袁春風(fēng) 陳 睿

2006年，教育部啟動(dòng)碩士研究生招生初試科目改革，于2007年在教育學(xué)、歷史學(xué)、醫(yī)學(xué)門類，2008年在農(nóng)學(xué)門類進(jìn)行專業(yè)基礎(chǔ)綜合科目的全國(guó)統(tǒng)考，2009年在計(jì)算機(jī)一級(jí)學(xué)科進(jìn)行計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)綜合科目的統(tǒng)考，并以此作為工學(xué)門類全國(guó)統(tǒng)考的試點(diǎn)。通過對(duì)4年計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)綜合統(tǒng)考科目考試成績(jī)的跟蹤和分析，發(fā)現(xiàn)我國(guó)高校計(jì)算機(jī)本科專業(yè)基礎(chǔ)課的教學(xué)存在“輕應(yīng)用、缺關(guān)聯(lián)、少綜合、無系統(tǒng)觀”等問題。本文以計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)綜合統(tǒng)考科目中組成原理為例，對(duì)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以期對(duì)高校計(jì)算機(jī)本科專業(yè)基礎(chǔ)課的教學(xué)改進(jìn)有所啟示。

1 抽樣統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析

計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)綜合統(tǒng)考涵蓋大學(xué)計(jì)算機(jī)本科教學(xué)的4門專業(yè)基礎(chǔ)課，滿分150分。其中，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和組成原理各占45分，操作系統(tǒng)占35分，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)占25分。各門課程的考試結(jié)果抽樣統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。

表1顯示，計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)綜合試卷的整體難度偏難，2012年難度值下降較多與抽樣地區(qū)改變有關(guān)。在4門課程中，組成原理試題4年的平均難度值最小，故本文以組成原理為例，按照試題考查的能力層次進(jìn)行分類，得到考查不同能力層次的試題難度如表2所示。其中識(shí)記層次考查基本概念或術(shù)語的定義，理解層次考查對(duì)基本概念內(nèi)涵的理解，包括對(duì)相關(guān)技術(shù)特點(diǎn)的提煉和總結(jié)、對(duì)處理過程中每個(gè)步驟的意義以及各步驟關(guān)聯(lián)關(guān)系的理解等；簡(jiǎn)單應(yīng)用能力考查考生運(yùn)用單個(gè)概念分析和解決問題的能力；綜合應(yīng)用能力考查考生運(yùn)用多個(gè)相關(guān)概念分析和解決問題的能力。

表1 2009—2012年計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)綜合統(tǒng)考各門課程抽樣統(tǒng)計(jì)難度值

表2顯示，就組成原理課程來說，綜合試卷中考查識(shí)記的分值較少，考生掌握情況良好；對(duì)于理解和簡(jiǎn)單應(yīng)用能力層次，考查分值占全卷的50%左右，難度有所提高；對(duì)于綜合應(yīng)用能力層次，考查分值也占全卷的50%左右，試題難度較高，并且試題涉及的知識(shí)點(diǎn)越多難度越高。

2 典型試題分析

表2 2009—2012年組成原理試題按照能力層次劃分的考點(diǎn)分布比例及抽樣統(tǒng)計(jì)難度值

從上述抽樣統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和按考查能力劃分的試題得分情況來看，抽樣數(shù)據(jù)反映出來的情況與考試設(shè)計(jì)的難度存在一定偏差。是試題偏、難、怪，還是考生對(duì)知識(shí)的掌握有欠缺，亦或是教學(xué)環(huán)節(jié)在對(duì)考生的知識(shí)傳授和能力培養(yǎng)方面存在一定問題？下面以組成原理試題為例，試圖分析造成這一偏差的原因。

例1：（2012年第43題）

假定某計(jì)算機(jī)的CPU主頻為80 MHz，CPI為4，并且平均每條指令訪存1.5次，主存與Cache之間交換的塊大小為16B，Cache的命中率為99%，存儲(chǔ)器總線寬度為32位。請(qǐng)回答下列問題。

（1）該計(jì)算機(jī)的MIPS數(shù)是多少？平均每秒Cache缺失的次數(shù)是多少？在不考慮DMA傳送的情況下，主存帶寬至少達(dá)到多少才能滿足CPU的訪存要求？

（2）假定在Cache缺失的情況下訪問主存時(shí)，存在0.0005%的缺頁率，則CPU平均每秒產(chǎn)生多少次缺頁異常？若頁面大小為4 KB，每次缺頁都需要訪問磁盤，訪問磁盤時(shí)DMA傳送采用周期挪用方式，磁盤I/O接口的數(shù)據(jù)緩沖寄存器為32位，則磁盤I/O接口平均每秒發(fā)出的DMA請(qǐng)求次數(shù)至少是多少？

（3）CPU和DMA控制器同時(shí)要求使用存儲(chǔ)器總線時(shí)，哪個(gè)優(yōu)先級(jí)更高？為什么？

（4）為了提高性能，主存采用4體交叉存儲(chǔ)模式，工作時(shí)每1/4個(gè)存儲(chǔ)周期啟動(dòng)一個(gè)體。若每個(gè)體的存儲(chǔ)周期為50 ns，則該主存能提供的最大帶寬是多少？

此題主要考查考生對(duì)層次化存儲(chǔ)系統(tǒng)的基本概念和基本原理的理解和掌握情況，考查考生是否真正理解在指令執(zhí)行過程中CPU訪問Cache、主存和磁盤的過程，從而考查考生是否具有運(yùn)用多個(gè)相關(guān)概念進(jìn)行問題分析的能力。為了降低試題難度，對(duì)問題描述進(jìn)行了簡(jiǎn)化?？忌灰斫釩PU訪存過程和每個(gè)概念的含義以及概念之間的關(guān)聯(lián)，就能容易地給出答案。雖然該題涉及的概念和知識(shí)點(diǎn)多，但這些知識(shí)點(diǎn)都是計(jì)算機(jī)專業(yè)最核心、最基礎(chǔ)的內(nèi)容，是考生必須掌握的，也是《計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)綜合考試大綱》中明確考查的內(nèi)容，但是考試結(jié)果卻非常令人失望，抽樣統(tǒng)計(jì)難度只有0.246，有28.6%的考生得分為零，58.7%的考生得6分以下（滿分為12分）。抽樣結(jié)果說明，有相當(dāng)一部分考生在本科學(xué)習(xí)階段沒有很好地掌握指令執(zhí)行過程中CPU訪存過程這個(gè)重要知識(shí)，對(duì)層次化存儲(chǔ)系統(tǒng)的基本概念和工作原理沒有真正掌握，而且綜合分析問題和解決問題的能力很差。既然此題考查的是課程核心的、基礎(chǔ)的內(nèi)容，考生在課程學(xué)習(xí)中就應(yīng)掌握，加之考前復(fù)習(xí)，不應(yīng)該有近90%的考生只得到一半分?jǐn)?shù)以下。經(jīng)調(diào)查教授此門課程的教師，教師反映與教學(xué)過程中對(duì)課程核心內(nèi)容的強(qiáng)調(diào)不夠，缺乏對(duì)概念間相互關(guān)系的講解，學(xué)生一知半解，而且有的教材內(nèi)容陳舊，存在錯(cuò)誤，一些授課教師水平有限，只能機(jī)械地按照教材內(nèi)容授課，把錯(cuò)誤的內(nèi)容教給了學(xué)生。這一情況尚存在于我國(guó)高校特別是地方院校的本科教學(xué)中。下面這道題也同樣反映了這種狀況。

例2：（2010年第44題）

某計(jì)算機(jī)的主存地址空間大小為256 MB，按字節(jié)編址。指令Cache和數(shù)據(jù)Cache分離，均有8個(gè)Cache行，每個(gè)Cache行中數(shù)據(jù)塊大小為64 B，數(shù)據(jù)Cache采用直接映射方式?，F(xiàn)有兩個(gè)功能相同的程序A和B，其偽代碼如下所示：

假定int類型數(shù)據(jù)用32位補(bǔ)碼表示，程序編譯時(shí)i，j，sum均分配在寄存器中，數(shù)組a按行優(yōu)先方式存放，其首地址為320（十進(jìn)制數(shù)）。請(qǐng)回答下列問題，要求說明理由或給出計(jì)算過程。

（1）若不考慮用于Cache一致性維護(hù)和替換算法的控制位，則數(shù)據(jù)Cache的總?cè)萘繛槎嗌伲?/p>

（2）數(shù)組元素a[0][31]和a[1][1]各自所在的主存塊對(duì)應(yīng)的Cache行號(hào)分別是多少（Cache行號(hào)從0開始）？

（3）程序A和B的數(shù)據(jù)訪問命中率各是多少？哪個(gè)程序的執(zhí)行時(shí)間更短？

Cache技術(shù)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中廣泛使用的一種加快信息訪問的技術(shù)，其分塊化思想和訪問局部性原理與程序設(shè)計(jì)密切相關(guān)。本題旨在通過讓考生對(duì)比分析兩個(gè)源程序?qū)嵗袛?shù)組元素在Cache中的訪問過程，考查考生對(duì)Cache技術(shù)的理解程度和運(yùn)用能力，從而有效地考查考生分析問題和解決問題的能力。本題考查點(diǎn)涵蓋了Cache技術(shù)中的各類問題，包括主存地址劃分、Cache的組織結(jié)構(gòu)和訪問過程、Cache行與主存塊的映射方式、訪問局部性和命中率的關(guān)系、替換算法等，是一道典型的綜合應(yīng)用能力測(cè)試題。抽樣數(shù)據(jù)顯示其統(tǒng)計(jì)難度僅為0.181，是4年試卷中難度最低的一道綜合應(yīng)用題，得零分的考生占31.2%，考試結(jié)果非常不理想。通過分析試題發(fā)現(xiàn)，求解問題所要用到的基本概念和基本原理也都是課程中最基礎(chǔ)的核心內(nèi)容，試題內(nèi)容既不偏也不怪，考試結(jié)果不理想，說明考生對(duì)基本原理的掌握和對(duì)所學(xué)知識(shí)的運(yùn)用能力都比較欠缺，也反映了在對(duì)有關(guān)Cache內(nèi)容的教學(xué)過程中，教師沒有抓住Cache的本質(zhì)進(jìn)行講解，脫離程序設(shè)計(jì)講Cache，學(xué)生無法深入理解Cache的基本原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，也無法體會(huì)Cache在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的重要性。當(dāng)然，本題將程序設(shè)計(jì)和Cache結(jié)合起來考察，給出的視角比較新，在復(fù)習(xí)資料中可能很難見到，考生不熟悉，無形中增加了試題難度。但是，如果試題的變化使得幾乎所有考生都不知如何下手，這也在一定程度上說明我們的計(jì)算機(jī)專業(yè)本科教學(xué)在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)方面存在缺陷。如果大學(xué)培養(yǎng)的都是只會(huì)按套路做題、按公式套題的死記硬背式的“人才”，那么我國(guó)的高等教育質(zhì)量從何保證？

例3：（2011年第43題）

假定在一個(gè)8位字長(zhǎng)的計(jì)算機(jī)中運(yùn)行如下類C程序段：

若編譯器編譯時(shí)將8個(gè)8位寄存器R1～R8分別分配給變量x、y、m、n、z1、z2、k1和k2。請(qǐng)回答下列問題。（提示：帶符號(hào)整數(shù)用補(bǔ)碼表示）

（1）執(zhí)行上述程序段后，寄存器R1、R5和R6的內(nèi)容分別是什么？（用十六進(jìn)制表示）

（2）執(zhí)行上述程序段后，變量m和k1的值分別是多少？（用十進(jìn)制表示）

（3）上述程序段涉及帶符號(hào)整數(shù)加/減、無符號(hào)整數(shù)加/減運(yùn)算，這四種運(yùn)算能否利用同一個(gè)加法器及輔助電路實(shí)現(xiàn)？簡(jiǎn)述理由。

（4）計(jì)算機(jī)內(nèi)部如何判斷帶符號(hào)整數(shù)加/減運(yùn)算的結(jié)果是否發(fā)生溢出？上述程序段中，哪些帶符號(hào)整數(shù)運(yùn)算語句的執(zhí)行結(jié)果會(huì)發(fā)生溢出？

本題也是一個(gè)典型的應(yīng)用能力測(cè)試題，考查的是將定點(diǎn)數(shù)表示及其加減運(yùn)算基本原理運(yùn)用到程序調(diào)試中的能力。定點(diǎn)數(shù)表示及其加減運(yùn)算基本原理是組成原理課程中最基本、也是最容易理解和掌握的內(nèi)容，按理說得分應(yīng)該比較高，可是抽樣統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，難度僅為0.44。其中，得零分的考生占7.1%，得1～6分的占64.5%，得7～9分的占25.6%，得10～11分的僅占2.8%?？荚嚱Y(jié)果顯示，考生不能很好地將程序設(shè)計(jì)中的問題與數(shù)據(jù)表示和數(shù)據(jù)運(yùn)算中的知識(shí)聯(lián)系起來，即不能將所學(xué)基本原理運(yùn)用到具體的應(yīng)用問題中。計(jì)算機(jī)專業(yè)是一門應(yīng)用性和實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)，學(xué)習(xí)概念和原理就是為了應(yīng)用，如果掌握了概念，弄懂了原理，但是不會(huì)應(yīng)用，那么學(xué)習(xí)的概念和原理也就失去了意義。本科教學(xué)不僅是教授學(xué)生掌握知識(shí)和概念，更重要的是應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)應(yīng)用，教師應(yīng)該在學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)的掌握和實(shí)踐能力的培養(yǎng)之間發(fā)揮橋梁作用。

3 思考與建議

通過分析計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)綜合統(tǒng)考中組成原理試題，發(fā)現(xiàn)考生及高校計(jì)算機(jī)本科專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)存在如下問題：第一，考生專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)較差，對(duì)于一些基本概念和基本原理認(rèn)識(shí)和理解不到位，一定程度上反映了本科教學(xué)中教師對(duì)一些基本概念和原理沒有講清講透；第二，考生分析問題能力較差，遇到問題只會(huì)照搬公式套概念，而不會(huì)融會(huì)貫通地靈活運(yùn)用，反映了考生在學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)過程中普遍存在“死記硬背”現(xiàn)象。由此，也透視出在教學(xué)過程中，教師沒有很好地將基本概念和基本原理與實(shí)際問題結(jié)合起來進(jìn)行講解，缺乏對(duì)考生分析具體問題能力的訓(xùn)練；第三，考生綜合運(yùn)用能力較差，缺乏將多個(gè)相關(guān)知識(shí)關(guān)聯(lián)起來解決應(yīng)用問題的意識(shí)，說明教學(xué)中沒有很好地對(duì)學(xué)生進(jìn)行這方面能力的培養(yǎng)；第四，考生缺乏對(duì)這些專業(yè)基礎(chǔ)課的整體認(rèn)識(shí)和把握，不清楚課程之間的關(guān)系，甚至一門課中知識(shí)和知識(shí)之間的關(guān)系都搞不清楚，學(xué)到的知識(shí)是割裂的，這充分反映出本科教學(xué)的弱點(diǎn)，教師沒有意識(shí)將所教課程與其他相關(guān)課程有機(jī)結(jié)合，導(dǎo)致學(xué)生難以掌握課程的本質(zhì)和精髓。

從以上分析可以看出，我國(guó)高校計(jì)算機(jī)本科專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)存在著“輕應(yīng)用、缺關(guān)聯(lián)、少綜合、無系統(tǒng)觀”等問題，應(yīng)從改變教學(xué)理念、更新教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段、加強(qiáng)教學(xué)交流入手，加強(qiáng)課程核心內(nèi)容的教學(xué)，加強(qiáng)考生對(duì)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)體系的認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)學(xué)科實(shí)際應(yīng)用知識(shí)的教學(xué)，加強(qiáng)學(xué)生實(shí)際應(yīng)用能力的培養(yǎng)，讓本科教育真正成為我國(guó)創(chuàng)新型計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)的搖籃。

從2007年開始的碩士研究生入學(xué)考試專業(yè)基礎(chǔ)綜合統(tǒng)考經(jīng)過幾年的檢驗(yàn)顯示，考試的反撥作用促進(jìn)了教學(xué)的發(fā)展，推動(dòng)了本科生對(duì)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)全面系統(tǒng)的學(xué)習(xí)。在2007年碩士研究生統(tǒng)考專業(yè)基礎(chǔ)課推出后，一些高校按照考試大綱中規(guī)定的考試內(nèi)容制定其教學(xué)內(nèi)容，原來有些沒有開設(shè)的課程或者原來課時(shí)安排較少的課程被列入學(xué)校重點(diǎn)教授的課程之列；再如一些地方院校原來不重視實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)，甚至連基本的實(shí)驗(yàn)條件都不具備，在2008年農(nóng)學(xué)門類開考后，因?yàn)榭荚噧?nèi)容中有關(guān)于實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，所以這些院校開始引進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，開設(shè)實(shí)驗(yàn)課程。此外，初試統(tǒng)考突出了人才選拔的基本標(biāo)準(zhǔn)，增加了考試的公平性和安全性，顯現(xiàn)了校內(nèi)自命題考試無法比擬的優(yōu)勢(shì)，建議繼續(xù)推進(jìn)碩士研究生招生初試專業(yè)基礎(chǔ)綜合統(tǒng)考科目，以解決目前初試形式繁雜，考務(wù)管理任務(wù)繁重，入學(xué)選拔標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，學(xué)校自命試題存在科學(xué)性、安全性隱患等問題。

[1]教育部考試中心.2012年全國(guó)碩士研究生入學(xué)統(tǒng)一考試計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)綜合聯(lián)考考試大綱[M].北京：高等教育出版社.2012.

[2]陳睿.碩士研究生招生考試初試科目改革芻議[J].北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2008（增刊）.