《高级计算机体系结构》课程改革探讨
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摘要：随着高性能计算机体系结构的快速发展，出现了与此相关的大量新概念与新技术。因此，在高校硕士研究生教学中需要对《高级计算机体系结构》进行相应改革。文章探讨了新形势下面向计算机专业硕士生的《高级计算机体系结构》课程的教学内容、教学方法与考评模式的改革，以激发学生的学习和研究热情，提高教学效果和教学质量。
关键词：体系结构；高性能计算；课程建设；教学改革
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）28-0080-02
一、引言
《高级计算机体系结构》课程是计算机专业中理论融合性很强的一门课程，主要从软、硬件两个方面考虑，设计和构建合理的软硬件界面，使计算机系统的软、硬件各部件资源整体上发挥最大效用。在广西大学计算机与电子信息学院，《高级计算机体系结构》课程作为计算机科学与技术一级学科学术硕士研究生、计算机技术专业硕士研究生等相关学科专业的专业学位课程，更偏重于并行与分布式计算机等高性能计算机体系结构研究的讲解。
目前，计算机技术日新月异。多核、众核体系结构，以及云计算平台逐渐深入应用，人工智能深度学习平台涉及的高性能GPU和TPU体系结构正在成为热点研究问题，进一步加剧了并行与分布式计算机等高级计算机体系结构的复杂性和多样性，使得高性能程序设计模型和相应软件系统变得更复杂与多样化，给该课程的教学带来了很多问题。
因此，非常有必要改革现有的《高级计算机体系结构》课程教学内容、教学模式及评分模式，以激发学生的学习和研究热情，提高教学效果和教学质量，更好地培养出在高级计算机体系结构方面相关的、满足各社会领域要求的高层次专业人才。
二、课程教学现状
高校本科《计算机体系结构》课程主要讲授指令系统、存储系统、输入输出系统、Cache系统、互连网、任务划分与调度等内容。鉴于课程在学生知识结构中的重要性，许多高校都开设了这门课程，并出现了许多教研成果[1]。但硕士研究生《高级计算机体系结构》课程更多的是从高性能计算机体系结构[2]方面的内容进行讲述，更加强调培养计算机专业学生的抽象思维能力、自顶向下系统分析和创新能力。
目前，广西大学计算机与电子信息学院硕士研究生课程《高级计算机体系结构》采用陈国良老师编著的教材——《并行计算机体系结构》[3]。该教材以当代可扩放的并行计算机系统结构为主题，从硬件和软件的角度，着重讨论了对称多处理机系统、大规模并行处理机系统、机群系统和分布共享存储系统的组成原理、结构特性、关键技术、性能分析、设计方法。该教材内容精练、体系完整，较好地反映了当代可扩放并行计算机系统结构。但目前，计算机技术日新月异。多核、众核、云计算、GPU和TPU等高性能计算体系结构技术层出不穷，该教材没有包括这些前沿技术的介绍，而这些前沿技术正对我们的科技和生活起到了非常重要的促进作用。同时，我们在讲课时，更多的是采用“老师讲、学生听”的单一方式，学生学起来枯燥，理解费劲，无法满足当前信息社会各专业领域对计算机类高层次创新型人才的需求。因此，我们结合计算机专业硕士研究生教学及科研创新能力的要求，改革现有的《高级计算机体系结构》课程教学内容、教学模式及评分模式。
三、课程改革
（一）教学内容改革
一门优秀的课程不是一朝一夕能够建成的，其教学内容需要不断锤炼优化，不断进行更新。《高级计算机体系结构》课程的教学内容应该立足于基础性和前沿性，重视结合实际案例，与时俱进，及时吸收和反映本学科的最新研究成果，合理地维持“更新与保留”内容的适当比例。
我们基于陈国良老师教材《并行计算机体系结构》的基本内容，进一步补充了多核、众核、云计算、GPU、TPU等目前已广泛应用及正在进行研究的高性能计算机体系结构内容，力图反映该学科的最新成就和发展趋势。我们应该使硕士研究生从总体结构和系统分析这一角度来研究这些新的高性能计算系统，尤其侧重研究这些新的高性能计算系统的各种优化途径，这将有助于培养学生自上而下地分析问题、解决问题的能力和抽象思维能力。
根据上述教学内容，我们将原有的《高级计算机体系结构》课程教学内容进行压缩，SMP、MPP、DSM、机群等平台体系结构知识的讲授只占总授课学时的2/3，多核、众核、云计算、GPU、TPU等前沿技术知识的讲授将占总授课学时的1/3。这样就在教学内容和教学安排上突出了计算机系统结构发展教改成果和这些前沿技术的最新发展成果，有效地支持了对这些前沿技术的研究。
（二）教学方法改革
由于该课程的学习对象是硕士研究生，因此在教学时我们更着眼于培养硕士研究生分析和解决问题的能力。在教学过程中，有意识地培养学生的创新思维能力，提高学生理论联系实际、发现问题以及灵活独特地解决问题的能力。
针对上述课程内容的改革，在教学模式上我们作了相应调整，以适应多核、众核、云计算、GPU和TPU等新技术条件下的计算机体系结构教学。在教学上，对于这些新技术知识的“点”和“面”，重点突出，全面兼顾，采用启发式教学的方法进行教学，研究改变课堂“填鸭式”教学，充分实现课堂互动方式。
运用启发式教学，教师列出一些前沿性问题，这些问题甚至还存在争议或有待进一步解决。让学生从这些问题出发，搜集文献和资料、撰写读书报告及编写讲课PPT，让学生们到讲台来讲课，阐述自己的观点和研究内容，然后教师和同学一起讨论和点评。通过这种方式让学生形成一种应用驱动的模式进行自发学习和探索，提高学习积极性，提升教学效果，使学生由被动接收变为主动参与，丢弃“教师讲，学生听”的单一教学模式，从而有助于他们理解研究方法的本质。
（三）考评模式改革
基于上述教学内容和方法，我们采用了考虑多种评价要素的考评模式。期评成绩为多种评价要素的加权和，多种评价要素包括：
A.设置科学、合理的笔试分值项，反映学生对《高级计算机体系结构》课程基本理论知识的掌握程度。
B.设置课堂互动教学环节活跃分值项，鼓励学生自主学习。
C.设置小论文或研究报告分值项，鼓励学生结合自己的硕士课题研究方向进行高质量地科研选题及主动学习。
D.设置创新型应用项目分值项，鼓励硕士研究生参与和《高级计算机体系结构》课程相关的多层次、多元化创新型应用项目，增强理论与实践相结合的能力。
E.设置学科竞赛分值项，鼓励硕士研究生参加和《高级计算机体系结构》课程相关的计算机学科竞赛、计算机软件能力认证，以激发创新意识和创新思维，提高创新实践能力。
通过设置多种评价要素分值项，做到评价体系多样、真实和有效，激发学生学习该门课程的热情，使最终课程成绩能够真正反映出学生多层面的学习效果。
四、结语
结合硕士研究生教学的特点，把高性能计算机体系结构的前沿技术及时引入教学内容中来，保持教学内容与相关技术的发展进步相一致，使计算机教学能够及时地进行变革，并采用课堂讲授与课题研讨、教师引导与学生自主研究相结合等教学形式，再辅以合理、激励的评分模式，以帮助学生建立系统、完整的专业基础理论体系，从而激发学生学习和研究的热情，开拓学生的专业学术视野，使其具备良好的科研创新能力，是《高级计算机体系结构》课程改革需要不断探索和实践的课题。
参考文献：
[1]赵小刚，丁玲.基于FPGA的计算机体系结构课程教学改革研究[J].湖北科技学院学报，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]陳国良.并行计算机体系结构[M].北京：高等教育出版社，2002.
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