計算機硬件課程體系的改革與創新
0引言
云計算技術被稱為IT的第三次變革，正在改變人們獲取信息技術和軟件能力的模式，降低各行各業信息化的門檻。傳統的用戶通常通過購買并擁有計算機等IT產品開發或完成自己的業務。云計算技術隨著處理器技術、分布式存儲技術、互聯網技術和自動化管理技術的發展而產生，與計算機專業一些傳統課程有著非常密切的關系，能為相關課程提供良好的實驗環境，開拓學生視野，幫助學生對知識有更深層次的理解。
1計算機硬件課程體系改革的必要性
在計算機技術飛速發展的時代，激發學生的學習興趣，提高學生的動手能力，強化學生的創新意識，增加實用和新穎的實踐環節，是新形勢下培養學生的重要手段。計算機硬件核心課程包括數字邏輯、計算機組成原理、微機原理與接口技術、計算機系統結構等，這些同時也是計算機專業中的核心課程，具有理論性強、應用廣且與實踐聯系緊密等特點。課程體系的建立和課程結構是否合理，對于硬件知識的教與學有著很重要的影響。從以前的教學情況看，一些硬件的核心課程協調不夠，相關問題可歸納為:①未將目前的先進技術恰當地納入課程體系;②實驗環境比較傳統，實驗內容不夠新穎，在吸引學生進行創新性實驗上顯得不足;③相關課程內容銜接不夠緊密，試圖各自封閉，部分教學內容簡單重復，未能進行全局規劃。
解決上述幾個問題的關鍵在于整體規劃，以系統構建為主線，適當引入新技術并配以適當的實踐體系，引導學生積極實踐、自主學習，激發其創新精神。
2利用優質資源，建設計算機硬件課程體系
計算機專業應注重學生計算思維、算法設計與分析、程序設計與實現以及系統能力的培養，其中82個能力點中有62個能力點是系統能力，包括系統的認知、設計、開發和應用4方面。教師可以利用優質資源，建設計算機硬件課程體系，促進對學生系統能力的培養。
IBM公司于20xx年12月與北京工業大學合作建設云計算實驗平臺。該平臺采用硬件設備虛擬化、軟件版本標準化、系統管理自動化和服務流程一體化等技術，為計算機硬件課程體系中的相關課程提供極佳的教學和實驗環境。計算機系統結構、計算機網絡、計算機組成原理、并行計算、高性能計算、網格計算、云計算等課程涵蓋現今計算機硬件領域的最新課程與技術。
課程體系建設中，教師重點從各課程中涉及云計算技術的不同角度，調整課程教學內容和教學方式，比較全面地介紹計算機系統技術，幫助學生在學習一系列軟件課程的基礎上深入理解計算機基本原理，從基礎到應用為學生建立完整的計算機系統概念。
計算機硬件課程體系的最底層是電子與電路技術和數字邏輯，這兩門課程是整個體系的基礎知識，作為計算機專業的入門課程，為之后學生學習和理解計算機部件、接口器件等的工作原理打下基礎。計算機組成原理和計算機系統結構課程幫助學生深入理解計算機各功能部件的組成及實現原理，建立起計算機整機概念;掌握從計算機軟硬件界面開始進行計算機整機系統設計的原理;學會機器語言設計、功能部件設計和計算機整機系統設計。這兩門課程的教學可以培養學生的抽象思維能力和自頂向下、系統分析和解決問題能力。在此基礎上，操作系統課程介紹計算機系統如何對內部資源進行管理及為用戶提供使用計算機資源的手段。其中，計算機組成原理被評為教育部微軟精品課程，計算機系統結構被評為教育部Intel精品課程，另外，數字邏輯、計算機組成原理、計算機系統結構均為北京工業大學精品課程。
微機接口技術幫助學生了解微型計算機系統與外界I/O接口方式，匯編語言根據課程性質設置為自學課程，為學生設計實驗環節，讓學生經過分析、設計、編程、調試等環節獨立完成4個實驗項目，進而加深對匯編語言程序設計相關概念以及關鍵技術應用技巧的理解，最終具備利用匯編語言設計和調試實際問題的能力。在該課程體系中，處于最頂層的各門課程更注重學生應用能力的培養，在計算機課程設置上具有一定特色，涵蓋嵌入式系統、可編程芯片技術、高檔微機原理與技術、多核計算、機群計算、并行計算等方面知識，是當今計算機硬件體系以及計算機科學技術中發展最快、最有應用前景的幾個分支。
上述計算機硬件課程體系結構具有以下幾個主要特點:①分清層次以及課程的先后關系，明確先修課，保證內容的緊密銜接;②重視體系的系統性和先進性，突出培養應用型人才的特點;③將計算機組成原理和匯編語言設計分開，設置匯編語言自學課程，提高學生動手能力和自學能力;④貫徹以基礎知識為核心、理論結合實際的思想，設置兩門大型課程設計，促進知識的融會貫通。
3發揮資源優勢，構建相適應的實驗體系
上述課程相關知識的系統教學可以幫助學生了解計算機系統的工作原理和系統構成。在改革過程中，教師可以重點加大實踐環節的設置，包括電路與電子技術實驗、數字邏輯實驗、計算機組成原理實驗、計算機組成原理課程設計和計算機系統結構實驗，總共達125學時，尤其是計算機組成原理的課程設計可以達到國內高校先進水平，撰寫的實踐教材也在多家高校采用。通過在EDA平臺上進行一臺模型計算機的設計、封裝和調試，包括總體結構、數據通路、指令系統、微操作命令、時序系統、控制部件等部分;在此基礎上，進一步實現硬件輸入輸出部件的功能設計并下載到FPGA芯片中進行計算機整機的測試及驗證，學生能夠掌握設計、實現及調試計算機整機系統的基本步驟和方法，提高分析和解決問題的能力，為提高計算機硬件動手實踐能力打下堅實基礎。
目前，北京工業大學可以為學生提供優質的實驗資源，其中高性能計算平臺和云計算平臺遵循分區規劃、統一管理的建設思路，總計算能力達到23TFlops，總存儲能力達到40TB，目前規模位居全國高校第四。
該實驗環境下，學生可以利用虛擬化技術，以虛擬機形式為用戶提供所需的計算資源和基礎軟件運行環境，實現硬件資源和軟件資源的動態分配、自動部署、統一監控和統一備份。這些環境為計算機硬件課程體系建設提供先進實用的實驗環境并利于創新性實驗的開展。計算機硬件系列課程改革中，教師將一部分課程實驗設置在云計算平臺環境中進行，充分利用虛擬化技術、高性能計算技術、自動部署技術等開展創新性實驗環節，激發學生興趣，提高動手能力，拓寬學生視野。
計算機系統結構課程實驗的主要目的是驗證理論教學中高速緩存技術、流水線技術和多核技術的相關知識。由于多個實驗涉及不同的系統軟件和平臺軟件，包括Windows, Linux,WinDLX, SimpleScalar等，在以往的實驗環境中給學生帶來不便。有了云計算平臺以后，學生可以利用云計算平臺中的IBM B1ueCloud虛擬機，為用戶提供計算資源和基礎軟件運行環境，實現硬件資源和軟件資源的動態分配、自動部署、統一監控和統一備份，實現上述平臺的無縫連接，同時能使學生在此基礎上利用先進的計算機軟件以及平臺提供的數據存儲空間和計算資源，對計算機系統結構中的流水線技術、高速緩存技術、多核技術等進行自主實驗和開發。
機群計算課程實驗主要與理論教學中機群系統單一系統映像核心功能的設計與實現、面向企業機群的高可用技術和面向科學計算機群的作業管理技術相結合，幫助學生加深對機群體系結構及核心技術的理解，掌握機群構建、測試及管理維護的基本方法;通過安裝、配置Linux操作系統中的Heartbeat服務，實現機群系統的雙機高可用功能，同時培養工程實踐能力。這些實驗必須在上述云計算平臺和高性能計算平臺中進行。
云計算課程實驗與理論教學云計算平臺中的系統虛擬化技術內容相結合，主要包括基于Eucalypus的IaaS級云計算平臺的構建、配置與使用，基于Hadoop的PaaS級云計算平臺構建及應用開發，基于Tomcat的Web服務開發及其在云計算平臺的部署。學生通過實驗可以加深對云計算服務層次結構及核心技術的理解，掌握云計算平臺構建、使用及管理維護的基本方法。這些實驗在云計算平臺提供的'實驗環境中可以以服務的形式，面向用戶多樣化的應用需求，提供定制的個性化運行環境，從而使學生充分發揮自己的創新能力。例如，教師可以引導學生針對部署好的環境制作虛擬機鏡像并上傳，通過遠程登錄方式驗證虛擬機鏡像實例創建和運行的正確性，利用瀏覽器遠程訪問方式驗證Web服務開機自啟動的正確性。類似的創新實驗也可以在教師的指導下進行，以拓寬學生視野。
4建設成效
課程體系改革、計算機領域新技術融入的最直接效果就是大大提高學生的學習積極性。前些年各種條件的限制給教學帶來很大困難，經過幾年的教學改革與實踐，實驗設備的更新、課程內容的改革、教學模式的建立、教學方法的改變以及實踐環節的設置都提高了學生對計算機硬件課程的興趣，很多學生參加相關的硬件課程設計大賽，取得很好的成績。北京工業大學團隊于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，近幾年的專家和學生評教結果顯示各門課程均由原來的良好提升為優秀，說明計算機硬件系列課程改革得到專家和學生的認可。
另外，由于近幾年我們的教材建設取得顯著成果并在國內外的教學會議上進行推廣，部分教材已在北京航空航天大學、北京科技大學等相關院校采用并取得良好教學效果，也為北京工業大學的計算機硬件課程建設提供了良好支持。在項目建設過程中，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、北京工業大學優秀教學團隊、3門北京工業大學精品課程、1項北京高等教育精品教材建設立項，出版3本普通高等教育十一五國家級教材清華大學出版社系列教材;完成8項北京工業大學教育教學研究項目，其中1項是重點項目;20xx年至今獲得3項北京工業大學教育教學成果獎;總結計算機硬件體系課程在近年來教學研究和實踐的成果，發表30余篇教育教學研究論文。
5結語
該課程體系改革提高了教師的授課積極性，激發了學生的學習興趣，科學的課程體系和課程內容也更吸引學生學習相關知識并促進學生自主實踐和創新。通過科學地構建基于云計算平臺和高性能計算平臺的相關課程實驗，為學生提供優質的教學資源和先進的實驗環境，提高學生學習興趣，開闊學生視野，也為北京工業大學計算機系統結構領域的發展提供良好平臺。在此基礎上，我們將進一步整合整個硬件課程，建立更完善的硬件課程體系，為學生提供更優質的教學資源。
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