面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)改革探索

張文宇，王 睿，趙洪華，唐艷琴

（陸軍工程大學(xué)指揮控制工程學(xué)院，江蘇南京 210007）

0 引言

隨著新工科建設(shè)的不斷深入，高等院校人才知識(shí)結(jié)構(gòu)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)有了更高要求，更加聚焦于對(duì)學(xué)生科技素養(yǎng)、創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力及工程思維的培養(yǎng)［1］。如何在教學(xué)中強(qiáng)化工程教育理念，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)能力，是計(jì)算機(jī)類專業(yè)教學(xué)所面臨的重要課題。系統(tǒng)能力是指依據(jù)確定的系統(tǒng)功能，設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)工程目標(biāo)的能力，其具有突出的工程特征，是解決復(fù)雜工程問題的基本能力［2］。計(jì)算機(jī)組成原理課程是計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程，通過課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)組成結(jié)構(gòu)和工作原理，構(gòu)建軟/硬件協(xié)同的整體系統(tǒng)概念。該課程的教學(xué)更是讓學(xué)生建立系統(tǒng)認(rèn)知，培養(yǎng)系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)能力不可或缺的重要環(huán)節(jié)。

1 教學(xué)中存在的問題

目前陸軍工程大學(xué)計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)在系統(tǒng)能力培養(yǎng)方面存在如下問題：

（1）原有教學(xué)體系以X86 系統(tǒng)為主線，重原理、輕實(shí)現(xiàn)。因X86 指令系統(tǒng)過于復(fù)雜，學(xué)生難以開展X86 CPU 設(shè)計(jì)，導(dǎo)致其無法深入理解CPU 的組織結(jié)構(gòu)和工作原理。

（2）與其它課程關(guān)聯(lián)度不夠緊密，學(xué)生往往忽視硬件視角下編譯優(yōu)化的基本技術(shù)，不能理解從硬件角度出發(fā)編制高效程序的基本原理，因而難以提高利用硬件知識(shí)進(jìn)行程序調(diào)試的能力，也難以勝任復(fù)雜的涉及軟/硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的任務(wù)。

（3）實(shí)驗(yàn)任務(wù)重，課時(shí)少，原有課程實(shí)驗(yàn)在X86 實(shí)驗(yàn)箱平臺(tái)開展，包含驗(yàn)證性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)受限于呈現(xiàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)受限于硬件體系，學(xué)生僅能完成部分硬件設(shè)計(jì)，不能構(gòu)建完整的硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)的缺乏，使得學(xué)生系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)能力較差。

在計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)研究中，更多地是強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生“解決問題”、“創(chuàng)新思維”能力的培養(yǎng)［3］，而對(duì)于系統(tǒng)能力培養(yǎng)的具體方法及實(shí)施過程缺少細(xì)致研究。

2 教學(xué)改革理念

CDIO 是當(dāng)前國際上實(shí)施高等工程教育的一種創(chuàng)新模式。CDIO 代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)施（Implement）和運(yùn)行（Operate）［4］。CDIO 倡導(dǎo)“做中學(xué)”和“基于項(xiàng)目的教育和學(xué)習(xí)”，其以工程項(xiàng)目從研發(fā)到運(yùn)行的生命周期為載體［5］，通過項(xiàng)目設(shè)計(jì)將整個(gè)課程體系系統(tǒng)、有機(jī)地結(jié)合起來，促使學(xué)生以主動(dòng)、實(shí)踐的方式參與到課程各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中，培養(yǎng)其工程實(shí)踐能力［6］。

基于對(duì)課程現(xiàn)狀的分析，在課程教學(xué)中引入CDIO 教學(xué)模式，以提高學(xué)生的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)能力為目標(biāo)，對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)進(jìn)行改革。課程改革理念為“基于CDIO 教學(xué)模式構(gòu)建系統(tǒng)觀，培養(yǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力”，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)方法和教學(xué)組織等方面開展教學(xué)改革：①優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體觀；②改革實(shí)驗(yàn)體系，培養(yǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力；③改進(jìn)教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力；④改革評(píng)價(jià)方式，強(qiáng)化能力導(dǎo)向。

3 教學(xué)改革主要工作

3.1 教學(xué)內(nèi)容重塑

3.1.1 以MIPS 處理器為主線，貫通課程知識(shí)體系

以MIPS 處理器為主線重塑教學(xué)內(nèi)容，圍繞處理器設(shè)計(jì)，將MIPS 指令體系、存儲(chǔ)系統(tǒng)、處理器、I/O 系統(tǒng)等知識(shí)串聯(lián)起來，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)者角度理解軟硬件協(xié)同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，構(gòu)建計(jì)算機(jī)組成原理的知識(shí)框架。課程知識(shí)體系組織與設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 課程知識(shí)體系組織與設(shè)計(jì)

處理器設(shè)計(jì)部分在傳統(tǒng)內(nèi)容基礎(chǔ)上大幅增加了流水線技術(shù)、并行處理技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，依照“數(shù)據(jù)通路→單周期處理器→多周期處理器→五段流水線處理器→流水線冒險(xiǎn)及解決方法→超標(biāo)量、超流水線處理器”的次序，以MIPS 處理器為主線，循序漸進(jìn)地讓學(xué)生了解CPU 設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展過程。

3.1.2 建立與其它課程之間的緊密關(guān)聯(lián)，體現(xiàn)軟硬件協(xié)同思想

計(jì)算機(jī)組成原理課程在整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)課程鏈中起到承上啟下的作用，而在以往的課程教學(xué)中，往往忽略了課程之間的知識(shí)關(guān)聯(lián)，學(xué)生學(xué)到的很多知識(shí)點(diǎn)是孤立的。在教學(xué)改革中將計(jì)算機(jī)軟件與硬件進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，幫助學(xué)生從程序執(zhí)行的角度理解計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)觀，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的綜合分析能力。

（1）與程序設(shè)計(jì)類課程的關(guān)聯(lián)。學(xué)生學(xué)習(xí)高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)時(shí)，往往會(huì)忽視硬件視角下的編譯優(yōu)化基本技術(shù)，不能理解從硬件角度出發(fā)編制高效程序的基本原理，從而難以提高利用硬件知識(shí)進(jìn)行程序調(diào)試的能力。因此，教學(xué)改革從教學(xué)內(nèi)容上建立高級(jí)語言中各種數(shù)據(jù)類型與底層硬件機(jī)器數(shù)據(jù)表示及存儲(chǔ)的關(guān)聯(lián)、高級(jí)語言中指針與內(nèi)存地址的關(guān)聯(lián)、高級(jí)語言語句實(shí)現(xiàn)與指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)聯(lián)、高級(jí)語言程序性能與存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)。在涉及到與程序設(shè)計(jì)課程有關(guān)內(nèi)容（如數(shù)據(jù)表示、存儲(chǔ)方式、指令尋址方式、Cache 工作原理等）時(shí)，通過舉例和編程調(diào)試練習(xí)讓學(xué)生理解硬件設(shè)計(jì)與程序設(shè)計(jì)的關(guān)系，使學(xué)生建立“從程序員視角理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)者視角理解程序執(zhí)行”的軟、硬件密切相關(guān)的設(shè)計(jì)思想，在提高學(xué)生硬件設(shè)計(jì)能力的同時(shí)，也增強(qiáng)了學(xué)生進(jìn)行高效、系統(tǒng)化程序設(shè)計(jì)的能力。

（2）與電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的關(guān)聯(lián)。電子技術(shù)基礎(chǔ)課程是在計(jì)算機(jī)組成原理課程之前開設(shè)的硬件基礎(chǔ)課程，兩個(gè)課程關(guān)聯(lián)度較高，例如計(jì)算機(jī)組成原理中的行波進(jìn)位加法器、超前進(jìn)位加法器設(shè)計(jì)需要用到電子技術(shù)基礎(chǔ)課程中學(xué)到的半加器、全加器等器件，但本課程教學(xué)重點(diǎn)在于讓學(xué)生理解如何快速實(shí)現(xiàn)加法器，而不像數(shù)電的重點(diǎn)在于芯片級(jí)聯(lián)。計(jì)算機(jī)組成原理課程的處理器設(shè)計(jì)與電子技術(shù)基礎(chǔ)課程中組合邏輯電路和時(shí)序電路的各類器件更是密切相關(guān)，在教學(xué)改革中通過增加必要的過渡內(nèi)容，令學(xué)生加深對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解，學(xué)會(huì)運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

（3）與操作系統(tǒng)課程的關(guān)聯(lián)。操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)組成原理的后續(xù)課程，強(qiáng)調(diào)操作系統(tǒng)對(duì)計(jì)算機(jī)資源的關(guān)聯(lián)，而計(jì)算機(jī)組成原理課程介紹的正是這些資源。例如，兩門課程都會(huì)介紹3 種虛擬管理方式：地址轉(zhuǎn)換、頁表和頁表項(xiàng)、TLB，如果不特別強(qiáng)調(diào)硬件和操作系統(tǒng)在虛擬存儲(chǔ)機(jī)制中的角色，會(huì)給學(xué)生帶來困惑，不知道哪些功能是由硬件實(shí)現(xiàn)的，哪些功能是由操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。在教學(xué)內(nèi)容方面，將虛擬存儲(chǔ)管理與指令執(zhí)行相關(guān)聯(lián)進(jìn)行講解，具體說明計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中硬件與操作系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)完成特定任務(wù)的過程，幫助學(xué)生理解硬件與操作系統(tǒng)的作用。

（4）與編譯原理課程的關(guān)聯(lián)。編譯原理也是計(jì)算機(jī)組成原理的后續(xù)課程，編譯器的功能是將高級(jí)語言程序轉(zhuǎn)換為機(jī)器級(jí)代碼，而機(jī)器級(jí)代碼相關(guān)內(nèi)容就是計(jì)算機(jī)組成課程講解的主要內(nèi)容。在改革后的課程內(nèi)容中，強(qiáng)調(diào)經(jīng)過編譯后得到的機(jī)器級(jí)程序，以及匯編程序設(shè)計(jì)與編譯處理的關(guān)系，以強(qiáng)化編譯程序與計(jì)算機(jī)組成原理內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)，潛移默化地加強(qiáng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體概念的理解。

3.2 實(shí)驗(yàn)體系改革

（1）設(shè)計(jì)“點(diǎn)面結(jié)合，遞進(jìn)綜合”的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)理論實(shí)踐一體化。課程概述及基礎(chǔ)知識(shí)部分理論性較強(qiáng)，因此作為前期基礎(chǔ)內(nèi)容由教師主講，以問題引導(dǎo)和啟發(fā)式教學(xué)方式開展。為了更好地引導(dǎo)學(xué)生深入理解硬件部件的組織結(jié)構(gòu)和工作原理，在實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并以CDIO 教學(xué)模式組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的過程中通過“一講一做”構(gòu)建理論知識(shí)，以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目促進(jìn)課程教學(xué)，提高學(xué)生的實(shí)踐能力。

以系統(tǒng)能力培養(yǎng)為目標(biāo)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容緊扣理論教學(xué)重難點(diǎn)，課程內(nèi)容覆蓋率達(dá)到100%，從而為理論教學(xué)提供有效支撐。按照布魯姆認(rèn)知分類法中的運(yùn)用、分析、綜合3 個(gè)層次，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也劃分為3 個(gè)層次。

第1 層次：基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。主要通過對(duì)1 位全加器、4 位行波進(jìn)位加法器和先行進(jìn)位加法器、可控加減法器等電路的構(gòu)建，熟悉實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及電路設(shè)計(jì)流程。

第2 層次：進(jìn)階設(shè)計(jì)。分析運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、寄存器堆等部件的工作機(jī)制，設(shè)計(jì)各個(gè)部件并測(cè)試電路功能。

第3 層次：綜合設(shè)計(jì)。構(gòu)建數(shù)據(jù)通路，設(shè)計(jì)單周期處理器及五段流水CPU。

實(shí)驗(yàn)的推進(jìn)過程是將處理器設(shè)計(jì)的高難度任務(wù)分解成若干難易度遞進(jìn)的子任務(wù)和單元實(shí)驗(yàn)，將問題分析與知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用融為一體，圍繞計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)能力培養(yǎng)目標(biāo)，讓學(xué)生從簡(jiǎn)單組合邏輯電路開始，難度遞進(jìn)地設(shè)計(jì)加法器、ALU、存儲(chǔ)器、寄存器堆、控制器、單周期處理器，直至流水線處理器，一步步深入理解計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)工作原理，以及指令在硬件中的執(zhí)行過程。

圖2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目層次遞進(jìn)關(guān)系

（2）設(shè)計(jì)規(guī)范化的實(shí)驗(yàn)用例，編寫配套實(shí)驗(yàn)教程。前期通過調(diào)研分析各高校實(shí)驗(yàn)實(shí)施情況和教學(xué)儀器廠家的教學(xué)儀器情況，最終采用跨平臺(tái)開源的Logisim 虛擬仿真平臺(tái)。該平臺(tái)易上手、易調(diào)試且無實(shí)驗(yàn)成本，突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中因使用實(shí)驗(yàn)箱產(chǎn)生的時(shí)間與空間限制，解決了因?qū)嶒?yàn)學(xué)時(shí)縮減，不適合選用學(xué)習(xí)周期長(zhǎng)的硬件描述語言進(jìn)行硬件開發(fā)的問題。每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目均設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)化的外圍框架提供輸入和輸出，學(xué)生可在外圍框架內(nèi)自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路。

編寫配套實(shí)驗(yàn)教程，內(nèi)容涵蓋實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用說明、新手入門案例，以及各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟和課后思考等。硬件設(shè)計(jì)過程中需要查找元件庫，了解器件的引腳說明和參數(shù)設(shè)置等，過程較為繁瑣。所編寫的實(shí)驗(yàn)教程解決了這一問題，學(xué)生可查閱實(shí)驗(yàn)教程，熟悉實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，快捷查找所需的元件說明，了解實(shí)驗(yàn)要求及相關(guān)原理，并參照實(shí)施步驟開展實(shí)驗(yàn)，通過完成課后思考題加深對(duì)硬件設(shè)計(jì)及相關(guān)知識(shí)的理解。

3.3 CDIO 教學(xué)模式設(shè)計(jì)

課程教學(xué)采用CDIO 教學(xué)模式開展項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)，教學(xué)流程如圖3 所示，教學(xué)設(shè)計(jì)體現(xiàn)在“任務(wù)設(shè)置”、“任務(wù)實(shí)施”和“任務(wù)評(píng)價(jià)”3 個(gè)階段。

圖3 CDIO 教學(xué)流程設(shè)計(jì)

3.3.1 任務(wù)設(shè)置階段

首先對(duì)課程結(jié)構(gòu)和教學(xué)大綱進(jìn)行分析，羅列出各章節(jié)教學(xué)主題，根據(jù)教學(xué)主題提出符合整個(gè)課程知識(shí)體系的教學(xué)計(jì)劃，并設(shè)計(jì)任務(wù)驅(qū)動(dòng)方案。任務(wù)設(shè)置階段的要點(diǎn)包括：

（1）將教學(xué)內(nèi)容與具體任務(wù)相結(jié)合，學(xué)生帶著項(xiàng)目設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行學(xué)習(xí)。

（2）設(shè)計(jì)任務(wù)循序漸進(jìn)，先易后難，有層次遞進(jìn)的內(nèi)在聯(lián)系，難度隨著教學(xué)內(nèi)容的深入逐漸增大。促進(jìn)學(xué)生一步步深入學(xué)習(xí)，直至掌握難度較大的知識(shí)點(diǎn)。

（3）設(shè)置任務(wù)時(shí)設(shè)計(jì)思考題，帶著問題進(jìn)行設(shè)計(jì)，有助于培養(yǎng)學(xué)生自主分析與解決問題的能力，達(dá)到更好的教學(xué)效果。例如在布置單周期數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)，設(shè)置如下問題：控制信號(hào)產(chǎn)生的依據(jù)是什么？單周期CPU 中的時(shí)鐘周期如何確定？

3.3.2 任務(wù)實(shí)施階段

在理論課堂上，引導(dǎo)學(xué)生思考、消化和吸收知識(shí)；在實(shí)踐課堂上，留給學(xué)生充裕的操作時(shí)間，當(dāng)涌現(xiàn)出新問題時(shí)，發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，引導(dǎo)學(xué)生思考解決方案，并在最后作總結(jié)回顧。課外布置思考題，學(xué)生查找資料并進(jìn)行交流學(xué)習(xí)。例如在開展單周期數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)，以小組為單位對(duì)如下問題開展課后討論：在單周期CPU 執(zhí)行指令過程中，各組件并發(fā)情況是怎樣的？計(jì)算單周期和多周期CPU 執(zhí)行同一程序段，哪個(gè)花費(fèi)時(shí)鐘周期更多，是否多周期性能更差，為什么？

改革任務(wù)實(shí)施階段組織形式如下：

（1）將學(xué)生按4～5 人劃分為學(xué)習(xí)研討小組，基于課程重難點(diǎn)問題以及對(duì)課堂知識(shí)的擴(kuò)展，設(shè)計(jì)課前預(yù)習(xí)、課堂研討、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、小組匯報(bào)等環(huán)節(jié)，每組學(xué)生課后查閱資料，并進(jìn)行討論交流。通過小組分工的方式使學(xué)生取長(zhǎng)補(bǔ)短、共同進(jìn)步，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作能力。

（2）實(shí)施CDIO 小組合作，以組內(nèi)協(xié)作、組間競(jìng)爭(zhēng)、自主探究的方式推動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)，從構(gòu)思→討論→修正→設(shè)計(jì)→實(shí)施一步步完成計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.3.3 任務(wù)評(píng)價(jià)階段

成績(jī)?cè)u(píng)定以學(xué)生在全過程的實(shí)際表現(xiàn)及學(xué)習(xí)成果為依據(jù)，其中理論考試占60%，平時(shí)成績(jī)占10%，實(shí)驗(yàn)成績(jī)占30%。平時(shí)成績(jī)包括平時(shí)作業(yè)、課堂表現(xiàn)、小組匯報(bào)等，實(shí)驗(yàn)成績(jī)包括綜合設(shè)計(jì)答辯、設(shè)計(jì)成果、實(shí)驗(yàn)文檔等。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)注重過程性考核，采用進(jìn)度跟蹤、項(xiàng)目匯報(bào)等多種形式對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行考核，引導(dǎo)學(xué)生初步建立系統(tǒng)分析與實(shí)踐能力。

4 教學(xué)改革實(shí)施情況

4.1 教改對(duì)象

以陸軍工程大學(xué)2019 年秋季學(xué)期的計(jì)算機(jī)組成原理課程為教學(xué)改革對(duì)象，學(xué)習(xí)周期為20 周，采用小班化教學(xué)，分為兩個(gè)班次，A 班次17 名學(xué)生，B 班次27 名學(xué)生，共44 名學(xué)生參加教改課程學(xué)習(xí)。

4.2 教改效果

（1）學(xué)生自主學(xué)習(xí)與自主思考能力提升。CDIO 教學(xué)體系按照認(rèn)知規(guī)律，將知識(shí)的傳遞、內(nèi)化、鞏固與拓展過程分別放在課前、課中和課后完成，借助交流互動(dòng)、節(jié)點(diǎn)任務(wù)和匯報(bào)答辯等手段，引導(dǎo)與促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。如今需要學(xué)生討論及設(shè)計(jì)的任務(wù)更多，學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性也得到了提高。在課程實(shí)施初期，有些學(xué)生還習(xí)慣性地遇到問題就向教師求教，或在教師提問時(shí)翻書查找答案。隨著CDIO任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式的開展，學(xué)生能在教師的引導(dǎo)下主動(dòng)提出解決方案，根據(jù)自身理解詮釋知識(shí)要點(diǎn)，并提出自己的見解。各個(gè)小組能在研討課開始前積極準(zhǔn)備資料，在課上積極發(fā)言、搶答，甚至進(jìn)行比賽。

（2）學(xué)生系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)能力明顯提升。表2 為教改前（2018 秋季學(xué)期）后（2019 秋季學(xué)期）學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目情況對(duì)比，可看出實(shí)施教改后，學(xué)生在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)完成的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目更多，而且能夠完成完整的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)了良好的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)能力。

表1 教改前后實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完成情況對(duì)比

（3）學(xué)習(xí)滿意度提升。學(xué)習(xí)滿意度主要通過問卷調(diào)查的形式反饋學(xué)生對(duì)整個(gè)教學(xué)實(shí)施過程的體驗(yàn)，如圖4 所示。數(shù)據(jù)表明，教改前（2018 秋季學(xué)期）和教改后（2019 秋季學(xué)期）學(xué)生對(duì)教學(xué)實(shí)施和教學(xué)組織的滿意度相差不是很明顯，但其教改后的學(xué)習(xí)體驗(yàn)、學(xué)習(xí)效果以及對(duì)教學(xué)內(nèi)容的滿意度較教改前有明顯提升。

5 結(jié)語

圖4 學(xué)習(xí)滿意度調(diào)查

基于CDIO 教學(xué)理念，以構(gòu)建系統(tǒng)觀、培養(yǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力為目標(biāo)，提出計(jì)算機(jī)組成原理課程改革措施，并在兩個(gè)班次的課程教學(xué)中進(jìn)行實(shí)證檢驗(yàn)。結(jié)果表明，基于CDIO模式開展計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)改革，將學(xué)習(xí)過程分為構(gòu)思、設(shè)計(jì)、開發(fā)及實(shí)施4 個(gè)階段，能有效培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等多種能力，符合當(dāng)下新工科教育發(fā)展的趨勢(shì)。后續(xù)研究將進(jìn)一步探索CDIO 與其它教學(xué)模式的融合，以及在線課程實(shí)施中如何運(yùn)用CDIO 教學(xué)模式等。