宋鑫 张瑜 伊开

[摘 要] 近年来，河北大学以参加“龙芯杯”全国大学生计算机系统能力培养大赛为契机，开展面向计算机系统能力培养的教学改革与实践。通过分析教学改革现状，提出了以竞赛倒逼教学的改革思路，探讨了以竞赛倒逼教学的改革实践：在教学内容组织上分析比赛要求，建立覆盖比赛知识结构的授课内容;在实践教学上设计评分便捷的分层次实验项目，贯彻“软硬件全栈贯通”的思路;在考核方式上不局限于理论考试，引导学生把理论运用于实践。学生考核成绩、参加大赛表现等方面表明，教改活动具有显著的效果。

[关键词] 以赛促学;系统能力培养;软硬件贯通;计算机组成;计算机体系结构

[基金项目] 2018年度河北省高等教育教学改革研究与实践项目“面向系统能力培养的计算机组成与体系结构课程改革与实践”（2018GJJG014）

[作者简介] 宋 鑫（1980—），男，河北石家庄人，博士，河北大学网络空间安全与计算机学院讲师，主要从事信息检索、计算机系统结构研究;张 瑜（1982—），女，河北石家庄人，工学硕士，河北大学数学与信息科学学院讲师，主要从事个性化推荐、大数据研究;伊 开（1965—），男，河北保定人，工学学士，河北大学网络空间安全与计算机学院高级实验师，主要从事计算机系统结构研究。

[中图分类号] TP391.1    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）19-0067-04   [收稿日期] 2020-12-14

一、引言

计算机专业培养的人才首先是计算机系统的设计者，每一代计算技术的发展都是以底层计算机系统的进步为核心的。近年来，人工智能、大数据、物联网、区块链、云计算等技术飞速发展，这些技术的发展是以计算机系统的发展为基础的。如果仅仅侧重学习高层的算法和应用，是无本之木、无源之水。例如，谷歌有世界上最大的人工智能团队，但是团队核心人员是计算机体系结构科学家或者研究者;图计算是大数据处理的热点问题，构建高时效的图计算处理体系结构需要异构混合的内存架构和高能效比的图计算加速器。这些新技术对计算机专业教学提出了更高的要求。近年来中兴、华为的芯片危机，使我国计算机界迫切需要培养底层软硬件技术人才，只有培养出具备较强“系统能力”的计算机专业人才，才能为我国计算机新技术和国家各行各业发展做好支撑。

教育部高等学校计算机类专业教学指导委员会自2017年开始每年举办一次“龙芯杯”全国大学生计算机系统能力培养大赛（以下简称“比赛”）。我校自2017年起连续四年参加了比赛。2018年、2019年、2020年均有队伍进入决赛并获得三等奖。通过参赛我校在计算机系统能力培养方面开展了“以竞赛倒逼教学”的模式，取得了显著的教学效果。

二、教学改革现状

2013年，教育部计算机科学与技术专业教学指导分委员会系统研究组分析了计算机技术发展的特点，介绍系统能力的主要内涵及培养需求，阐述系统能力培养和课程体系设置的总体思路[1]。

系统能力培养活动早期，主要是探索思路。清华大学较早开设了“计算机组成与操作系统”课程的联合实验，要求学生在自己设计的CPU上运行自己设计的操作系统[2]。北京航空航天大学提出“以课程群为中心”的建设模式，介绍了一种新颖的教学方法——工程化综合方法，旨在指导学生开发具有足够规模的系统[3]。北京航空航天大学还提出启发式教学的思路，这是一种从整体功能推进到局部组成，从微观实现抽象到宏观结构的层次化教学内容设计模式，探讨了“计算机组成原理”教学与学生能力培养之间的关系，探索并实践了一种研究性的教学方法[4]。这两所学校提出的改革方案可以很好地锻炼学生独立思考和解决工程问题的能力，但是实验难度较大，普通院校的学生难以完成。南京大学提出了立足“现代”，强调“系统”，注重“设计能力”的教学理念[5]。此外，南京大学还提出了课程群建设的思路[6]。在实践教学上，东南大学提出了虚实结合的实验设备为特点的计算机系统实践平台的框架[7]。华中科技大学、东南大学等院校构建了丰富的MOOC资源。这些在系统能力培养方面的理念和实践，为国内高校计算机专业系统能力培养工作提供了很好的借鉴。

三、以竞赛倒逼教学的改革思路

结合我校生源、师资、课程设置和实验条件，确定了教学改革的思路：通过比赛要求倒逼教学内容，重新组织教学内容;使学生具备基本的计算机系统分析、设计和实现能力。以“数字逻辑和硬件描述语言”课程为基础，以自主设计并实现单周期CPU为核心，利用现有的编译工具编译简单应用，在自主实现的CPU上运行简单应用。相应的课程群包括“数字电路与逻辑设计”“硬件描述语言”“計算机组成与体系结构和操作系统”四门课程。具体的教改目标如下：（1）建立覆盖比赛知识结构的教学体系。参考比赛对软硬件知识体系的需求，组建系统能力培养课组，明确课程任务和边界，理顺课程间知识点衔接，使教学内容能够覆盖比赛要求。（2）建立软硬件贯通的实践体系。采用Logisim方式和硬件描述语言方式并行的思路，前者的学习可以使学生掌握传统电路设计方式，后者的学习可以使学生掌握现代的电路设计方式。两条线都经过硬件、软件和应用三个阶段，在思路和实践上形成了对比，培养了学生的系统能力。（3）建立清晰高效的量化评分体系。针对实践环节检查难、评分难的问题，建立硬件设计评分项目、指令执行能力评分项目，使学生和教师都可以快速评价实践效果。

四、以竞赛倒逼教学的改革实践

以竞赛为抓手，培养组织系统能力，结合课程群各门课程的教学内容，吸取竞赛中实践性较强的内容，在保证知识体系系统性的前提下，对教学内容进行剪裁或增加。

（一）教学内容组织

通过参加比赛倒推出平时教学内容的不足，补充实践性强的知识，加强理论教学和实践的联系。

“硬件描述语言”课程原来侧重于单元实验，而且教学范围是纯硬件的，缺乏软硬件协同工作的教学内容及实践内容，另外，也缺少对自己设计的硬件进行测试的教学内容。针对系统能力培养，硬件描述语言增加了驱动程序及接口配合工作的相关教学内容，见表1。

“计算机组成与体系结构”是系统能力培养的核心课程，在整个体系中起到了承上启下的作用，其教学内容的调整较多，详细内容见表2。

“操作系统”课程的调整主要体现在新增Linux编译、启动引导和运行等相关教学内容，表3列出了详细内容。

通过以上的教学内容组织，使课堂教学内容系统性更强、实践性更强，同时也增强了教学内容的时效性和实用性。

（二）软硬并行的实践教学改革

实践是能力培养最好的课堂。在重新组织理论教学内容的同时，对实验课也进行了改革。改革前系统能力课程群各门课程的实验关联度低。改革后，实践教学采用了Logisim方式和硬件描述语言方式并行的思路，使课程群各课程形成一个系统能力培养的链条。

“计算机组成与体系结构”课程的实验课用Logisim方式替代了传统实验箱。表4对比了“计算机组成与体系结构”传统实验箱实验项目和Logisim方式实验项目。

（三）考核方式改革

目前我校的专业核心课程采取的考核方式，是标准化、规范化的试卷考试，这种考核方式“记忆多，运用少”，学生的动手能力、创新精神、工程实践能力无法体现在考试结果上。对于工科学生来说，这样的考核方式没有起到很好的学习导向作用。为此，部分课程进行了考核方式的改革实践。如“计算机组成与体系结构”课程把一项“综合设计成绩”作为期末成绩的一部分。综合设计有一定难度，需要软硬件结合，必须具备一定的工程实践能力。教学改革后，采用的考核评价标准为：总成绩=平时成绩×20%+综合设计成绩×30%+期末考试成绩×50%。由易到难设定三个层次的“综合设计”实现目标，学生可以根据自己的情况选择目标，并书写设计报告，进行简单的答辩。

五、教学改革效果

以“计算机组成与体系结构”课程的教改为例。教改效果首先体现在理论教学上。教改实践分别在2018—2019学年秋季学期和2019—2020学年秋季学期开展。第一期计算机类共四个班，其中两个班开展教改活动;第二期计算机类共六个班，其中两个班开展教改活动。

两期教改班期末平均成绩分别为73和78，两期非教改班期末平均成绩分别为60和63。教改班的期末成绩明显优于非教改班。2019—2020学年秋季学期的学生成绩，教改班卷面成绩和实验成绩各取前20名的成绩对比，卷面成绩最好的前20名同学，实验成绩平均分达到了89分;实验成绩最好的20名同学，卷面成绩平均分是75分。数据显示，教改班理论课和实验课两项成绩前20名学生的重叠率远低于非教改班，教改班理论成绩相对低的学生拿到的实验成绩要远高于非教改班。非教改班理论课成绩高的同学，实验课成绩也高。教改后的实验项目均为贴合比赛内容的设计性实验，对学生的系统能力提出了要求，“死学”理论、系统能力较差的同学难以取得好的实验成绩。

教改效果在参加比赛的队伍表现上也有显著体现。在完成作品的时间和质量上对比了2018至2020年队伍的表现。2019年设计的CPU主频提升到了110MHz，位居21支决赛队伍的第2名，两队性能分均进入预赛前10名。2020年虽然频率没有提升，但是性能分有小的提升。另外一个设计CPU的变化是编码时间显著缩短。2018年两个队伍的编码时间都在30天左右，2019年两队编码时间均缩短到15天左右，2020年进一步缩短到14天。分析原因，我们认为平时教学中引入比赛内容，强化了学生的工程实践能力和独立思考能力，学生在实践中展现了较强的系统能力提升。

六、結语

经过几年的系统能力培养改革与实践，厘清了系统能力培养思路，取得了显著的教学效果。我们的教学改革实践可以为非重点院校开展计算机系统能力培养提供有益的借鉴。总结我们的工作经验有以下几点：理论课扩展比赛内容，打通理论知识与实际应用，引导学生思考“计算机组成”“编译原理”和“操作系统”等课程的关系，初步建立“系统观”;实践课引入设计性工具，改验证性实验为设计性实验，培养学生融会贯通软硬件技术及独立思考、独立解决工程问题的能力;建立清晰高效的量化评分体系，便于学生自我评测、自我改进设计。通过以上环节的工作，提升了学生的“系统能力”。今后我校将在教学内容上逐步深化，在实验开展上设计适合课堂练习的编译器、监控系统、操作系统实验框架，进一步完善计算机核心课程教学内容的衔接，逐步开展跨课程的综合设计实践，强化学生的系统能力，探索计算机专业改造升级的实施路径，提高学生适应新经济发展的整体素质和能力，不断提升人才培养质量。

参考文献

[1]王志英，周兴社，袁春风，等.计算机专业学生系统能力培养和系统课程体系设置研究[J].计算机教育，2013（9）：1-6.

[2]刘卫东，张悠慧，向勇，等.面向系统能力培养的计算机专业课程体系建设实践[J].中国大学教学，2014（8）：48-52.

[3]高小鹏.计算机专业系统能力培养的技术途径[J].中国大学教学，2014（8）：53-57.

[4]刘旭东，熊桂喜.“计算机组成原理”的课程改革与实践[J].计算机教育，2009（7）：76-78.

[5]袁春风，张泽生，杨若瑜，等.“计算机组成与系统结构”课程建设思路与教学实践[J].计算机教育，2012（2）：66-70.

[6]袁春风，黄宜华，武港山，等.“计算机组成与体系结构”课程群建设实践[J].计算机教育，2010（13）：84-87.

[7]杨全胜，翟玉庆，舒华忠，等.贯通式与虚实结合的计算机系统实践平台建设[J].计算机教育，2018（1）：19-24.

Teaching Reform and Practice of Computer System Ability Training： The Model of “Promoting Learning by Competition”

SONG Xina， ZHANG Yub， YI Kaia

（a.School of Cyber Security and Computer， b. School of Mathematics and Information Science， Hebei University， Baoding， Hebei 071000， China）

Abstract： In recent years， Hebei University has taken the opportunity of participating in the “Loongson Cup” National College Students Computer System Ability Training Competition to carry out teaching reform and practice of computer system ability training. By analyzing the current teaching reform， the idea of “promoting teaching by competition” is proposed， and the reform practice of “promoting teaching by competition” is discussed： to analyze the competition requirements in the organization of teaching content and establish the teaching content covering the competition knowledge structure; to design convenient hierarchical experiment projects in practice teaching， and implement the idea of “full stack of software and hardware”; the way of assessment is not limited to theoretical examination， and students should be guided to apply theory into practice. The students assessment results and performance in the competition and other aspects show that the teaching reform activities have achieved significant results.

Key words： “promoting learning by competition”; system ability training; hardware and software connection; computer composition; computer architecture