基于TRIZ-CDIO理念的計算機組成原理教學(xué)改革探討

李 玨 秦禮章

（興義民族師范學(xué)院， 貴州 興義 562400）

基于TRIZ-CDIO理念的計算機組成原理教學(xué)改革探討

李 玨 秦禮章

（興義民族師范學(xué)院， 貴州 興義 562400）

針對目前計算機組成原理課程教學(xué)中存在的問題，引入TR IZ-CDIO教育理念，將其運用于該課程的教學(xué)改革中，通過實踐可以有效地培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、團(tuán)隊精神、創(chuàng)新意識等。

TR IZ-CDIO；教學(xué)改革；創(chuàng)新能力

麻省理工學(xué)院聯(lián)合幾所高校開發(fā)的全新教育理念和實施體系——CDIO教育模式，它代表構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(Design)、實現(xiàn)(Implement)和運作((Operate))，體現(xiàn)了計算機專業(yè)人才應(yīng)具備的從構(gòu)思到運作的全過程所必須擁有的基本能力。實踐證明，運用該模式能使學(xué)生得到全面的訓(xùn)練和提高，為教學(xué)改革提供參考。

一、TRIZ-CDIO教育理念

TRIZ是俄文單詞“解決創(chuàng)新性問題的理論”首字母的縮寫，是阿奇舒勒歷經(jīng)50多年，對250萬件高水平的發(fā)明專利文獻(xiàn)加以整理、歸納、提煉和重組，建立起的一整套實用的理論方法體系。TRIZ理論指出對于問題中存在的矛盾和沖突的解決是技術(shù)系統(tǒng)化的根本推動力。TRIZ-CDIO教育理念是利用TRIZ創(chuàng)新理論，結(jié)合CDIO工程教育理念，解決好傳統(tǒng)的教育培養(yǎng)模式弊端的一種創(chuàng)新模式，它倡導(dǎo)以項目為中心、學(xué)生自主學(xué)習(xí)的教學(xué)，通過校企合作，給予學(xué)生更多解決實際工程問題的機會，因材施教地培養(yǎng)學(xué)生的實際動手能力。

計算機組成原理是一門公認(rèn)的難度大、內(nèi)容多、范圍廣和枯燥的專業(yè)必修課程，主要講解計算機的構(gòu)成和實現(xiàn)原理，要求學(xué)生從深層次了解計算機的結(jié)構(gòu)組成，各個硬件模塊的功能和作用，為以后的硬件系統(tǒng)開發(fā)奠定基礎(chǔ)。針對計算機組成原理課程知識點多且分散這一特點，可以將TRIZ-CDIO教育理念應(yīng)用于教學(xué)中，有助于培養(yǎng)學(xué)生成為既有扎實的專業(yè)技能，又有良好的團(tuán)隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力的技能型人才。

二、傳統(tǒng)的計算機組成原理教學(xué)中存在的問題

1.教學(xué)內(nèi)容陳舊，與計算機的新技術(shù)結(jié)合不緊密

部分教師仍以16位8086CPU介紹計算機結(jié)構(gòu)和存儲原理，很少涉及32位或64位CPU，實用性差。學(xué)生覺得此課程跟現(xiàn)實脫節(jié)，沒有實際價值，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性較差。

2.課程難學(xué)、難懂，概念抽象

該課程涉及I/O設(shè)備、存儲器的組成結(jié)構(gòu)，這些控制電路被封裝在芯片中，芯片采用大規(guī)模集成電路。學(xué)生無法直接觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只能憑想象構(gòu)造，感性認(rèn)識差。

3.實驗內(nèi)容的綜合設(shè)計性實驗較少，缺乏創(chuàng)新性的技能訓(xùn)練

實驗內(nèi)容大多為簡單的驗證性實驗，如運算器的工作原理，存儲器存取方式驗證等綜合設(shè)計性實驗較少，學(xué)生對關(guān)鍵技術(shù)理解不透徹。

三、TRIZ-CDIO理念在計算機組成原理教學(xué)改革中的應(yīng)用

圖1為TRIZ-CDIO教學(xué)模式設(shè)計圖，每個實訓(xùn)項目都可以分為五個階段來實現(xiàn)。

圖1 TRIZ-CDIO教學(xué)模式

1.培養(yǎng)學(xué)生的構(gòu)思能力(Conceive)

教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容布置一些綜合性較強的實訓(xùn)項目，一是增加數(shù)據(jù)通路實驗，將運算器、寄存器、存儲器和輸入輸出部件綜合起來實驗，使學(xué)生能夠理解簡單計算機主機的數(shù)據(jù)流。二是要求學(xué)生在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下自行設(shè)計、組裝、調(diào)試一臺8位模型機，讓學(xué)生理解計算機硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)和控制器的設(shè)計方法和工作原理，形成整機概念，培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析、設(shè)計、開發(fā)能力。興義民族師范學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)2011級學(xué)生組成6人一組的團(tuán)隊，共7個團(tuán)隊。在項目詳細(xì)設(shè)計時，教師可以有意識地提出一些問題引導(dǎo)學(xué)生思考。如怎樣節(jié)省變量存儲更多的數(shù)據(jù)；CPU和外設(shè)如何溝通，哪種方式較好等，團(tuán)隊成員各抒己見、集思廣益，最終提出完成實訓(xùn)項目的最佳方案。

2.培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計能力（Design）

確定項目方案后，進(jìn)入項目的具體設(shè)計階段，可以使用仿真軟件參與設(shè)計。例如處理器的時序圖和電路圖非常復(fù)雜，很多工作過程都發(fā)生在芯片內(nèi)部，學(xué)生無法直接觀察，教師在學(xué)生弄懂處理器內(nèi)部操作的基礎(chǔ)上，指導(dǎo)團(tuán)隊自行設(shè)計出仿真處理器的關(guān)鍵元器件，深刻認(rèn)識這一關(guān)鍵技術(shù)。

3.培養(yǎng)學(xué)生的實現(xiàn)能力(Implement)

實驗項目的開展需要良好的實驗設(shè)備和平臺，目前我院已有的實驗箱為早期的箱式結(jié)構(gòu)，難以進(jìn)行綜合性較強的設(shè)計性實驗。教師可以引入先進(jìn)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法EDA，要求各團(tuán)隊結(jié)合EDA實驗平臺進(jìn)行設(shè)計。這就要求學(xué)生首先必須掌握EDA這一新技術(shù)，才能實現(xiàn)系統(tǒng)編程和硬件邏輯設(shè)計的軟件化，最終完成項目。

4.培養(yǎng)學(xué)生的運作能力(Operate)

項目實現(xiàn)后，教師要抓好項目的展示環(huán)節(jié)，項目團(tuán)隊推選組長針對項目的設(shè)計思路、關(guān)鍵技術(shù)、工作過程等內(nèi)容進(jìn)行匯報。這一環(huán)節(jié)要求將任務(wù)分解到每個團(tuán)隊成員，各成員共同參與。如匯報指令中使用了哪種尋址方式，則要求該成員使用Flash制作出取操作數(shù)的完整過程，在鍛煉動手能力的同時，還讓該成員更清楚地了解了執(zhí)行指令時的信息流動過程。

5.培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

在完成基本驗證性實驗的基礎(chǔ)上，教師可對團(tuán)隊提出一個不同的創(chuàng)意設(shè)計性實驗題目，要求學(xué)生運用已有知識發(fā)揮創(chuàng)造性思維，選用不同電路和編程方法，啟發(fā)學(xué)生從不同的角度掌握知識，加強學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

四、教學(xué)改革的實施效果

本院對2011級和2012級兩個班進(jìn)行了改革探索，2010級采用傳統(tǒng)講授方法授課，在他們的積極參與下，取得了較好的教學(xué)效果。圖1和圖2分別是3個班（2010級、2011級、2012級）學(xué)生的平均分和及格率對比圖。由圖中可知，由于對課程進(jìn)行了有效的教學(xué)改革，學(xué)生的成績逐年提高，教學(xué)質(zhì)量明顯變好。

圖1 平均分對比圖

圖2 及格率對比圖

實踐中，除個別組未能完成任務(wù)外，其余組基本完成任務(wù)。在項目匯報中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對CPU和存儲器的工作流程有了充分的認(rèn)識，對各個組件的工作原理掌握程度比2010級傳統(tǒng)講授的教學(xué)效果好。

[1]Craw ley,E.F.,J.,Ostlund,S.,etc.Rethinking Engineering Education:The CDIO Approach[M].Berlin:Springer,2007.

[2]陶勇芳，商存慧.CDIO大綱對高等工科教育創(chuàng)新的啟示[J].中國高教研究，2006(11).

[3]馬春梅，高仲合.CDIO模式下ASP.NET課程，教學(xué)改革與實踐 [J].電子世界，2012(10)：166-167.

[4]張玉波，畢洪波.基于TRIZ—CDIO的信息類專業(yè)教學(xué)改革研究 [J].科技視界，2013(3)：21,33.

[5]楊學(xué)穎，薛素靜.計算機組成原理課程教學(xué)改革與實踐[J].信息教育，2013(8):145-149.

[6]鄒琦萍，阮忠.微機原理及接口技術(shù)的教學(xué)改革探討[J].福建電腦，2012(3)：198-199.

Based on the Concept of TRIZ-CDIO Teaching Reform of Com puter Com position Principle

LIJue QIN Li-zhang
（Xingyi Normal University for Nationalities,Xingyi,Guizhou 562400,China）

Aiming at the problems existing in the teachingof computer constitute principle,Introduction of TRIZ-CDIO education concept,Applied in the teaching reform of this course,Through practice can effectively cultivate students'practical ability,team spirit and innovation consciousness,etc.

TRIZ-CDIO；The teaching reform；The innovation ability

1009—0673（2015）02—0077—03

G642

A

2015—02—27

貴州省科學(xué)技術(shù)基金項目（黔科合LH字[2014]7409號）；興義民族師范學(xué)院產(chǎn)學(xué)研基地支持項目（13XYCY02）。

李玨（1976— ）,男，貴州興義人，興義民族師范學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院副教授，研究方向：計算機教育改革與研究、現(xiàn)代教育技術(shù)。

責(zé)任編輯：呂泉