計算機(jī)硬件課程體系的改革與創(chuàng)新
0引言
云計算技術(shù)被稱為IT的第三次變革，正在改變?nèi)藗儷@取信息技術(shù)和軟件能力的模式，降低各行各業(yè)信息化的門檻。傳統(tǒng)的用戶通常通過購買并擁有計算機(jī)等IT產(chǎn)品開發(fā)或完成自己的業(yè)務(wù)。云計算技術(shù)隨著處理器技術(shù)、分布式存儲技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和自動化管理技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生，與計算機(jī)專業(yè)一些傳統(tǒng)課程有著非常密切的關(guān)系，能為相關(guān)課程提供良好的實驗環(huán)境，開拓學(xué)生視野，幫助學(xué)生對知識有更深層次的理解。
1計算機(jī)硬件課程體系改革的必要性
在計算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展的時代，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的動手能力，強(qiáng)化學(xué)生的創(chuàng)新意識，增加實用和新穎的實踐環(huán)節(jié)，是新形勢下培養(yǎng)學(xué)生的重要手段。計算機(jī)硬件核心課程包括數(shù)字邏輯、計算機(jī)組成原理、微機(jī)原理與接口技術(shù)、計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等，這些同時也是計算機(jī)專業(yè)中的核心課程，具有理論性強(qiáng)、應(yīng)用廣且與實踐聯(lián)系緊密等特點。課程體系的建立和課程結(jié)構(gòu)是否合理，對于硬件知識的教與學(xué)有著很重要的影響。從以前的教學(xué)情況看，一些硬件的核心課程協(xié)調(diào)不夠，相關(guān)問題可歸納為:①未將目前的先進(jìn)技術(shù)恰當(dāng)?shù)丶{入課程體系;②實驗環(huán)境比較傳統(tǒng)，實驗內(nèi)容不夠新穎，在吸引學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性實驗上顯得不足;③相關(guān)課程內(nèi)容銜接不夠緊密，試圖各自封閉，部分教學(xué)內(nèi)容簡單重復(fù)，未能進(jìn)行全局規(guī)劃。
解決上述幾個問題的關(guān)鍵在于整體規(guī)劃，以系統(tǒng)構(gòu)建為主線，適當(dāng)引入新技術(shù)并配以適當(dāng)?shù)膶嵺`體系，引導(dǎo)學(xué)生積極實踐、自主學(xué)習(xí)，激發(fā)其創(chuàng)新精神。
2利用優(yōu)質(zhì)資源，建設(shè)計算機(jī)硬件課程體系
計算機(jī)專業(yè)應(yīng)注重學(xué)生計算思維、算法設(shè)計與分析、程序設(shè)計與實現(xiàn)以及系統(tǒng)能力的培養(yǎng)，其中82個能力點中有62個能力點是系統(tǒng)能力，包括系統(tǒng)的認(rèn)知、設(shè)計、開發(fā)和應(yīng)用4方面。教師可以利用優(yōu)質(zhì)資源，建設(shè)計算機(jī)硬件課程體系，促進(jìn)對學(xué)生系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。
IBM公司于20xx年12月與北京工業(yè)大學(xué)合作建設(shè)云計算實驗平臺。該平臺采用硬件設(shè)備虛擬化、軟件版本標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)管理自動化和服務(wù)流程一體化等技術(shù)，為計算機(jī)硬件課程體系中的相關(guān)課程提供極佳的教學(xué)和實驗環(huán)境。計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、計算機(jī)組成原理、并行計算、高性能計算、網(wǎng)格計算、云計算等課程涵蓋現(xiàn)今計算機(jī)硬件領(lǐng)域的最新課程與技術(shù)。
課程體系建設(shè)中，教師重點從各課程中涉及云計算技術(shù)的不同角度，調(diào)整課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式，比較全面地介紹計算機(jī)系統(tǒng)技術(shù)，幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)一系列軟件課程的基礎(chǔ)上深入理解計算機(jī)基本原理，從基礎(chǔ)到應(yīng)用為學(xué)生建立完整的計算機(jī)系統(tǒng)概念。
計算機(jī)硬件課程體系的最底層是電子與電路技術(shù)和數(shù)字邏輯，這兩門課程是整個體系的基礎(chǔ)知識，作為計算機(jī)專業(yè)的入門課程，為之后學(xué)生學(xué)習(xí)和理解計算機(jī)部件、接口器件等的工作原理打下基礎(chǔ)。計算機(jī)組成原理和計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程幫助學(xué)生深入理解計算機(jī)各功能部件的組成及實現(xiàn)原理，建立起計算機(jī)整機(jī)概念;掌握從計算機(jī)軟硬件界面開始進(jìn)行計算機(jī)整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的原理;學(xué)會機(jī)器語言設(shè)計、功能部件設(shè)計和計算機(jī)整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計。這兩門課程的教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力和自頂向下、系統(tǒng)分析和解決問題能力。在此基礎(chǔ)上，操作系統(tǒng)課程介紹計算機(jī)系統(tǒng)如何對內(nèi)部資源進(jìn)行管理及為用戶提供使用計算機(jī)資源的手段。其中，計算機(jī)組成原理被評為教育部微軟精品課程，計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)被評為教育部Intel精品課程，另外，數(shù)字邏輯、計算機(jī)組成原理、計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)均為北京工業(yè)大學(xué)精品課程。
微機(jī)接口技術(shù)幫助學(xué)生了解微型計算機(jī)系統(tǒng)與外界I/O接口方式，匯編語言根據(jù)課程性質(zhì)設(shè)置為自學(xué)課程，為學(xué)生設(shè)計實驗環(huán)節(jié)，讓學(xué)生經(jīng)過分析、設(shè)計、編程、調(diào)試等環(huán)節(jié)獨立完成4個實驗項目，進(jìn)而加深對匯編語言程序設(shè)計相關(guān)概念以及關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用技巧的理解，最終具備利用匯編語言設(shè)計和調(diào)試實際問題的能力。在該課程體系中，處于最頂層的各門課程更注重學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)，在計算機(jī)課程設(shè)置上具有一定特色，涵蓋嵌入式系統(tǒng)、可編程芯片技術(shù)、高檔微機(jī)原理與技術(shù)、多核計算、機(jī)群計算、并行計算等方面知識，是當(dāng)今計算機(jī)硬件體系以及計算機(jī)科學(xué)技術(shù)中發(fā)展最快、最有應(yīng)用前景的幾個分支。
上述計算機(jī)硬件課程體系結(jié)構(gòu)具有以下幾個主要特點:①分清層次以及課程的先后關(guān)系，明確先修課，保證內(nèi)容的緊密銜接;②重視體系的系統(tǒng)性和先進(jìn)性，突出培養(yǎng)應(yīng)用型人才的特點;③將計算機(jī)組成原理和匯編語言設(shè)計分開，設(shè)置匯編語言自學(xué)課程，提高學(xué)生動手能力和自學(xué)能力;④貫徹以基礎(chǔ)知識為核心、理論結(jié)合實際的思想，設(shè)置兩門大型課程設(shè)計，促進(jìn)知識的融會貫通。
3發(fā)揮資源優(yōu)勢，構(gòu)建相適應(yīng)的實驗體系
上述課程相關(guān)知識的系統(tǒng)教學(xué)可以幫助學(xué)生了解計算機(jī)系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成。在改革過程中，教師可以重點加大實踐環(huán)節(jié)的設(shè)置，包括電路與電子技術(shù)實驗、數(shù)字邏輯實驗、計算機(jī)組成原理實驗、計算機(jī)組成原理課程設(shè)計和計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗，總共達(dá)125學(xué)時，尤其是計算機(jī)組成原理的課程設(shè)計可以達(dá)到國內(nèi)高校先進(jìn)水平，撰寫的實踐教材也在多家高校采用。通過在EDA平臺上進(jìn)行一臺模型計算機(jī)的設(shè)計、封裝和調(diào)試，包括總體結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)通路、指令系統(tǒng)、微操作命令、時序系統(tǒng)、控制部件等部分;在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實現(xiàn)硬件輸入輸出部件的功能設(shè)計并下載到FPGA芯片中進(jìn)行計算機(jī)整機(jī)的測試及驗證，學(xué)生能夠掌握設(shè)計、實現(xiàn)及調(diào)試計算機(jī)整機(jī)系統(tǒng)的基本步驟和方法，提高分析和解決問題的能力，為提高計算機(jī)硬件動手實踐能力打下堅實基礎(chǔ)。
目前，北京工業(yè)大學(xué)可以為學(xué)生提供優(yōu)質(zhì)的實驗資源，其中高性能計算平臺和云計算平臺遵循分區(qū)規(guī)劃、統(tǒng)一管理的建設(shè)思路，總計算能力達(dá)到23TFlops，總存儲能力達(dá)到40TB，目前規(guī)模位居全國高校第四。
該實驗環(huán)境下，學(xué)生可以利用虛擬化技術(shù)，以虛擬機(jī)形式為用戶提供所需的.計算資源和基礎(chǔ)軟件運(yùn)行環(huán)境，實現(xiàn)硬件資源和軟件資源的動態(tài)分配、自動部署、統(tǒng)一監(jiān)控和統(tǒng)一備份。這些環(huán)境為計算機(jī)硬件課程體系建設(shè)提供先進(jìn)實用的實驗環(huán)境并利于創(chuàng)新性實驗的開展。計算機(jī)硬件系列課程改革中，教師將一部分課程實驗設(shè)置在云計算平臺環(huán)境中進(jìn)行，充分利用虛擬化技術(shù)、高性能計算技術(shù)、自動部署技術(shù)等開展創(chuàng)新性實驗環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生興趣，提高動手能力，拓寬學(xué)生視野。
計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程實驗的主要目的是驗證理論教學(xué)中高速緩存技術(shù)、流水線技術(shù)和多核技術(shù)的相關(guān)知識。由于多個實驗涉及不同的系統(tǒng)軟件和平臺軟件，包括Windows, Linux,WinDLX, SimpleScalar等，在以往的實驗環(huán)境中給學(xué)生帶來不便。有了云計算平臺以后，學(xué)生可以利用云計算平臺中的IBM B1ueCloud虛擬機(jī)，為用戶提供計算資源和基礎(chǔ)軟件運(yùn)行環(huán)境，實現(xiàn)硬件資源和軟件資源的動態(tài)分配、自動部署、統(tǒng)一監(jiān)控和統(tǒng)一備份，實現(xiàn)上述平臺的無縫連接，同時能使學(xué)生在此基礎(chǔ)上利用先進(jìn)的計算機(jī)軟件以及平臺提供的數(shù)據(jù)存儲空間和計算資源，對計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的流水線技術(shù)、高速緩存技術(shù)、多核技術(shù)等進(jìn)行自主實驗和開發(fā)。
機(jī)群計算課程實驗主要與理論教學(xué)中機(jī)群系統(tǒng)單一系統(tǒng)映像核心功能的設(shè)計與實現(xiàn)、面向企業(yè)機(jī)群的高可用技術(shù)和面向科學(xué)計算機(jī)群的作業(yè)管理技術(shù)相結(jié)合，幫助學(xué)生加深對機(jī)群體系結(jié)構(gòu)及核心技術(shù)的理解，掌握機(jī)群構(gòu)建、測試及管理維護(hù)的基本方法;通過安裝、配置Linux操作系統(tǒng)中的Heartbeat服務(wù)，實現(xiàn)機(jī)群系統(tǒng)的雙機(jī)高可用功能，同時培養(yǎng)工程實踐能力。這些實驗必須在上述云計算平臺和高性能計算平臺中進(jìn)行。
云計算課程實驗與理論教學(xué)云計算平臺中的系統(tǒng)虛擬化技術(shù)內(nèi)容相結(jié)合，主要包括基于Eucalypus的IaaS級云計算平臺的構(gòu)建、配置與使用，基于Hadoop的PaaS級云計算平臺構(gòu)建及應(yīng)用開發(fā)，基于Tomcat的Web服務(wù)開發(fā)及其在云計算平臺的部署。學(xué)生通過實驗可以加深對云計算服務(wù)層次結(jié)構(gòu)及核心技術(shù)的理解，掌握云計算平臺構(gòu)建、使用及管理維護(hù)的基本方法。這些實驗在云計算平臺提供的實驗環(huán)境中可以以服務(wù)的形式，面向用戶多樣化的應(yīng)用需求，提供定制的個性化運(yùn)行環(huán)境，從而使學(xué)生充分發(fā)揮自己的創(chuàng)新能力。例如，教師可以引導(dǎo)學(xué)生針對部署好的環(huán)境制作虛擬機(jī)鏡像并上傳，通過遠(yuǎn)程登錄方式驗證虛擬機(jī)鏡像實例創(chuàng)建和運(yùn)行的正確性，利用瀏覽器遠(yuǎn)程訪問方式驗證Web服務(wù)開機(jī)自啟動的正確性。類似的創(chuàng)新實驗也可以在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行，以拓寬學(xué)生視野。
4建設(shè)成效
課程體系改革、計算機(jī)領(lǐng)域新技術(shù)融入的最直接效果就是大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。前些年各種條件的限制給教學(xué)帶來很大困難，經(jīng)過幾年的教學(xué)改革與實踐，實驗設(shè)備的更新、課程內(nèi)容的改革、教學(xué)模式的建立、教學(xué)方法的改變以及實踐環(huán)節(jié)的設(shè)置都提高了學(xué)生對計算機(jī)硬件課程的興趣，很多學(xué)生參加相關(guān)的硬件課程設(shè)計大賽，取得很好的成績。北京工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊于20xx年、20xx年參加IBM杯并行計算大賽，分別獲得一等獎和二等獎，20xx年參加微軟全國高性能計算大賽，獲得第6名。同時，近幾年的專家和學(xué)生評教結(jié)果顯示各門課程均由原來的良好提升為優(yōu)秀，說明計算機(jī)硬件系列課程改革得到專家和學(xué)生的認(rèn)可。
另外，由于近幾年我們的教材建設(shè)取得顯著成果并在國內(nèi)外的教學(xué)會議上進(jìn)行推廣，部分教材已在北京航空航天大學(xué)、北京科技大學(xué)等相關(guān)院校采用并取得良好教學(xué)效果，也為北京工業(yè)大學(xué)的計算機(jī)硬件課程建設(shè)提供了良好支持。在項目建設(shè)過程中，我們獲批1項教育部Intel精品課程、1項教育部微軟精品課程、2本北京高等教育精品教材、北京工業(yè)大學(xué)優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊、3門北京工業(yè)大學(xué)精品課程、1項北京高等教育精品教材建設(shè)立項，出版3本普通高等教育十一五國家級教材清華大學(xué)出版社系列教材;完成8項北京工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)研究項目，其中1項是重點項目;20xx年至今獲得3項北京工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)成果獎;總結(jié)計算機(jī)硬件體系課程在近年來教學(xué)研究和實踐的成果，發(fā)表30余篇教育教學(xué)研究論文。
5結(jié)語
該課程體系改革提高了教師的授課積極性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，科學(xué)的課程體系和課程內(nèi)容也更吸引學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)知識并促進(jìn)學(xué)生自主實踐和創(chuàng)新。通過科學(xué)地構(gòu)建基于云計算平臺和高性能計算平臺的相關(guān)課程實驗，為學(xué)生提供優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源和先進(jìn)的實驗環(huán)境，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，開闊學(xué)生視野，也為北京工業(yè)大學(xué)計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的發(fā)展提供良好平臺。在此基礎(chǔ)上，我們將進(jìn)一步整合整個硬件課程，建立更完善的硬件課程體系，為學(xué)生提供更優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源。
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