作精神。

3.2以一體化實驗體系為核心的基礎核心課程體系

為了本次教學實驗改革的指導思想,形成一體化的教學實驗體系。具體方法是,圍繞完成一個功能型計算機系統(tǒng)所必需核心知識,突出重點,將目前開設的“數(shù)理邏輯”、“數(shù)字邏輯”、“高級語言程序設計”、“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法”、“計算機組成原理”、“計算機接口與通訊”、“EDA技術”、“編譯技術”、“操作系統(tǒng)”、“軟件工程”及“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”等課程綜合出“數(shù)理邏輯”、“數(shù)字邏輯”、“計算機組成原理”、“編譯技術”及“操作系統(tǒng)”等5門基礎核心課程,并形成基礎核心課程體系。其他課程則以此為基礎,分別形成面向計算機軟件與理論、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和計算機應用三個方向的專業(yè)課程體系。計算機學院全體本科生必須學習全部5門基礎核心課程,并根據(jù)各自的方向研修相應的方向課程體系。

通過5門基礎核心課程的學習,計算機學院本科生將能夠深入的理解計算機各組成要素的構(gòu)成及其工作機理,建立正確的整機觀念,樹立軟硬件一體化設計思想,初步具備從事工程設計的能力和團隊精神,為今后進一步學習各方向課程打下堅實的基礎。

在5門基礎核心課程體系中,“數(shù)理邏輯”以布爾邏輯為基礎,使學生掌握根據(jù)需求采用邏輯描述的方法和能力;“數(shù)字邏輯”講授了數(shù)字電路的基本知識、基本概念,以及數(shù)字系統(tǒng)常規(guī)基礎部件的基本原理;“計算機組成原理”講授了包括處理器、指令系統(tǒng)在內(nèi)的計算機硬件基本組成及其工作原理,系統(tǒng)介紹計算機組織的設計和基本框架;“操作系統(tǒng)”講授了操作系統(tǒng)的4大組成及其工作原理,以及并發(fā)性、共享性、虛擬性等操作系統(tǒng)的基本特性;“編譯技術”講授了編譯器設計的主要主題,包括詞法分析、語法分析、中間代碼生成、代碼生成、代碼優(yōu)化等。

4教學實驗體系規(guī)劃

本規(guī)劃不僅對基礎核心課程的教學內(nèi)容進行一體化整合,更為重要的是對其實驗環(huán)節(jié)進行一體化設計,強調(diào)5門課程的教學內(nèi)容與實驗內(nèi)容相互銜接、密切配合,形成前后關聯(lián)、有機聯(lián)系的系統(tǒng)化教學與實驗體系。5門基礎核心課程的依賴關系以及實驗體系關系如圖2所示。

從上圖可以看出,此方案涉及的5門基礎核心課程在教學和實驗內(nèi)容上形成緊密銜接關系:“數(shù)理邏輯”與“數(shù)字邏輯”通過布爾代數(shù)形成知識關聯(lián);“數(shù)字邏輯”中所講授的數(shù)字系統(tǒng)基本知識和設計開發(fā)的硬件基礎組件將成為“計算機組成原理”教學內(nèi)容和實驗內(nèi)容的基礎;“計算機組成原理”課程開發(fā)的包括CPU在內(nèi)的計算機硬件將為“編譯技術”提供真實的目標指令系統(tǒng),為“操作系統(tǒng)”提供真實的計算機平臺。在基礎核心課程體系的實驗環(huán)節(jié)中,硬件描述語言和EDA工具也有機的貫穿到整個實驗體系中,并且伴隨課程難度和實驗難度的不斷深化,硬件描述語言和EDA工具的應用也隨之不斷深化、循序漸進。

為實現(xiàn)開發(fā)一臺相對完整的功能型計算機系統(tǒng)這一基本目標,本項目關于5門基礎核心課程實驗體系的基本思路是:

? 以數(shù)理邏輯中的命題邏輯為理論基礎,描述數(shù)字電路的功能部件;

? 以為布爾代數(shù)基礎,借助EDA工具設計和開發(fā)數(shù)字邏輯部件;

? 以MIPS指令系統(tǒng)為基礎,設計和開發(fā)計算機核心系統(tǒng);

? 以MIPS指令系統(tǒng)為目標語言,設計和開發(fā)編譯系統(tǒng);

? 以自己研發(fā)計算機為環(huán)境,設計和開發(fā)操作系統(tǒng)。

上述基本思路貫穿5門基礎核心課程的實驗環(huán)節(jié),每門課程實驗環(huán)節(jié)的具體思路是:

? “數(shù)理邏輯”:側(cè)重布爾代數(shù)課堂教學,通過實驗環(huán)節(jié)使得學生掌握根據(jù)需求建立邏輯描述的方法和能力,包括布爾邏輯及其變換、真值表的邏輯表示以及邏輯范式表示。

? “數(shù)字邏輯”:使得學生基于“數(shù)理邏輯”所建立邏輯描述,借助于HDL(硬件描述語言)和EDA軟件工具,完成包括寄存器、加法器、狀態(tài)機等在內(nèi)的一系列計算機基礎硬件組件的設計和開發(fā),為構(gòu)造更加復雜的計算機硬件功能部件打下良好的基礎。

? “計算機組成原理”:在“數(shù)字邏輯”實驗環(huán)境所完成的各類硬件基礎組件的基礎上,同時利用軟件模擬器和HDL作為主要的實驗手段,使得學生深入理解處理器內(nèi)部工作機理,掌握匯編級程序設計技術及技巧,并以此為基礎利用HDL實現(xiàn)指令系統(tǒng)的子集及部分相應的計算機功能部件,完成一個功能型計算機硬件的核心部分,并能在其上運行簡單的匯編程序。

? “編譯技術”:通過實驗環(huán)節(jié),一方面豐富“計算機組成原理”中所完成功能型計算機硬件的指令系統(tǒng),進一步完善該計算機硬件功能;另一方面為讓學生了解編譯器的構(gòu)造技術,以及如何在裸機上實現(xiàn)對高級語言的支持,最終能在自行開發(fā)的計算機上運行用高級語言開發(fā)的程序。

? “操作系統(tǒng)”:通過實驗環(huán)節(jié),一方面進一步豐富和完善該功能型計算機的硬件功能,另一方面學習系統(tǒng)軟件開發(fā)方法和工具鏈,開發(fā)和移植一個簡化的操作系統(tǒng),最終構(gòu)造出一個相對完整的計算機系統(tǒng)。

我們認為,學生在經(jīng)過5門核心課程實驗體系的系統(tǒng)化訓練后,不僅將具備能夠設計和開發(fā)計算機系統(tǒng)的綜合知識和綜合能力,而且能培養(yǎng)團隊合作精神,同時豐富工程實施經(jīng)驗和能力,從而使得我院培養(yǎng)的計算機專業(yè)畢業(yè)生具有足夠的核心競爭力,為今后的工作和深造打下深厚的基礎。

由于開發(fā)一個實際的計算機系統(tǒng)難度大和工作量多,為了保證教學效果,我們采取了循序漸進、層次化、模塊化的設計思想。首先為學生提供一個基礎系統(tǒng),實現(xiàn)方案實施所需的最重要及最基本的部分。在此基礎上,學生可以再進一步擴充其他功能,進而實現(xiàn)一個完整的系統(tǒng)。這種新的實驗模式在保證教學效果的基礎上,有利于充分發(fā)揮學生創(chuàng)新潛能。

5教學實驗體系的特點

通過對5門基礎核心課程進行綜合設計,構(gòu)建知識內(nèi)容前后銜接、實驗環(huán)節(jié)密切配合的一體化教學與實驗體系。通過深化課堂教學與實驗,使學生深刻理解計算機系統(tǒng)各構(gòu)成要素及其工作機理,加深對計算機系統(tǒng)的理解,建立軟硬件一體化整機概念;并在參與工程設計開發(fā)過程中,學習現(xiàn)代計算機的基本設計理念及設計思路,基本掌握先進的設計方法和設計工具。本方案的特點如下:

? 一體化設計的教學與實驗體系。綜合考慮、統(tǒng)籌設計5門基礎核心課程的教學及實驗體系,使各門課程知識內(nèi)容及實驗環(huán)節(jié)相互銜接、密切配合。

? 統(tǒng)一的實驗平臺。在統(tǒng)一的實驗平臺上,不僅可以為各門基礎核心課程獨立開展實驗環(huán)節(jié),而且可以以各基礎課程的實驗為基礎,形成綜合集成實驗,最終實現(xiàn)一臺完整的功能型計算機。

? 新型培養(yǎng)模式。在一體化設計的教學與實驗體系框架范圍內(nèi),允許教師與學生在完成基礎的教學與實驗環(huán)節(jié)前提下,開展提高性知識學習與創(chuàng)新性科學實驗,并通過參與實際系統(tǒng)設計開發(fā)建立工程實施能力,從而建立一種知識學習與探索創(chuàng)新相結(jié)合、理論學習與工程實踐相結(jié)合的新型培養(yǎng)模式。

6教學實驗體系實踐

綜合多種前提因素后,我們有選擇性地在“數(shù)字邏輯”、“編譯技術”兩門課程中實施了新的教學實驗內(nèi)容的試運行,并取得了較好的教學效果。

2008年秋季對“數(shù)字邏輯”課程及實驗進行了全面改革,設置了17個實驗,分為基本實驗和選做實驗兩個部分。以硬件描述語言、EDA工具、FPGA芯片為設計和實驗手段,學生在完成數(shù)字邏輯基本器件的設計和仿真,然后下載到FPGA芯片中進行驗證。經(jīng)過實驗環(huán)節(jié),學生完成了包括譯碼器、加法器、算術邏輯運算單元、寄存器、狀態(tài)機等在內(nèi)的CPU主要功能部件的基礎組件的設計和開發(fā),為后續(xù)“計算機組成原理”實驗中應用這些基礎組件構(gòu)造CPU奠定了堅實基礎。

目前“編譯技術”實驗課已全部按照新實驗大綱的要求進行。2008年45%共計91名同學選取了本次教改新增內(nèi)容作為實驗目標,其中達到優(yōu)秀程度10人。另有30名同學在實驗過程中自愿降低難度,按照原實驗大綱要求完成實驗。2009年65%年共計120名同學選取了本次教改新增內(nèi)容作為實驗目標。

以新的教學實驗體系為指導,上述兩門課程還分別形成了《數(shù)字邏輯實驗教程》與《編譯技術課程設計》兩本實驗教材,并將很快正式出版。

7結(jié)束語

雖然只在“數(shù)字邏輯”和“編譯技術”兩門課程上實施了新的教學實驗體系,但通過上述兩門課程實踐結(jié)果的調(diào)查來看,我們認為改革是合理的。新的教學實驗體系加深了學生對計算機構(gòu)成的感性認識和理性認識,培養(yǎng)鍛煉了學生將理論知識與實際應用相結(jié)合的工程實施能力,為構(gòu)造更加復雜的計算機系統(tǒng)打下了良好的基礎。

我們將在已有理論及實踐工作的基礎上進行深入總結(jié),進一步完善一體化教學實驗方案細節(jié),使之盡早全面服務于本科教學。

在本文發(fā)表之際,一體化教學實驗體系的第二版實驗平臺(包括MIPS功能型計算機及其模擬器、編譯器、操作系統(tǒng)及實用工具等)已在教師的指導下由本科生設計開發(fā)完成,很快將投入教學實驗應用中。

最后,作者衷心感謝所有為新教學實驗體系貢獻了智慧和汗水的教師們。