以計(jì)算思維能力為導(dǎo)向的硬件課程體系建設(shè)

賀蓮+龔奕利+蔡朝暉+劉樹波

摘 要：培養(yǎng)動(dòng)手實(shí)踐能力是硬件教學(xué)的重點(diǎn)之一，但在實(shí)際的硬件課程學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生普遍存在興趣低、知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用性不足等問題。文章提出對(duì)原有硬件課程體系進(jìn)行改進(jìn)，增加計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)課程，調(diào)整體系中各門課程的知識(shí)點(diǎn)結(jié)構(gòu)與內(nèi)容，將計(jì)算思維融入整個(gè)教學(xué)過程，從知識(shí)點(diǎn)在問題求解中的作用入手，引導(dǎo)學(xué)生建立系統(tǒng)觀念，明確所學(xué)知識(shí)的實(shí)際用途，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)硬件課程體系；計(jì)算思維；系統(tǒng)概念

0 引 言

長期以來，培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力一直是硬件教學(xué)的一個(gè)重點(diǎn)。在實(shí)際教學(xué)過程中，除了實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)之外，理論教學(xué)也非常重視對(duì)學(xué)生解決問題能力的引導(dǎo)。2006年3月，美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真（Jeannette M. Wing）教授在美國計(jì)算機(jī)權(quán)威期刊《Communications of the ACM》上撰文描述了計(jì)算思維（computational thinking）：計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和人類行為的理解。這篇文章從多個(gè)方面詳細(xì)地解釋了計(jì)算思維的含義，如對(duì)于間接尋址和過程調(diào)用，就既要了解其能力，又要明白使用它們的代價(jià)；而在評(píng)價(jià)一個(gè)程序時(shí)，不僅要考慮其準(zhǔn)確性和效率，還要有美學(xué)方面的考量，對(duì)于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，則還要考慮簡潔和優(yōu)雅。文章認(rèn)為計(jì)算思維是將一個(gè)看上去很困難的問題轉(zhuǎn)換成能用已知方法求解的問題，這其中可能會(huì)用到簡化、嵌入、變換或模擬等方法[1]。

以往的教學(xué)中比較強(qiáng)調(diào)知識(shí)點(diǎn)，而以計(jì)算思維為導(dǎo)向就意味著要教給學(xué)生知識(shí)點(diǎn)的根源所在，引導(dǎo)學(xué)生用已知的知識(shí)點(diǎn)解決新的問題。將計(jì)算思維貫徹到教學(xué)中是為提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力提供了一個(gè)具體、明確、操作性強(qiáng)的指導(dǎo)原則和方法[2-6]。

1 硬件課程體系架構(gòu)

原有硬件課程體系的核心課程包括數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理、接口技術(shù)、體系結(jié)構(gòu)和嵌入式系統(tǒng)。在這樣的教學(xué)培養(yǎng)方案下，學(xué)生對(duì)于為什么要學(xué)習(xí)硬件知識(shí)缺乏初步的感性認(rèn)知，常常是為了學(xué)習(xí)而學(xué)習(xí)；同時(shí)，由于對(duì)硬件課程與軟件課程之間的關(guān)系了解不充分，學(xué)習(xí)時(shí)通常會(huì)將兩者割裂開，而無法建立統(tǒng)一的系統(tǒng)概念，對(duì)硬件課程缺乏學(xué)習(xí)興趣。

在以計(jì)算思維為導(dǎo)向的新硬件課程體系中，首先可以增設(shè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)課程，主要講授計(jì)算機(jī)系統(tǒng)底層的基本概念、系統(tǒng)的內(nèi)在運(yùn)作及其對(duì)程序運(yùn)行性能的影響。這將使學(xué)生在深入學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)各組件之前能對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有一個(gè)總體的概念，并在后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)中保持住這種局部與整體的統(tǒng)一；同時(shí)，在這門前導(dǎo)課程中，教師還可提出很多與系統(tǒng)軟件功能和應(yīng)用程序性能直接相關(guān)的問題，并提示學(xué)生在后續(xù)課程中會(huì)講授新的知識(shí)，以解決這些問題。

其次，可以按照認(rèn)知規(guī)律與知識(shí)演進(jìn)過程重新安排課程時(shí)間：數(shù)字邏輯課程的授課時(shí)間為一年級(jí)下學(xué)期，組成原理課程安排在二年級(jí)上學(xué)期，接口技術(shù)安排在二年級(jí)下學(xué)期，體系結(jié)構(gòu)安排在三年級(jí)上學(xué)期，嵌入式系統(tǒng)安排在三年級(jí)下學(xué)期。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)、數(shù)字邏輯和計(jì)算機(jī)組成原理為專業(yè)基礎(chǔ)課，接口技術(shù)、體系結(jié)構(gòu)和嵌入式系統(tǒng)為專業(yè)課。

最后，為了突出課程之間的關(guān)聯(lián)性和連接性，可以重新安排教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)重點(diǎn)。系統(tǒng)基礎(chǔ)概述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體概念，提出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問題；數(shù)字邏輯包含數(shù)字系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的基本知識(shí)和基本理論；組成原理主要是使學(xué)生理解單處理器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各部件的內(nèi)部工作原理、組成結(jié)構(gòu)以及相互連接方式；接口技術(shù)是對(duì)組成原理的擴(kuò)展，講授計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各部件之間以及系統(tǒng)與外設(shè)之間的連接；嵌入式系統(tǒng)主要圍繞ARM9架構(gòu)，從51單片機(jī)入門逐漸過渡到ARM的體系結(jié)構(gòu)及基本的ARM編程，講授嵌入式系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)原理及開發(fā)方法；體系結(jié)構(gòu)則從組織和結(jié)構(gòu)的角度學(xué)習(xí)、領(lǐng)會(huì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，研究如何更好地對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件功能進(jìn)行功能分配與實(shí)現(xiàn)，提高系統(tǒng)的性價(jià)比。

新課程體系在內(nèi)容安排上融合了計(jì)算思維，在理論教學(xué)的同時(shí)注重對(duì)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的培養(yǎng)。由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)整體，各課程之間不可避免地存在內(nèi)容重疊，因此在劃分具體內(nèi)容時(shí)，我們堅(jiān)持3個(gè)原則：①根據(jù)課程大綱進(jìn)行選擇，盡量減少與其他課程內(nèi)容重復(fù)的部分；②對(duì)于重疊知識(shí)點(diǎn)，根據(jù)不同課程的特點(diǎn)與教學(xué)要求區(qū)分層次和重點(diǎn)；③強(qiáng)調(diào)課程知識(shí)點(diǎn)間的銜接，連接各知識(shí)點(diǎn)形成網(wǎng)狀知識(shí)結(jié)構(gòu)。

以存儲(chǔ)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)過程為例，表1展示了6門課程中與存儲(chǔ)系統(tǒng)相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)。從表1可以發(fā)現(xiàn)，不同課程之間存在相同的知識(shí)點(diǎn)，但是這些知識(shí)點(diǎn)在不同課程中的難易度、深度和側(cè)重點(diǎn)是有差異的，這種差異體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)硬件體系概念形成過程的自身特點(diǎn)以及人類的認(rèn)知規(guī)律。

2 計(jì)算思維在教學(xué)內(nèi)容中的體現(xiàn)

在原來的教學(xué)過程中，教師往往將重點(diǎn)放在知識(shí)點(diǎn)本身，著重講授知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)涵以及該知識(shí)點(diǎn)對(duì)某個(gè)部件的意義，對(duì)于掌握該知識(shí)點(diǎn)在解決實(shí)際問題時(shí)起到的作用則關(guān)注較少。對(duì)此，我們在構(gòu)建硬件課程體系時(shí)進(jìn)行了一些調(diào)整：首先說明知識(shí)點(diǎn)能解決什么問題，然后通過不同課程的學(xué)習(xí)逐步加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，以達(dá)到最終解答問題的目的。在實(shí)際授課過程中，配合每門課程的主要內(nèi)容，將實(shí)際問題細(xì)化分解到各門課程，讓學(xué)生帶著問題學(xué)習(xí)，知道課程知識(shí)能解決哪些問題，這些問題對(duì)實(shí)際的計(jì)算機(jī)應(yīng)用又會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響。教師可以存儲(chǔ)子系統(tǒng)的教學(xué)過程為例闡明這個(gè)思路，如圖1所示。

2.1 提出問題——計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)課程

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)課程介紹存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，從寄存器到海量存儲(chǔ)器，以及每一層在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所處的位置，如寄存器在CPU中，位于整個(gè)層次結(jié)構(gòu)的頂端；內(nèi)存位于高速緩存和硬盤之間。一方面，這使學(xué)生對(duì)各種存儲(chǔ)部件和整體的存儲(chǔ)系統(tǒng)能有初步的認(rèn)識(shí)；另一方面，該課程從程序員的角度介紹存儲(chǔ)系統(tǒng)對(duì)程序性能的影響，還能讓學(xué)生了解到學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容后對(duì)程序編寫和優(yōu)化的作用。這時(shí)可以提出一個(gè)問題：如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)成本低、效率高、性能優(yōu)的存儲(chǔ)系統(tǒng)。帶著這個(gè)問題，對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)就從大框架轉(zhuǎn)為組件，從應(yīng)用層跳轉(zhuǎn)到底層細(xì)節(jié)，逐步明確存儲(chǔ)系統(tǒng)的功能、對(duì)程序性能的影響以及這些功能和影響是如何實(shí)現(xiàn)的；從數(shù)字邏輯課程的存儲(chǔ)元邏輯結(jié)構(gòu)逐漸延伸到體系結(jié)構(gòu)課程的存儲(chǔ)系統(tǒng)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整且連貫的知識(shí)學(xué)習(xí)與知識(shí)運(yùn)用過程。

2.2 系統(tǒng)基礎(chǔ)元器件——數(shù)字邏輯課程

數(shù)字邏輯課程從邏輯設(shè)計(jì)的角度介紹硬件設(shè)計(jì)的基本單元，如定時(shí)器、選擇器、觸發(fā)器等的結(jié)構(gòu)、特征和應(yīng)用，電路分析、設(shè)計(jì)及測試原理和工具，這些是設(shè)計(jì)和構(gòu)成存儲(chǔ)器的必要基礎(chǔ)。這里提出并解決的問題是怎樣用元件組成一個(gè)存儲(chǔ)陣列。

2.3 系統(tǒng)部件——計(jì)算機(jī)組成課程

組成原理課程詳細(xì)解釋了寄存器、Cache、內(nèi)存、硬盤和磁盤的工作原理，以及由不同存儲(chǔ)器構(gòu)成的存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)。學(xué)生重點(diǎn)掌握存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)、地址格式、地址變換以及相互之間地址的映射、數(shù)據(jù)在不同層次存儲(chǔ)器之間如何調(diào)度。在這門課程中，學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解從元件上升到部件，從存儲(chǔ)元上升到存儲(chǔ)器。這里提出并解決的問題是不同層次的存儲(chǔ)器如何工作，它們之間如何形成一個(gè)完整且工作正常的存儲(chǔ)系統(tǒng)。

2.4 系統(tǒng)連接——微機(jī)系統(tǒng)與接口技術(shù)課程

接口技術(shù)課程中存儲(chǔ)器子系統(tǒng)的重點(diǎn)放在微處理器中存儲(chǔ)器地址空間的硬件組織、內(nèi)存與主機(jī)系統(tǒng)的連接，并介紹典型機(jī)型的存儲(chǔ)子系統(tǒng)，使學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解開始從組件向整體過渡。這里提出并解決的問題是存儲(chǔ)系統(tǒng)如何與主機(jī)系統(tǒng)連接。

2.5 系統(tǒng)整體與優(yōu)化——計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課程與嵌入式課程

體系結(jié)構(gòu)課程從系統(tǒng)整體的角度詳細(xì)說明了Cache的各種優(yōu)化方式及其對(duì)系統(tǒng)性能的影響、數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的一致性問題及其解決方法等。這門課程著重強(qiáng)調(diào)部件與系統(tǒng)的關(guān)系，要讓學(xué)生意識(shí)到對(duì)部件的改進(jìn)不僅僅影響該部件本身，還會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)；此外，改進(jìn)不一定會(huì)帶來預(yù)期效果，因此還需要考慮一種改進(jìn)方式的可行性。這里提出并解決的問題是怎樣才能基于系統(tǒng)整體性能的提升來優(yōu)化存儲(chǔ)系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)課程則主要說明嵌入式系統(tǒng)中的存儲(chǔ)系統(tǒng)，它與組成原理和體系結(jié)構(gòu)課程一起涵蓋了目前最普遍的3種架構(gòu)MIPS、Intel和ARM，拓寬了學(xué)生的知識(shí)面，使得學(xué)生能在這些主流架構(gòu)中靈活運(yùn)用學(xué)到的知識(shí)。

當(dāng)學(xué)生完成這些課程的學(xué)習(xí)后，就能對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)形成一個(gè)完整且連續(xù)的認(rèn)識(shí)，不僅知道存儲(chǔ)器、存儲(chǔ)系統(tǒng)是什么，還知道每層存儲(chǔ)器是如何工作，又是怎樣形成一個(gè)系統(tǒng)的，以及如何在這樣一個(gè)系統(tǒng)中定位一個(gè)問題并找到解決該問題的方法。也就是說，經(jīng)過硬件課程體系的學(xué)習(xí)后，學(xué)生能夠自行構(gòu)建一個(gè)存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)，以回答最初在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)課程中提出的問題：如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)成本低、效率高、性能優(yōu)的存儲(chǔ)系統(tǒng)。

3 結(jié) 語

按照對(duì)學(xué)生能力培養(yǎng)的要求，依據(jù)多年的教學(xué)實(shí)踐，結(jié)合計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，我們對(duì)計(jì)算機(jī)硬件課程系列進(jìn)行了調(diào)整和改進(jìn)，不僅添加了新課程，而且重新梳理了課程內(nèi)容以及課程間知識(shí)的關(guān)聯(lián)，形成了新的硬件課程體系。通過該體系的教學(xué)，學(xué)生的學(xué)習(xí)和掌握過程更加連續(xù)、平滑：從元件到組件、從局部到系統(tǒng)、從單一課程中的知識(shí)點(diǎn)理論到實(shí)際應(yīng)用問題求解，將計(jì)算思維滲透到教學(xué)過程中，也滲透到學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握中。

從關(guān)注知識(shí)點(diǎn)本身，到關(guān)注如何運(yùn)用知識(shí)點(diǎn)解決問題，這是我們進(jìn)行新硬件課程體系構(gòu)建的初衷。長期以來，學(xué)生在學(xué)習(xí)硬件課程之后常常會(huì)產(chǎn)生一個(gè)疑問：學(xué)習(xí)這門課究竟有什么用？當(dāng)他們實(shí)際工作后，又會(huì)發(fā)現(xiàn)在解決很多編程和程序優(yōu)化問題時(shí)，都需要用到之前學(xué)習(xí)過的硬件知識(shí)。這種認(rèn)知上的矛盾，恰好反映出硬件教學(xué)中存在的一個(gè)難點(diǎn)：在大部分畢業(yè)生都從事與軟件相關(guān)工作的現(xiàn)實(shí)情況下，硬件課程教學(xué)應(yīng)怎樣加強(qiáng)與實(shí)際問題求解之間的聯(lián)系。計(jì)算思維為此提供了一個(gè)很好的思路，以問題為導(dǎo)向，讓學(xué)生帶著明確的求解任務(wù)學(xué)習(xí)硬件知識(shí)。下一步工作中，我們將著眼于完善課程體系的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以期達(dá)到既加深學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解，又訓(xùn)練其解決實(shí)際問題能力的目的。

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（編輯：宋文婷）