《高級計算機體系結構》課程改革探討
來源:用戶上傳
作者:
摘要：隨著高性能計算機體系結構的快速發展，出現了與此相關的大量新概念與新技術。因此，在高校碩士研究生教學中需要對《高級計算機體系結構》進行相應改革。文章探討了新形勢下面向計算機專業碩士生的《高級計算機體系結構》課程的教學內容、教學方法與考評模式的改革，以激發學生的學習和研究熱情，提高教學效果和教學質量。
關鍵詞：體系結構；高性能計算；課程建設；教學改革
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）28-0080-02
一、引言
《高級計算機體系結構》課程是計算機專業中理論融合性很強的一門課程，主要從軟、硬件兩個方面考慮，設計和構建合理的軟硬件界面，使計算機系統的軟、硬件各部件資源整體上發揮最大效用。在廣西大學計算機與電子信息學院，《高級計算機體系結構》課程作為計算機科學與技術一級學科學術碩士研究生、計算機技術專業碩士研究生等相關學科專業的專業學位課程，更偏重于并行與分布式計算機等高性能計算機體系結構研究的講解。
目前，計算機技術日新月異。多核、眾核體系結構，以及云計算平臺逐漸深入應用，人工智能深度學習平臺涉及的高性能GPU和TPU體系結構正在成為熱點研究問題，進一步加劇了并行與分布式計算機等高級計算機體系結構的復雜性和多樣性，使得高性能程序設計模型和相應軟件系統變得更復雜與多樣化，給該課程的教學帶來了很多問題。
因此，非常有必要改革現有的《高級計算機體系結構》課程教學內容、教學模式及評分模式，以激發學生的學習和研究熱情，提高教學效果和教學質量，更好地培養出在高級計算機體系結構方面相關的、滿足各社會領域要求的高層次專業人才。
二、課程教學現狀
高校本科《計算機體系結構》課程主要講授指令系統、存儲系統、輸入輸出系統、Cache系統、互連網、任務劃分與調度等內容。鑒于課程在學生知識結構中的重要性，許多高校都開設了這門課程，并出現了許多教研成果[1]。但碩士研究生《高級計算機體系結構》課程更多的是從高性能計算機體系結構[2]方面的內容進行講述，更加強調培養計算機專業學生的抽象思維能力、自頂向下系統分析和創新能力。
目前，廣西大學計算機與電子信息學院碩士研究生課程《高級計算機體系結構》采用陳國良老師編著的教材——《并行計算機體系結構》[3]。該教材以當代可擴放的并行計算機系統結構為主題，從硬件和軟件的角度，著重討論了對稱多處理機系統、大規模并行處理機系統、機群系統和分布共享存儲系統的組成原理、結構特性、關鍵技術、性能分析、設計方法。該教材內容精練、體系完整，較好地反映了當代可擴放并行計算機系統結構。但目前，計算機技術日新月異。多核、眾核、云計算、GPU和TPU等高性能計算體系結構技術層出不窮，該教材沒有包括這些前沿技術的介紹，而這些前沿技術正對我們的科技和生活起到了非常重要的促進作用。同時，我們在講課時，更多的是采用“老師講、學生聽”的單一方式，學生學起來枯燥，理解費勁，無法滿足當前信息社會各專業領域對計算機類高層次創新型人才的需求。因此，我們結合計算機專業碩士研究生教學及科研創新能力的要求，改革現有的《高級計算機體系結構》課程教學內容、教學模式及評分模式。
三、課程改革
?。ㄒ唬┙虒W內容改革
一門優秀的課程不是一朝一夕能夠建成的，其教學內容需要不斷錘煉優化，不斷進行更新?！陡呒売嬎銠C體系結構》課程的教學內容應該立足于基礎性和前沿性，重視結合實際案例，與時俱進，及時吸收和反映本學科的最新研究成果，合理地維持“更新與保留”內容的適當比例。
我們基于陳國良老師教材《并行計算機體系結構》的基本內容，進一步補充了多核、眾核、云計算、GPU、TPU等目前已廣泛應用及正在進行研究的高性能計算機體系結構內容，力圖反映該學科的最新成就和發展趨勢。我們應該使碩士研究生從總體結構和系統分析這一角度來研究這些新的高性能計算系統，尤其側重研究這些新的高性能計算系統的各種優化途徑，這將有助于培養學生自上而下地分析問題、解決問題的能力和抽象思維能力。
根據上述教學內容，我們將原有的《高級計算機體系結構》課程教學內容進行壓縮，SMP、MPP、DSM、機群等平臺體系結構知識的講授只占總授課學時的2/3，多核、眾核、云計算、GPU、TPU等前沿技術知識的講授將占總授課學時的1/3。這樣就在教學內容和教學安排上突出了計算機系統結構發展教改成果和這些前沿技術的最新發展成果，有效地支持了對這些前沿技術的研究。
?。ǘ┙虒W方法改革
由于該課程的學習對象是碩士研究生，因此在教學時我們更著眼于培養碩士研究生分析和解決問題的能力。在教學過程中，有意識地培養學生的創新思維能力，提高學生理論聯系實際、發現問題以及靈活獨特地解決問題的能力。
針對上述課程內容的改革，在教學模式上我們作了相應調整，以適應多核、眾核、云計算、GPU和TPU等新技術條件下的計算機體系結構教學。在教學上，對于這些新技術知識的“點”和“面”，重點突出，全面兼顧，采用啟發式教學的方法進行教學，研究改變課堂“填鴨式”教學，充分實現課堂互動方式。
運用啟發式教學，教師列出一些前沿性問題，這些問題甚至還存在爭議或有待進一步解決。讓學生從這些問題出發，搜集文獻和資料、撰寫讀書報告及編寫講課PPT，讓學生們到講臺來講課，闡述自己的觀點和研究內容，然后教師和同學一起討論和點評。通過這種方式讓學生形成一種應用驅動的模式進行自發學習和探索，提高學習積極性，提升教學效果，使學生由被動接收變為主動參與，丟棄“教師講，學生聽”的單一教學模式，從而有助于他們理解研究方法的本質。
?。ㄈ┛荚u模式改革
基于上述教學內容和方法，我們采用了考慮多種評價要素的考評模式。期評成績為多種評價要素的加權和，多種評價要素包括：
A.設置科學、合理的筆試分值項，反映學生對《高級計算機體系結構》課程基本理論知識的掌握程度。
B.設置課堂互動教學環節活躍分值項，鼓勵學生自主學習。
C.設置小論文或研究報告分值項，鼓勵學生結合自己的碩士課題研究方向進行高質量地科研選題及主動學習。
D.設置創新型應用項目分值項，鼓勵碩士研究生參與和《高級計算機體系結構》課程相關的多層次、多元化創新型應用項目，增強理論與實踐相結合的能力。
E.設置學科競賽分值項，鼓勵碩士研究生參加和《高級計算機體系結構》課程相關的計算機學科競賽、計算機軟件能力認證，以激發創新意識和創新思維，提高創新實踐能力。
通過設置多種評價要素分值項，做到評價體系多樣、真實和有效，激發學生學習該門課程的熱情，使最終課程成績能夠真正反映出學生多層面的學習效果。
四、結語
結合碩士研究生教學的特點，把高性能計算機體系結構的前沿技術及時引入教學內容中來，保持教學內容與相關技術的發展進步相一致，使計算機教學能夠及時地進行變革，并采用課堂講授與課題研討、教師引導與學生自主研究相結合等教學形式，再輔以合理、激勵的評分模式，以幫助學生建立系統、完整的專業基礎理論體系，從而激發學生學習和研究的熱情，開拓學生的專業學術視野，使其具備良好的科研創新能力，是《高級計算機體系結構》課程改革需要不斷探索和實踐的課題。
參考文獻：
[1]趙小剛，丁玲.基于FPGA的計算機體系結構課程教學改革研究[J].湖北科技學院學報，2016，36（12）：64-67.
[2]Josué Feliu，Julio Sahuquillo，Salvador Petit.Designing lab sessions focusing on real processors for computer architecture courses：A practical perspective[J].Journal of Parallel and Distributed Computing，2018，（118）：128-139.
[3]陳國良.并行計算機體系結構[M].北京：高等教育出版社，2002.
轉載注明來源:http://www.hailuomaifang.com/9/view-14948779.htm
