高水平《计算机体系结构》课程建设的改革与实践

王 琼 沈 立 张春元 王志英

（国防科技大学计算机学院 湖南·长沙 410073）

计算机体系结构是计算机大类专业一门重要的系统级课程，重点讲述现代大多数计算机系统都采用的比较成熟的结构，主要内容包括计算机体系结构和并行性等基本概念、计算机指令系统的设计方法、流水线及指令级并行技术、向量处理机结构和性能模型、存储层次、多处理机和关键技术、集群计算机及典型案例等。通过学习计算机体系结构，学生将建立起计算机系统的整体概念，包括概念性结构与功能特性。然而本课程具有内容抽象、实践要求高等特点，导致教学具有“很难教、不易学、难学好”等难点。

国防科技大学计算机学院依托计算机科学与技术一流学科（在历次全国一级学科评估中名列前茅，2016年A+、入选“双一流”）和一流专业（2010年入选卓越工程师计划，2014年通过国家工程教育专业认证），坚持教学科研相结合，大力推动教学改革，开展高水平《计算机体系结构》课程建设，强化计算机专业学生的系统能力培养。通过学习该课程，学生将掌握计算机系统，包括单机系统和多机系统的基本原理、基本结构、基本设计方法和基本分析方法，特别是量化的分析方法，最终形成设计、集成和构造计算机系统的解决复杂工程问题的能力。

2004年，国防科技大学计算机学院《计算机体系结构》课程入选首批全军优质课程，2005年评为国家精品课，是全国首门计算机体系结构精品课程，2013年评为国家精品资源共享课。本文以国防科技大学计算机学院建设高水平《计算机体系结构》课程的具体实践为案例，总结经验做法，提出若干课程建设建议。

1 课程建设情况

国防科技大学计算机学院《计算机体系结构》课程主要面向计算机科学与技术、软件工程和网络工程等专业的大三学生，先修课程为计算机原理，后续的课程是嵌入式系统、并行计算机系统、计算机系统性能评价等，主要教材是清华大学出版社出版的《计算机体系结构》（第2版），由国防科技大学王志英、张春元、沈立、肖晓强、姜晶菲几位老师联合撰写。该课程始终坚持科研实践与理论教学紧密结合，从工程经历和科研成果中提取教学案例，设计实验方案，打造高水平教学团队，编写高水平教材，将本课程建成国家级精品课程，并以本课程为基础打造了本硕博贯通的计算机体系结构课程体系。2014年以来，本课程结合计算机科学与技术一级学科建设、工程教育专业认证等工作，以培养系统能力特别是解决复杂工程问题的能力为目标，更新教学理念、调整内容体系、改革教学方法，同时建设课程资源和教材，充分发挥国家级精品课程的引领示范作用。

1.1 以目标产出导向和持续改进理念等指导课程建设和改革

目标产出导向、持续改进都是国家工程教育专业认证的核心理念，强调课程建设应以学生达到毕业要求为目标，并根据教师、学生、督导的意见和建议及时改进。结合本领域的发展实际，本课程确定了“培养复杂工程能力特别是解决计算机系统设计和实现相关复杂工程问题能力”相关的毕业要求，并以此指导课程建设，组织教学活动，实施教学评价。

持续改进方面，采用线上线下两种方式相结合的手段来实现课程建设和改革方法的不断改进。基于 EduCoder在线平台，建立课程、布置作业、发布测试题等。课上通过雨课堂发布课件、随堂布置习题、现场提问等方式来了解学生知识掌握情况，检验知识点的教学效果并同步进行调整。课后通过发放线上课程调查问卷的方式收集学生对课程和教学方式的看法，根据反馈结果来调整课程建设思路和实施方法，提升课程改革效果。

1.2 以系统能力培养为目标，改革教学内容

本课程是计算机专业一门非常重要的系统级课程。因此，培养学生系统能力，特别是解决计算机系统设计和实现相关复杂工程问题的能力，是本课程的主要目标之一。本课程围绕这一目标对教学内容和实验内容进行相应的更新，及时将多核处理器、GPU、集群、DSA等内容引入课堂，使学生全面了解典型计算机系统体系结构及工作原理，并以时钟精度软件模拟器的设计和实现为基础，增加了指令系统设计、专用指令扩展、指令级并行、Cache一致性协议等实验内容，填补了国内同类课程空白。

本课程的负责人和主讲教师王志英教授是国家精品课、国家精品资源共享课“计算机体系结构”负责人，率先在国内高效发起系统能力培养的计算机类专业课程教学改革，数百所国内高校参与。2017年，因在计算机系统能力培养的突出贡献，王志英教授获得中国计算机学会杰出教育奖。

1.3 以一流科研支撑一流课程建设

计算机学院长期承担超级计算机、高性能处理器、操作系统等为代表的国家重大工程项目，取得了以银河巨型计算机、天河超级计算机、飞腾处理器、麒麟操作系统等为代表的一系列具有影响力的科研成果。本课程坚持以一流科研成果支撑课程建设，科研教学协同育人，采用现场教学、师徒帮带等形式使研究生近距离接触银河、天河等科研团队，由科研团队成员亲自指导和评价。

将天河2号、国产飞腾处理器和麒麟操作系统等作为案例引入课堂教学，以国产自主处理器和操作系统为核心打造课程实验平台，形成鲜明的国产化特色。如在讲解“测试程序”相关内容时，从TOP500排行榜出发，介绍超级计算机的性能测试集Linpack以及计算机学院天河超级计算机面向该测试集所做的体系结构优化。此外，邀请国产飞腾处理器研制团队的一线科研人员结合自身科研经历做“领域专用体系结构”的主题报告，介绍相关领域的国内外前沿进展、他们在科研攻关经历中遇到的体系结构领域挑战问题，以及攻克这些难关的方法。

1.4 开展课程思政建设

以“弘扬银河精神，传承红色基因”为目标，结合课程教学内容和教学模式，采用类比讲解、举例讲解、案例教学、参与式教学等多种形式教学方法，从计算机学院长期以来承担的银河系列巨型计算机系统、天河系列超级计算机系统、飞腾系列CPU和DSP、麒麟操作系统等国家重大工程项目的研制经历中提取课程思政元素，将科研无缝融入课程教学，实现专业教学内容和思政元素的深度融合，做到润物细无声。比如在“指令系统的发展和改进”这一教学内容中，首先以国防科大计算机学院研制的加速器中所用的超越函数指令为例，讲解增强运算型指令的收益，同时加强学生对计算机学院科研成果的了解和认可；其次以飞腾、龙芯、申威等国产CPU为例，使学生了解国产 CPU的现状以及进一步发展自主指令集所面临的专利、制造等“卡脖子”问题，使学生意识到国家发展国产自主CPU的道路依然充满挑战，需要大量的科研、教学人员为之努力奋斗。

2 课程特色与创新

2.1 建设了“高水平计算机体系结构”课程体系

充分借鉴和吸收国际一流大学相关课程的精华，内容上与国际计算机体系结构领域的最新进展保持一致，建设了本、硕、博打通的高水平课程体系，“高级计算机体系结构”2019年入选湖南省优质研究生课程。建设了包括“计算机体系结构”（本）、“高级计算机体系结构”（硕）、“计算机体系结构实验”（硕）、“面向体系结构的软件优化实验”（硕）、“计算机体系结构前沿技术”（博）在内的本、硕、博贯通的高水平课程体系。

本科生课程以建立计算机体系结构概念、培养系统设计能力和性能评价能力为主。研究生课程深入讨论指令级并行、数据级并行和进程级并行开发技术，以及有效支撑这些并行性开发的体系结构技术。在理论学习的基础上，研究生阶段还建设了两门实验课，其中“计算机体系结构实验”重点关注体系结构的设计和实现，“面向体系结构的软件优化实验”重点关注如何充分发挥体系结构的性能。博士生课程则以介绍近年来体系结构领域的前沿进展为主。

2.2 理论与实践紧密结合

主讲教师长期工作在教学科研一线，主要研究方向为计算机系统结构和微处理器设计等，主持国家自然科学基金、国家973重大基础研究、国家863高技术研究等多个计算机体系结构相关项目，具有丰富的科研实践经验。课程深入结合本单位几十年来从事计算机系统研制的雄厚积累，在保持基本内容基础上，引入来自科研成果的新的内容和典型实例，体现了理论与实践的紧密结合的教学基本要求，使得课程教学更加生动，还有助于激发学生潜能。

比如讲授向量处理机相关内容时，课程结合计算机学院研制的我国首台亿次巨型计算机银河-I，介绍银河-I在双向量阵列结构等方面所做出的体系结构创新，帮助学生更好的理解向量处理机的知识点。此外，课程在介绍异构多核处理器相关知识时，则结合计算机学院研制的我国首台千万亿次超级计算机天河1号，通过介绍天河1号所采用的CPU+GPU异构多核体系结构，使得学生更好的理解和掌握异构平台在性能加速方面的原理和优势。

2.3 同步建设高水平教材

本课程的教材是“十一五”“十二五”国家级规划教材，是课程主讲教师多年来从事计算机体系结构科学研究、课程建设和教学工作的结晶。教材的编写充分借鉴和吸收了国际上计算机体系结构领域公认教材的重要精华之处，做到了在内容上与国际计算机体系结构课程教学内容的协调一致，并且符合教育部高等教育计算机科学与技术教学指导委员会发布的《高等学校计算机科学与技术本科专业规范》对该课程的要求，教学目标定位清晰。

教材设计立体化，促进学生对理论知识和实践能力的掌握。配套有实验指导教材、教师教学和习题指导教材、教学课件等。教材内容覆盖合理，组织恰当，符合教学规律。在内容组织上做到“因材施教”，重点突出、难点分散。教材在国内计算机体系结构教学中有着很好的引领和示范作用，多所高等学校采用此书作为课程教材。

3 课程建设成果通过教学改革，教学质量提升显著，能力培养成效突出

3.1 学生解决复杂工程问题的能力得到显著提升

学生能够有效利用现代工具解决所遇到的问题，从最基本的计算机模拟器实现、DLX处理器的指令系统和指令编码方案确定、单流出的5级32位dlx整数流水线以及在FPGA平台上的仿真，到更多高级功能模块的实现，包括计算机体系结构课程中介绍的开发指令级并行和数据级并行的硬件机制、Cache等，如DLX浮点流水线、记分牌算法、VLIW技术、分支目标缓冲器、SIMD指令扩展等。开发出可用的时钟精度软件模拟器，实现流水线、分支预测、Cache等基本模块以及动态指令调度或多核结构Cache一致性协议等高级模块，代码规模超过1.5万行，代码软件质量优。

3.2 教改成果产生重要影响力

获国家教学成果二等奖2项，军队和湖南省教学成果一等奖各1项；出版的一套教材（主教材、教学指导和习题解答、实验教材）入选“十一五”“十二五”国家规划教材，被国内100多所高校的计算机学院、软件学院、信息科学与技术学院、电信工程学院等的计算机类专业、自动化及电子信息专业选用，具有很强的辐射作用和影响力。学院牵头全国计算机系统能力培养改革，负责制定国家计算机体系结构课程规范。本课程的负责人和主讲教师王志英教授率先在国内高效发起系统能力培养的计算机类专业课程教学改革，数百所国内高校参与。多次受邀在全国性教学会上做特邀报告或进行课程导教，介绍课程建设和教学经验。

3.3 课程思政建设取得显著成效

本课程率先开展课程思政建设改革，结合计算机学院在银河、天河等重大项目中的科研攻关经历，建设了课程思政案例库，弘扬银河精神，2020年以总分第一的成绩入选国防科技大学课程思政示范课程。2021年1月，在全军课程思政研讨会上做专题报告“弘扬银河精神，传承红色基因——计算机类专业课程思政的实践”，介绍计算机类专业课程思政建设经验，受到与会专家和教师的高度肯定。张春元教授多次在工程教育专业认证培训会上面向国内高校计算机类专业建设团队介绍“专业课程思政建设与自评”部分的撰写经验。

4 进一步提升课程建设的若干建议

4.1 改进教学设计、提升教学质量

基于收集到的反馈，发现课程教学中的问题和不足，综合运用类比讲解、举例讲解、案例教学、参与式教学等手段，改进课堂教学、实践教学方法、实践教学设计及要求，完善过程性评价方法，切实提升能力培养成效。完善本课程已初步形成的依托学生和教师的内部反馈机制，以及依托督导的外部反馈机制，同时利用教学平台收集分析学生的学习过程数据，探究教学规律，分析教学成效和不足，用于指导课程改进。

4.2 丰富教学资源、更新课程教材

依托在线教学平台，更新已有的教学资源，包括教学课件、教学视频、习题实验、论文资料等，新增教学案例、设计实例等资源。结合本领域的最新进展、本单位的最新科研工作和成果，编写出版新一版教材，包括主教材、教学指导和习题解答、实验指导等，体现课程知识体系的完整性、前沿性和时代性。

4.3 制定课程规范、宣传推广应用

根据专业发展、社会需求和产业要求，结合课程教改成果，制定国家计算机体系结构课程规范和标准，支撑计算机科学与技术、微电子科学与技术、集成电路设计与集成系统等相关专业的人才培养。通过积极组织和参加全国范围的教学研讨会、课程导教班等活动，在全国性教学会上做报告或进行课程导教，介绍课程建设和教学经验。向国内同行分享课程建设成果经验、教学方法和课程资源，充分发挥国家级精品课程的引领示范作用。

4.4 创新思政建设、培养学生意识

深化课程设计，使思政元素或案例与教学内容之间的关联更加紧密，探索课程思政目标与课程内容相融合的量化评估。深化课程思政教学效果评价机制，除课堂评价外，还将其纳入毕业生综合评价体系，且持续到毕业后若干年。具体在思政元素上可以多结合时政热点开展，如回顾“中兴事件”“华为事件”，使学生们在理解与掌握集群计算机体系结构及其特点的同时，意识到虽然国家在信息技术的某些领域已经达到或者接近国际一流水平，但在其他领域，依然面临着严峻挑战，甚至被“卡住了脖子”。学生应该具有足够的忧患意识，国家也需要通过基础研究和原始创新来应对这些挑战。

5 结语

本文对国防科技大学计算机学院建设高水平《计算机体系结构》课程实践情况进行了总结，具体从课程建设内容与成果、课程特色与创新、下一步完善措施等方面展开介绍了课程的建设情况和未来计划。在下一步工作中，将进一步更新教学理念，调整内容体系，改革教学方法，提高计算机体系结构课程建设水平。