CDIO理念下硬件課程體系改革與實踐

李 文， 黃 文， 李連勝， 伍鐵斌

(1. 湖南科技學院 計算機與通信工程系，湖南 永州 425199；2. 中南大學 信息科學與工程學院，湖南 長沙 410083)

0 引 言

當今世界，經(jīng)濟、科技飛速發(fā)展，以高新技術(shù)為主導的知識經(jīng)濟的發(fā)展，使我們進入信息化社會。隨著嵌入式技術(shù)在整個信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展和廣泛應用，IT行業(yè)的發(fā)展也勢不可擋地進入了嵌入式時代[1]。嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎，軟硬件可裁剪，適應于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。這就要求計科專業(yè)教學應與時俱進，使學生在學習基本概念、理論的基礎上，盡可能多地掌握及應用高新技術(shù)。計算機技術(shù)的發(fā)展是以電子技術(shù)為物質(zhì)基礎，以硬件技術(shù)為實施前提，這使得計科專業(yè)硬件類課程的教學邁向新時代。

計科專業(yè)硬件類課程的設置與教學是一項系統(tǒng)工程，因此須在社會大背景、專業(yè)教學大環(huán)境下探索并實踐計算機硬件類課程的教學問題[2-5]。CDIO工程教育模式是國際工程教育改革的最新成果，代表構(gòu)思(Conceive)、設計(Design)、實施(Implement)和運作(Operate)。它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式學習工程[6]。我國高等工科教育的迫切任務是盡快培養(yǎng)與國際接軌的中國工程師，“卓越計劃”是正是適應這一發(fā)展趨勢應運而生，因此在CDIO理念下為培養(yǎng)計算機科學與技術(shù)專業(yè)卓越人才而進行硬件課程體系改革迫在眉睫[7]。

1 硬件課程體系的現(xiàn)狀及問題分析

在高等院校計算機專業(yè)課程中，計算機硬件類課程是一個重要的方面。對于培養(yǎng)高級應用型人才的院校來說，計算機硬件類課程主要學習計算機系統(tǒng)的組成和體系結(jié)構(gòu)，計算機應用系統(tǒng)的設計和構(gòu)成，計算機系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的集成應用原理和技術(shù)等[8-11]。目前我校計算機專業(yè)硬件課程體系及教學環(huán)節(jié)存在的問題如下：①計算機硬件課程體系滯后；硬件類課程主要包括：模擬電子技術(shù)、數(shù)字邏輯、計算機組成原理、微機原理與接口技術(shù)(含匯編)、單片機原理及應用。隨著社會的快速發(fā)展，該教學體系已明顯滿足不了新時代的要求。②教學內(nèi)容及方法落后；硬件方面的高新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，而且硬件課程之間存在著知識相互交叉銜接的層次關(guān)系，以往的教學過程中，部分教師不能及時進行知識更新且教學本位主義思想嚴重，無全局觀念，過于強調(diào)某門課的完整性、獨立性，忽視了其在課程體系中的地位與作用，忽略了課程之間內(nèi)容的銜接和整體優(yōu)化。③理論與實踐脫節(jié)，實踐教學環(huán)節(jié)落實不到位；以往教學中過于重視理論教學而忽視實踐教學的重要性，以致實驗、技能訓練、課程設計等有其形而無其神。④師資力量薄弱；目前，我校相當一部分計算機硬件系列課程教師是從高校進入高校，工程實踐的經(jīng)歷與經(jīng)驗較少，且教師的能力素質(zhì)上“強軟弱硬”，嚴重影響了學生學習硬件的興趣和積極性。⑤實驗室硬件建設投入不足，管理制度欠科學；學校的教學模式上“重軟輕硬”，計算機硬件課程具有很強的實踐性，在計算機硬件教學中，相應的實驗設備投資大且更新速度快，學校在硬件課程及實驗條件建設方面力不從心，設備相對落后；現(xiàn)有的管理模式下實驗室的利用率不高，實踐教學時間嚴重不足。⑥畢業(yè)生不能較好滿足社會需求，就業(yè)質(zhì)量不高。學生學習意識上“偏軟怕硬”。 計算機硬件是一門更新?lián)Q代速度非常快的學科，社會需求針對性非常強。社會要求學生具備較強的計算機硬件應用系統(tǒng)的綜合設計、綜合應用能力和較強的動手能力，由于教學內(nèi)容、方法及實驗條件相對滯后，學生在校缺乏相應的訓練，導致培養(yǎng)的學生不能較好適應社會需求。因此，培養(yǎng)適應社會發(fā)展需要的計算機硬件專業(yè)人才成為我校計算機專業(yè)教學改革的當務之急。

2 硬件課程體系改革與新思維

在CDIO教育理念下，結(jié)合我校實施的卓越工程師人才培養(yǎng)計劃，分別從計算機硬件課程體系、教學內(nèi)容與方法、實踐環(huán)節(jié)實施與管理、教學師資力量加強、實驗室建設與管理及校企生三方合作6個方面多方位、多角度提出了計算機專業(yè)硬件課程教學體系的改革思路。

2.1 硬件課程體系改革

當今計算機硬件知識體系是以嵌入式系統(tǒng)的設計為核心，以系統(tǒng)軟硬件的完美結(jié)合優(yōu)化為目標。而現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)是典型的軟硬件綜合體。因此，構(gòu)建適應時代要求的硬件課程體系是加強學生的計算機硬件基礎，培養(yǎng)學生對硬件課程的學習興趣，提高學生計算機硬件的應用能力的重要基礎和前提。改革后的學校課程設置：電路基礎、模擬電子技術(shù)、數(shù)字邏輯(EDA設計)、數(shù)字系統(tǒng)設計及應用(含VHDL語言)、計算機組成原理(含匯編)、單片微機系統(tǒng)設計及應用(含課程設計)、嵌入式體系結(jié)構(gòu)、嵌入式系統(tǒng)設計與項目開發(fā)。以學生為主體，以社會需求為目標，形成一套完整連貫的計算機硬件教學體系。具體教學計劃見表1。

2.2 教學內(nèi)容與方法改革

在教學內(nèi)容的改革上，采取加強基礎、注重實踐、提高能力、適應社會的指導思想，認真組織安排各門課程的教學內(nèi)容，注意課程之間的相互交叉銜接的知識層次關(guān)系及銜接處理，以緩解專業(yè)培養(yǎng)方案調(diào)整課程增多、課時壓縮的矛盾，滿足社會對人才培養(yǎng)的需求。

表1 硬件類課程教學安排

在教學方法改革上，改變過去很多教師整堂課以教師為中心，按部就班的教學方法，在理論教學方面力求采用啟發(fā)式、互動式教學方法，運用多媒體、CAI等多種教學手段，在實驗教學方面采取項目驅(qū)動式多層次多目標教學方法，運用計算機仿真技術(shù)使理論與實踐成為相互統(tǒng)一的有機整體。

2.3 實踐教學環(huán)節(jié)改革

實踐教學環(huán)節(jié)的改革主要體現(xiàn)在：①在實驗課程體系設置上，改革了實驗課程與相關(guān)理論課程的關(guān)系，從原來的“從屬關(guān)系”改為“依存關(guān)系”獨立設課、獨立考核和單獨記錄學分。②在學時及時間安排上，增加實驗課時合理安排實驗與理論的進行時間。③在實驗項目選取上，兼顧基本實驗方法與技能訓練的要求，僅保留極少數(shù)驗證性實驗，采取典型實用項目作為綜合設計性實驗。④在教學方式上采取項目驅(qū)動式多層次多目標教學方法，形成一個以“項目為中心、教師為主導、學生為主體、CDIO培養(yǎng)[12]為基本特征”的新型教學方法。⑤實行嚴格的實驗預習檢查、進度跟蹤及科學的實驗指導及考核方式，加大對平時成績的考核比重及力度。⑥在課程設計上實行多教師指導制度，通過教師團隊合理設置設計項目，分配指導時段，共同探討解決實踐過程中的問題及困難。⑦在實驗方式[13-14]上有基本實驗、開放性實驗、課程設計。通過開放實驗和課程設計，配備經(jīng)驗豐富的教師指導學生的科技實踐活動。⑧制定了一套完整的可操作的實驗室管理規(guī)章制度，并嚴格執(zhí)行和管理實驗室的相關(guān)人員和物資，實行管理信息化。做到上課、學習有登記，指導、實驗有記錄，儀器設備完好率高，衛(wèi)生責任到人。改變傳統(tǒng)的實踐以教師講解、學生驗證為主的實驗方法，鼓勵學生動手實驗，自己探索問題、總結(jié)規(guī)律。實施“做-學-悟”三維一體立體式教學，將實驗貼近工程實踐及以學生為主體的多層次、多目標教學，以促進專業(yè)教學適應新形勢下的要求。

2.4 教學師資力量加強

為培養(yǎng)適應信息化社會的高級應用型創(chuàng)新人才，教師是靈魂，需對學科專業(yè)知識有獨到認知和領(lǐng)悟，為此需加強教學師資力量，提升教師自身科研能力與業(yè)務素質(zhì)。一個真正的好教師不僅要有一套好的教學方法，而且要把所教的知識學問做深做透，使教學能深入淺出。為了提高教師自身的科研能力與業(yè)務素質(zhì)，培養(yǎng)符合CDIO工程標準的卓越人才，我校除鼓勵教師積極申報各種縱向和橫向課題外，特別重視有計劃地把一線教師送到校企合作基地、企業(yè)和科研單位直接參與計算機系統(tǒng)及產(chǎn)品的應用開發(fā)。例如，我系每年利用暑假派出一些教師參加校企合作培訓基地為期2個月的學習，通過與企業(yè)進行實際項目開發(fā)實踐，教師的視野更高，對原理的理解更透徹，更能把理論知識結(jié)合工程實踐，有更高層次的教學研發(fā)視野。

2.5 實驗室建設與管理

硬件設備的購入是保證實驗教學正常展開的前提和基礎。近年來，高校的硬件設備條件有了很大的提高，但采取有效的購置思路及管理理念對有限的資源下達到最大效益十分關(guān)鍵。由于當今電子技術(shù)的飛速發(fā)展，微機和硬件實驗箱類的電子產(chǎn)品發(fā)展很快，一般3～5年就會升級換代[15]。因此，在硬件實驗室建設方面堅持“加強基礎、保證重點、集中投入、分批建設”的購置原則，根據(jù)教學內(nèi)容的需要及新技術(shù)的發(fā)展來定期制訂設備購置計劃，及時讓學生用上最先進的產(chǎn)品來適應社會新技術(shù)的發(fā)展，同時采取仿真實驗與實際開發(fā)的互補策略，減少易耗品購置，節(jié)約資源。在實驗室管理上應采取靈活的管理機制，使基礎實驗、開放實驗及課程設計有機結(jié)合，合理并充分利用實驗室的時間與時段；使軟件仿真能力，實驗室建設和課程體系內(nèi)容緊密結(jié)合、協(xié)調(diào)一致，使現(xiàn)有的實驗設備在生命周期內(nèi)最大限度的發(fā)揮效用。

2.6 校企生三方合作

我系計算機科學與技術(shù)專業(yè)，以兼顧校企生三方利益，最終實現(xiàn)多方共贏為目的，堅持走校企合作辦學之路，在全國重要城市已建立實習實訓基地10余家，通過緊密型校企合作關(guān)系，以務實、高效的實際行動加強深化合作。采取“3+1”卓越工程師培養(yǎng)模式，最后一年學生可以選擇去校企合作實習基地進行實習培訓，學生以基地實習項目為題完成畢業(yè)設計，讓學生與職場“零距離”接觸，而且由公司負責推薦就業(yè)。學生可以通過基地學習考核與學校要求學習課程進行置換，獲取學分完成學業(yè)。此合作謀求校企生三方利益，達到了教學做一體化，使得學生就業(yè)不僅在數(shù)量上而且在質(zhì)量達到較高的水平，近年來我系畢業(yè)生就業(yè)率一直名列全校前茅，我校今年被教育部評選為全國就業(yè)工作50強高校與此不無關(guān)系。

3 結(jié) 語

分析了目前我校培養(yǎng)工程應用型人才的計算機專業(yè)的硬件課程體系設置，為適應新時代要求提出了結(jié)合我校實際的計算機硬件課程體系進行改革的想法。完善課程體系是基礎和前提，豐富教學內(nèi)容和教學方法是質(zhì)量和要求，扎實的實踐教學環(huán)節(jié)使理論與實際相統(tǒng)一，雄厚的師資力量是實現(xiàn)目標的思想保證，堅實的實驗室建設與完善的制度管理是實現(xiàn)目標的物質(zhì)保證，靈活的校企生三方合作機制是實現(xiàn)目標的橋梁。當今社會計算機技術(shù)飛速發(fā)展，對計算機硬件系列課程的教學提出了更高更具體的要求，目前，我校計算機專業(yè)人才的培養(yǎng)尚處于探索階段，計算機硬件課程的教學改革是一個系統(tǒng)工程，需要長期的大量的教學實踐總結(jié)完善才能達到目標。

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