基于CDIO模式的《計(jì)算機(jī)組成原理與結(jié)構(gòu)》教學(xué)改革探索

王曉莉

摘要：《計(jì)算機(jī)組成原理與結(jié)構(gòu)》課程是一門理論性強(qiáng)并與實(shí)踐相結(jié)合的課程，應(yīng)將學(xué)生實(shí)踐能力、系統(tǒng)觀的培養(yǎng)作為課程培養(yǎng)的重點(diǎn)。本文提出在CDIO教學(xué)理念下改進(jìn)課程效果的教學(xué)改革方案，從幾個(gè)方面討論了課程教學(xué)和實(shí)踐的改革措施，能夠有效的提高教學(xué)效果。

關(guān)鍵字：CDIO；教學(xué)改革；能力培養(yǎng)

一、引言

當(dāng)今世界，經(jīng)濟(jì)、科技飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)是信息化社會(huì)的重要工具和組成部分，計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的變革對(duì)我國(guó)高校計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)改革提出了新的挑戰(zhàn)，計(jì)算機(jī)教育專業(yè)委員會(huì)（CCF）指出：計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生需要更多地關(guān)心計(jì)算系統(tǒng)的整體特性，培養(yǎng)自身計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力，這也是工程教育的特征。CDIO理念滿足培養(yǎng)“研究型+實(shí)踐型”的面向一線的應(yīng)用型工程人員的需要?！队?jì)算機(jī)組成原理與結(jié)構(gòu)》課程為以微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者角度來認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，涵蓋了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從Conceive （ 構(gòu)思）、Design （ 設(shè)計(jì)）、Implement （ 實(shí)現(xiàn)）、Operate （ 運(yùn)作） 的整個(gè)過程，是CDIO理念的集中體現(xiàn)，CDIO強(qiáng)調(diào) “做中學(xué)”和 “基于項(xiàng)目教育和學(xué)習(xí)”，以CDIO理念方式開展《計(jì)算機(jī)組成原理與結(jié)構(gòu)》課程的教學(xué)改革可以達(dá)到讓學(xué)生基本理解掌握系統(tǒng)運(yùn)行原理和初步具備系統(tǒng)開發(fā)能力的目的，極大地改善了《計(jì)算機(jī)組成原理與結(jié)構(gòu)》課程的教學(xué)效果，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)能力、對(duì)知識(shí)的運(yùn)用能力、解決實(shí)際問題的能力，以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神起著重要的作用。

二、教學(xué)現(xiàn)狀

《計(jì)算機(jī)組成原理與結(jié)構(gòu)》課程的教學(xué)目標(biāo)是以微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者角度來認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，建立單處理器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)概念，并能夠構(gòu)造出完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本框架，學(xué)生在理解高級(jí)語言程序與機(jī)器級(jí)代碼之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步理解機(jī)器級(jí)代碼如何在具體硬件系統(tǒng)中執(zhí)行的過程。課程立足于培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)認(rèn)知、系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。

目前《計(jì)算機(jī)組成原理與結(jié)構(gòu)》課程在教學(xué)中存在以下問題：①教學(xué)與實(shí)踐脫離，理論教學(xué)教師在課堂主要教授理論知識(shí)，實(shí)驗(yàn)教師使用實(shí)驗(yàn)臺(tái)指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)，二者缺乏溝通和聯(lián)系，學(xué)生被動(dòng)接受抽象枯燥的知識(shí)，難以對(duì)知識(shí)點(diǎn)產(chǎn)生實(shí)際認(rèn)知，知識(shí)結(jié)構(gòu)相對(duì)固定，難以理解，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)課程興趣低。 ②課程教學(xué)知識(shí)范圍相對(duì)獨(dú)立，缺乏與其他相關(guān)課程知識(shí)的聯(lián)系，造成知識(shí)點(diǎn)孤立，學(xué)生不能很好地建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完整概念，缺乏系統(tǒng)觀，難以形成對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全面認(rèn)識(shí)。 ③教學(xué)實(shí)驗(yàn)大部分以驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)為主，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、過程相對(duì)固定，缺乏系統(tǒng)性的綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)和綜合設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，也使得學(xué)生理論上一知半解，動(dòng)手能力弱。 ④本課程的考核測(cè)評(píng)方式單一，以筆試為主，以理論知識(shí)題為主，學(xué)生通過短期的突擊，死記硬背就能通過，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)于很多核心內(nèi)容通常只知其然不知其所以然，因而綜合分析、設(shè)計(jì)和應(yīng)用能力也較差，對(duì)于需要綜合運(yùn)用多個(gè)跨課程的概念才能解決的問題一籌莫展。上述四個(gè)典型的問題，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高，課程建設(shè)效果不理想。

三、基于CDIO的改革措施

課程教學(xué)將結(jié)合CDIO的教學(xué)理念，結(jié)合我國(guó)實(shí)施的卓越工程師人才培養(yǎng)計(jì)劃，將學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)作為課程培養(yǎng)的重點(diǎn)之一，使學(xué)生從深層次了解計(jì)算機(jī)組成原理的結(jié)構(gòu)組成、各個(gè)硬件模塊的功能和作用，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)硬件層面能力的提升，從硬件系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)和軟件怎樣驅(qū)動(dòng)硬件工作并使硬件有更高的效率兩方面開展教學(xué)活動(dòng)。

主要有以下幾個(gè)方面的措施：

1 教學(xué)內(nèi)容要有系統(tǒng)觀

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展是飛速的，課程內(nèi)容在保證基礎(chǔ)知識(shí)不能減少的同時(shí)及時(shí)更新新技術(shù)，給老師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)帶來一定難度。因此在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)上應(yīng)基于自頂向下的教學(xué)思路，建立一種從整體功能推進(jìn)到局部組成、從宏觀結(jié)構(gòu)到微觀實(shí)現(xiàn)的層次化課程內(nèi)容設(shè)計(jì)模式，從而幫助學(xué)生建立計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的整體把握。首先從系統(tǒng)整體角度將計(jì)算機(jī)進(jìn)行大體的剖析，從主機(jī)到主板，從主板到集成電路，再到門電路，讓學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有一個(gè)整體概念；然后以分析問題、解決問題的思路，對(duì)構(gòu)成系統(tǒng)的功能模塊從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)，從構(gòu)思到運(yùn)作進(jìn)行講解，在每部分學(xué)習(xí)過程中，及時(shí)補(bǔ)充相關(guān)新技術(shù)、新應(yīng)用的內(nèi)容，調(diào)動(dòng)學(xué)生的求知欲，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

2 教學(xué)手段、教學(xué)方法

在課堂教學(xué)中多種教學(xué)方法靈活使用，可以使用案例化教學(xué)，通過特定案例的分析使學(xué)生更加深刻地理解計(jì)算機(jī)組成原理中的思想和方法，如pentium IV的體系結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方式等，多層次加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力 。使用實(shí)物教學(xué)，在講解計(jì)算機(jī)各部件的時(shí)候，可以把實(shí)物（ 例如內(nèi)存條、CPU、硬盤等）帶到課堂上，變抽象為形象，讓學(xué)生真正體會(huì)到計(jì)算機(jī)組成原理不是空洞的理論，而存在于日常生活之中。使用動(dòng)畫演示教學(xué)，在電子教學(xué)課件中插入動(dòng)畫演示，將模糊抽象的概念變得直觀形象，例如在“Cache的置換策略”這一教學(xué)環(huán)節(jié)中，利用 CAI可以讓學(xué)生更清楚地理解Cache和主存的信息交換過程。多種教學(xué)手段的使用更能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效率。

3 實(shí)踐環(huán)節(jié)的改進(jìn)

改變實(shí)踐方式，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。盡可能使用EDA技術(shù)，設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)，減小了對(duì)實(shí)際實(shí)驗(yàn)設(shè)備的依賴性，給學(xué)生創(chuàng)造有更方便、更靈活的實(shí)踐環(huán)境。優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增加綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。實(shí)踐教學(xué)可分為“基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”、“綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”和“課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目”三部分?！盎A(chǔ)實(shí)驗(yàn)”主要指驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，通常在學(xué)校安排的實(shí)驗(yàn)課時(shí)內(nèi)用實(shí)驗(yàn)箱完成。 “綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”由綜合型實(shí)驗(yàn)和基于部件的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)組成，要求學(xué)生編寫一定的程序，可以在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境下設(shè)計(jì)，實(shí)際實(shí)驗(yàn)儀器中完成?！罢n程設(shè)計(jì)項(xiàng)目”是學(xué)生完成的一個(gè)完整項(xiàng)目，分小組完成。內(nèi)容涉及本課程和其它課程尤其是軟件應(yīng)用類課程有一定的的交叉知識(shí)點(diǎn)或隱性知識(shí)，以訓(xùn)練學(xué)生對(duì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)、團(tuán)隊(duì)精神和作為工程師的思維模式是主要目的，它對(duì)激發(fā)學(xué)生對(duì)本專業(yè)的興趣起到至關(guān)重要的作用。

4 考核方式的改進(jìn)

建設(shè)符合課程大綱的題庫，筆試部分可以從題庫抽取，避免了試卷知識(shí)點(diǎn)覆蓋面不全面，學(xué)生押題的現(xiàn)象。傳統(tǒng)的考核方式主要側(cè)重于原理性知識(shí)點(diǎn)，使得很多學(xué)生不注重知識(shí)的整合和實(shí)踐環(huán)節(jié)，學(xué)生通過臨時(shí)突擊的考前復(fù)習(xí)和死記硬背就能通過考試。參考CDIO模式，采用多種方式評(píng)價(jià)學(xué)生的能力。課程總成績(jī)由三部分組成 。其中理論測(cè)試側(cè)重于原理性知識(shí)的理解掌握，平時(shí)成績(jī)考慮學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的表現(xiàn) 、參與小組討論的積極程度 ，實(shí)踐成績(jī)不僅只看實(shí)驗(yàn)結(jié)果還要考慮預(yù)習(xí)、設(shè)計(jì)、排錯(cuò)等幾方面能力。多方面考核因素的組合有利于引導(dǎo)學(xué)生既認(rèn)真學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)又注重知識(shí)的積累和綜合運(yùn)用，還鍛煉了動(dòng)手能力。

5 課程教學(xué)中的反思

課程教學(xué)中的反思是指就課程授課、實(shí)踐教學(xué)與實(shí)施過程中遇到的問題進(jìn)行回顧與討論。反思是一種互動(dòng)式的教學(xué)活動(dòng)，是課程教學(xué)中極其重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。教師通過反思，對(duì)教學(xué)方案、教學(xué)方法、教學(xué)態(tài)度不斷重新設(shè)計(jì)與改進(jìn)，提高了教學(xué)效果和自身教育教學(xué)水平。學(xué)生通過反思更好的理解和掌握課程知識(shí)，達(dá)到了能力培養(yǎng)的目的。

四、結(jié)語

《計(jì)算機(jī)組成原理與結(jié)構(gòu)》課程是計(jì)算機(jī)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程的課程，應(yīng)將學(xué)生實(shí)踐能力、系統(tǒng)觀的培養(yǎng)作為課程培養(yǎng)的重點(diǎn)。本教學(xué)改革在CDIO的教學(xué)理念下，針對(duì)《計(jì)算機(jī)組成原理與結(jié)構(gòu)》課程的特點(diǎn)，結(jié)合社會(huì)對(duì)“研究型+實(shí)踐型”的面向一線的應(yīng)用型工程人員的需要，改進(jìn)教學(xué)實(shí)踐的方式方法，能夠提高教學(xué)效果。

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