基于HCDIOR 的計算機組成原理課程改革

劉二林，劉 寧，王玉鋒

（濟寧醫(yī)學(xué)院 醫(yī)學(xué)信息工程學(xué)院，山東 濟寧 272068）

0 引 言

計算機組成原理作為計算機專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)核心課程，在現(xiàn)行傳統(tǒng)的培養(yǎng)模式下，重理論、輕實踐，授課模式單一，學(xué)生主體地位缺失，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，團隊合作精神、專業(yè)實踐能力、綜合素質(zhì)（能力）未得到鍛煉，造成學(xué)生能力與企業(yè)需求脫節(jié)，一方面企業(yè)求賢若渴，另一方面學(xué)生無法勝任崗位能力，造成就業(yè)難[1]。根據(jù)社會需求，結(jié)合學(xué)生的認知規(guī)律，在授課過程中引入CDIO 工程教育理念，并在此基礎(chǔ)上，加入誠信教育元素，引入HCDIOR 教學(xué)模式，以具體真實的項目為驅(qū)動，以能力大綱為基礎(chǔ)，以CDIO 的12 條標準[2]為綱領(lǐng)，以組建計算機組成原理為核心的課程群為依據(jù)，開放實驗為輔助，雙導(dǎo)師為保障，實現(xiàn)學(xué)生以主動的、實踐的、課程之間有聯(lián)系的方式參與學(xué)習(xí)，實現(xiàn)知識的獲取與能力培養(yǎng)。

1 CDIO理念引入教學(xué)

CDIO[3]工程教育模式是2006 年引入我國的先進的教育理念和方法，CDIO 代表構(gòu)思（conceive）－設(shè)計（design）－實現(xiàn)（implement）—運作（operate）和項目式教學(xué)實施方式，旨在培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力，以CDIO 的12 條標準實現(xiàn)能力與課程的銜接，在實踐中提高技能，使學(xué)生的技術(shù)知識和推理能力、個人職業(yè)能力、團隊交流能力、系統(tǒng)工程能力得到顯著提高。CDIO 模式與我國現(xiàn)行的高等教育對計算機專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)目標（知識、技能、能力和素質(zhì)4 部分）高度契合，更以其可行性、可操作性，得到眾多高校的響應(yīng)。通過學(xué)生的各種“做”——觀察、實驗、探究、體驗組織實施，通過項目活動獲取知識經(jīng)驗，再將經(jīng)驗根據(jù)自身原有的知識進行改造，提升能力[4]。實施后，通過學(xué)生及業(yè)界的反饋，進一步調(diào)整能力大綱，實現(xiàn)良性循環(huán)，制訂培養(yǎng)計劃，構(gòu)建硬件課程群，創(chuàng)新教學(xué)模式，開放實驗項目，提高學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新意識。

2 CDIO的傳承發(fā)展

2.1 能力大綱

通過實習(xí)、就業(yè)單位及校友的問卷調(diào)查反饋發(fā)現(xiàn)，學(xué)生理論知識扎實，誠實守信，但項目的解讀能力、團隊協(xié)作能力、實踐能力較弱，因此，針對工科學(xué)生畢業(yè)時應(yīng)學(xué)到的全部知識、能力、態(tài)度和掌握水平組織教學(xué)，并設(shè)計能力大綱（如圖1 所示）。改變過去由學(xué)校一方制訂培養(yǎng)方案的做法，經(jīng)由企業(yè)、校友反饋，通過需求分析，反向設(shè)計能力大綱[5]，正向課程群實施，實現(xiàn)企業(yè)所需求的技術(shù)能力即為應(yīng)傳授的知識技能，做到學(xué)以致用。

圖1 CDIO 能力大綱分解

2.2 教學(xué)模式

傳統(tǒng)的以教師為主模式下，教師為課堂的主體（授課內(nèi)容過于精細化），學(xué)生被動接受知識，只是按部就班地完成教學(xué)任務(wù)，缺少積極思考，創(chuàng)造性并未得到充分展現(xiàn)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生中心的教學(xué)模式后，以具體事例驅(qū)動培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)、主動思考、學(xué)會學(xué)習(xí)的能力，在HCDIOR模式下，教師的職責(zé)在教學(xué)中以結(jié)合具體案例貫穿CDIO 的實施為抓手（如圖2、圖3 所示）。教學(xué)活動中師生各司其職，共同參與，構(gòu)建學(xué)習(xí)共同體。在案例講解環(huán)節(jié)[6]，嚴格按照構(gòu)思—設(shè)計—實施—運作的流程展示給學(xué)生，而不是針對已經(jīng)做好的項目或系統(tǒng)為學(xué)生分析每句代碼、每個器件的功能，而更多關(guān)注如何選擇所需器件，如何連接、如何測試、如何糾錯、如何完善。以需求分析—構(gòu)建各功能模塊—解讀所需硬件知識和技術(shù)，搭建平臺，將方案予以實施—對硬件進行驗證為流程進行實施。

圖2 案例教學(xué)活動流程

圖3 CDIO模式下的教學(xué)活動的實施

2.3 課程群

應(yīng)以課程群的知識點融入具體項目，而不是以單獨的課程形式呈現(xiàn)，打破課程間的壁壘，實現(xiàn)課程內(nèi)容重組與優(yōu)化，并調(diào)整內(nèi)容和時序，以整體思路把計算機組成原理向前與數(shù)電、模電延伸，向后與接口技術(shù)、匯編語言、體系結(jié)構(gòu)等以課程群方式組建[7]，實現(xiàn)以課程間有機聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)，融合課程群內(nèi)知識，采用自上而下的設(shè)計理念，由整體到局部，項目需要什么知識點，就針對性地傳授相關(guān)知識。為學(xué)生提供各個項目的構(gòu)思—設(shè)計—實施—運行的流程，把課程所需的知識能力、能力培養(yǎng)目標融入教學(xué)形成一個整體。以計算機組成原理為基礎(chǔ)，把內(nèi)容緊密、有聯(lián)系的不同課程以課程群形式展現(xiàn)，打破傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容的屏障，實現(xiàn)從內(nèi)容分配、學(xué)時、先后順序重組、整合、優(yōu)化，“串聯(lián)”各知識點，融會貫通。具體項目實施時，淡化硬件內(nèi)部工作原理，注重實效性，強調(diào)芯片、器件、設(shè)備的外部特性和接口。

2.4 HCDIOR 的實施

在具體項目的實施過程中，學(xué)生不再是被動地接受知識，而是主動地思考，積極地表達，師生之間相互促進，共筑學(xué)習(xí)共同體[8]，并把HCDIOR 各環(huán)節(jié)貫穿項目實施過程中（如圖4 所示）。

1）H（honesty）誠信階段。

當代大學(xué)生需要擔(dān)負起社會賦予的光榮歷史使命，成為同齡人的表率。理應(yīng)表現(xiàn)出陽光、自信、堅強、成熟。我們在開學(xué)之初就開設(shè)專業(yè)思想課，秉承立德樹人的理念，開設(shè)孔子、孟子大講堂，大學(xué)生青年論壇等活動宣揚傳統(tǒng)文化和傳統(tǒng)美德，樹立誠實守信，誠信代碼，開設(shè)誠信考場，并簽署誠信承諾書，對失信學(xué)生，將在評獎、評優(yōu)時一票否決。

圖4 基于CDIO 的師生活動

2）C（conceive）構(gòu)思階段。

教師結(jié)合自身工程實踐經(jīng)驗，以軟件開發(fā)、軟件測試專業(yè)學(xué)生為對象，選取計算機組成原理中基于微程序控制器的簡單計算機系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)——即小型CPU 的設(shè)計實現(xiàn)為例進行教學(xué)。此項目貫穿計算機組成原理所有章節(jié)內(nèi)容，并涉及部分數(shù)字電子技術(shù)、微機接口技術(shù)，是一個綜合型項目，能較好地體現(xiàn)HCDIOR 的流程。首先通過微信公眾號提前下達任務(wù)書，學(xué)生利用前期實驗和所學(xué)知識，選擇適當?shù)男酒?，設(shè)計簡單的計算機系統(tǒng)；然后完成數(shù)據(jù)通路設(shè)計；以自己所設(shè)計的計算機系統(tǒng)為硬件環(huán)境，設(shè)計出完成指定功能的各指令周期流程圖。具體要求：①支持算術(shù)運算、邏輯運算、存儲器讀寫、寄存器間數(shù)據(jù)傳送；②支持立即數(shù)尋址、直接尋址、隱含尋址、寄存器尋址等尋址方式；③運行自己設(shè)計的指令系統(tǒng)構(gòu)成的程序，程序執(zhí)行功能正確；④畫出模型計算機系統(tǒng)的原理框圖和器件連接圖；⑤布線、調(diào)試、驗收。

根據(jù)提示用到的技術(shù)、知識點，明確步驟、方法，整個項目以學(xué)生為主，根據(jù)學(xué)生能力情況進行分組，7 人組成一個團隊，其中選派一名惠普實訓(xùn)中心高年級有實訓(xùn)經(jīng)驗的學(xué)長為組長，在組長的引領(lǐng)下小組成員分工合作，根據(jù)項目任務(wù)書查閱資料，進行頭腦風(fēng)暴和構(gòu)思，制訂初步方案，把項目分為運算通路模塊、存儲模塊、選擇電路模塊、時序電路模塊、機器指令模塊，據(jù)此確定所需芯片、器件，整個構(gòu)思過程以學(xué)生為主，每天制訂明確的任務(wù)，第二天的內(nèi)容是前一天內(nèi)容的擴展和延伸。教師以項目組織者、指導(dǎo)者、協(xié)作者的身份深入其中，實現(xiàn)共同學(xué)習(xí)、共同進步，改變傳統(tǒng)的師生關(guān)系，成為學(xué)習(xí)共同體。

3）D（design）設(shè)計階段。

教師對各小組提交的構(gòu)思方案進行審閱，對方案中的亮點予以肯定，對方案存在的問題予以集中答疑；學(xué)生根據(jù)教師反饋，小組成員集體協(xié)商，討論并予以修改、完善。方案中提倡模塊化設(shè)計，使各小模塊功能相對簡單。

4）I（implement）實施階段。

根據(jù)設(shè)計方案，按方案逐步實施，選擇硬件設(shè)備和所需芯片，實現(xiàn)硬件設(shè)備的安裝、搭建，在實施階段遇到問題，共同探討解決，教師予以指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生從課程群中找到知識點原型，通過此階段的實施，拓展學(xué)生知識的深度、廣度，使其對課程群中的知識點有更深刻的認識和理解，實現(xiàn)由抽象理論—具體項目—理論指導(dǎo)實踐的良性循環(huán)。

5）O（operate）運行階段。

此階段主要就搭建CPU 的硬件平臺予以測試、驗證，解決調(diào)試過程中遇到的問題并形成階段性成果，以適當?shù)男问接枰哉故荆邮芙處?、學(xué)生的評議。

6）R（recycle）再循環(huán)階段。

項目實施過程中，為學(xué)生建立學(xué)生畫像——電子檔案，記錄學(xué)生在項目中知識運用、能力體現(xiàn)情況，同時結(jié)合項目開展情況，要求學(xué)生提交自評報告和團隊總結(jié)報告，以便教師掌握學(xué)生的知識變化規(guī)律，提高項目設(shè)計能力，同時，隨著學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)和綜合能力的提升，駕馭項目的能力更強，師生形成良性循環(huán)，為后續(xù)開展的醫(yī)工結(jié)合項目——健康物聯(lián)網(wǎng)和CPU 的設(shè)計積累經(jīng)驗。

2.5 考核

CDIO 理念下的考核方式采用有別于傳統(tǒng)的期末筆試成績+實驗報告成績方式，采用了淡化筆試成績、強化過程的考核方式，且考核過程貫穿整個項目實施過程。在布置任務(wù)階段，通過公眾號推送項目任務(wù)書，學(xué)生預(yù)習(xí)、查閱并對實驗知識儲備進行測試，通過測試方能進入項目環(huán)節(jié)。采用多樣化的考試方式，強化過程考核[9]，如口試（10%）+差別化答辯（基礎(chǔ)較好學(xué)生，著重考查設(shè)計創(chuàng)新點；基礎(chǔ)水平一般學(xué)生，觀察學(xué)生在項目中的平時表現(xiàn)）（20%）+實習(xí)報告（10%）+團隊小組成績（15%）+課堂匯報中的表現(xiàn)（5%）+期末成績（40%），以了解學(xué)生知識掌握情況。

3 保障措施

3.1 提升教師能力

CDIO 教學(xué)理念的實施，部分改變了教師的身份，教師不再僅僅是知識的傳授者，更應(yīng)是項目的指導(dǎo)者、協(xié)調(diào)者、共同參與者，與學(xué)生一起成為學(xué)習(xí)共同體，因此，教師除具有淵博的理論知識外，還應(yīng)具備豐富的實踐項目經(jīng)驗，為此，應(yīng)鼓勵教師利用假期去校企合作企業(yè)學(xué)習(xí)，提升項目實踐能力，并利用與企業(yè)聯(lián)合申請項目的機會，深入企業(yè)了解崗位能力需求。針對學(xué)生培養(yǎng)方案中的不足之處，重新整合教學(xué)資源，適時調(diào)整培養(yǎng)方案和能力大綱，與此同時，邀請校內(nèi)具有工程實踐經(jīng)驗的教師利用假期對理論課教師進行培訓(xùn)，針對校內(nèi)的設(shè)備、培養(yǎng)要求和培養(yǎng)標準制訂專門的培訓(xùn)內(nèi)容，提高教師的專業(yè)技能水平。

3.2 為學(xué)生配備專業(yè)導(dǎo)師

為全面了解學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)動態(tài)，及時準確予以“精準幫扶”，可為每名學(xué)生配備校內(nèi)校外導(dǎo)師，實現(xiàn)校內(nèi)校外共同培育，彌補校內(nèi)教師工程能力的不足。

3.3 開放實驗室

為擴展項目及實現(xiàn)科研反哺教學(xué)，使學(xué)生了解最前沿的學(xué)科動態(tài)、技術(shù)，應(yīng)為學(xué)有余力、有興趣的學(xué)生提供開放實驗項目，延伸實驗室功能。學(xué)生可以通過學(xué)分教務(wù)系統(tǒng)進行開放實驗預(yù)約，開放實驗項目一般是教師申報項目的子課題，同時開放項目也是教師課題項目結(jié)題驗收的重要因素，這從制度層面密切了教師與學(xué)生關(guān)系。經(jīng)過開放實驗的洗禮，學(xué)生的視野更開闊，綜合能力得到提高，可以提升下階段設(shè)計項目的起點，實現(xiàn)項目（實踐技能）難度的提升。

3.4 強化校企合作，注重實戰(zhàn)

1）頂崗實習(xí)。

以濟寧醫(yī)學(xué)院為例，軟件開發(fā)、軟件測試專業(yè)采用了3+1 培養(yǎng)模式，即3 年在校內(nèi)學(xué)習(xí)，1年在企業(yè)（惠普）頂崗實習(xí)，綜合運用所學(xué)理論知識和技能完成一定具體的任務(wù)。為督促企業(yè)積極響應(yīng)并提供頂崗實習(xí)崗位，對學(xué)生實習(xí)進行考核的同時，也加強了對企業(yè)的監(jiān)管。

2）引企入校。

把企業(yè)的實訓(xùn)、項目的研發(fā)中心引入學(xué)校。濟寧醫(yī)學(xué)院成立了惠普工作室、緯庫工作室、秒視工作室、雙惠醫(yī)療器械工作室，在校內(nèi)實現(xiàn)了理論與實訓(xùn)的結(jié)合，為學(xué)生提供便利實訓(xùn)機會的同時，使得教師與企業(yè)交流、溝通更加便捷。

3）以賽代練。

在開放實驗的基礎(chǔ)上，完善實驗項目的功能，組建參賽團隊，促進HCDIOR 理念開花結(jié)果。2015—2018 年以來，我校獲齊魯軟件設(shè)計大賽二等獎3 次、ACM 三等獎2 次、機器人大賽二等獎3 次、信息安全大賽二等獎2 次、全國高校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新大賽二等獎、山東省互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)生創(chuàng)業(yè)大賽金獎、中國互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)銀獎，申請大學(xué)生國家創(chuàng)新項目23項。通過大賽的洗禮，學(xué)生能力得以鍛煉，團隊合作能力得以加強，自信心顯著提升，形成了良好的學(xué)習(xí)風(fēng)氣，對實驗教學(xué)的開展起到良好的促進作用。

4 結(jié) 語

濟寧醫(yī)學(xué)院在計算機專業(yè)具體CDIO 的實施過程中，結(jié)合醫(yī)工特色，以綜合素質(zhì)能力為基礎(chǔ)，以社會需求為抓手，以強化實踐能力為目標的“四項原則[10]”為基礎(chǔ)，并結(jié)合專業(yè)思想教育進行誠信教育，通過具體項目的構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運作，在引入CDIO 模式的基礎(chǔ)上，加入誠信、循環(huán)元素，構(gòu)建了HCDIOR 的模式，以具體項目為載體，全面培育了學(xué)生的構(gòu)思—設(shè)計—實施—運作的能力，做到學(xué)思聯(lián)系、知行統(tǒng)一，提升了學(xué)生的工程實踐能力。通過對2014—2016 級每級兩個班學(xué)生（其中2014 級120 人、2015 級118 人、2016 級120 人）進行的調(diào)查問卷及業(yè)界反饋數(shù)據(jù)的分析（如圖5 所示），證明了HCDIOR 教學(xué)模式的有效性和實用性。

圖5 HCDIOR 教學(xué)效果分析