基于CDIO理念和課程思政的應(yīng)用型本科院校計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)實(shí)踐研究

關(guān)鍵詞：課程思政；CDIO；教學(xué)實(shí)踐；計(jì)算機(jī)組成原理

1 背景

計(jì)算機(jī)組成原理作為應(yīng)用型本科院校計(jì)算機(jī)類專業(yè)的必修課程，在教學(xué)過程中側(cè)重計(jì)算機(jī)硬件原理的講授，對學(xué)生構(gòu)建馮·諾依曼計(jì)算機(jī)知識體系結(jié)構(gòu)，理解計(jì)算機(jī)從硬件原理到軟件運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)至關(guān)重要[1]。由于當(dāng)下計(jì)算機(jī)元器件高度集成化以及芯片功能復(fù)雜化，硬件原理相關(guān)教學(xué)內(nèi)容在教師講授和學(xué)生學(xué)習(xí)過程中存在直觀性較差、抽象程度較高等問題。教師通常從電路原理圖入手，采用傳統(tǒng)的講授法授課，而學(xué)生在理解基本元器件功能到集成芯片功能方面還存在較大鴻溝。長期以來，計(jì)算機(jī)組成原理課程面臨著教師難教、學(xué)生難學(xué)的“兩難”問題[2]。此外，應(yīng)用型本科院校的學(xué)情還有其特殊性：學(xué)生對電阻、電容、電感、二極管、三極管等基本硬件原理掌握不夠扎實(shí)，在學(xué)習(xí)或、與、非、異或等邏輯電路時(shí)往往需要重新復(fù)習(xí)基本硬件知識，進(jìn)而導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)芯片原理時(shí)較為吃力；學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過程中深入探索的意愿不足，自主學(xué)習(xí)能力一般[3]。如果在有限的教學(xué)學(xué)時(shí)中貪大求全，追求面面俱到，只注重嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撝v授而忽視感性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，勢必會造成學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)畏難情緒，進(jìn)而導(dǎo)致課程學(xué)習(xí)效果不佳，學(xué)生動手實(shí)踐能力得不到充分鍛煉，應(yīng)用型教學(xué)目標(biāo)難以達(dá)成。本論文作者通過總結(jié)多年來計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合應(yīng)用型本科院校的教學(xué)目標(biāo)要求以及學(xué)生學(xué)情，針對教學(xué)過程中存在的“兩難”情況，有目的地精簡理論教學(xué)內(nèi)容，在理論教學(xué)過程中增加硬件原理的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，不斷提升學(xué)生對硬件原理的感性認(rèn)知和課堂參與度；結(jié)合CDIO（Conceive、De?sign、Implement、Operate） 工程教育理念[4]，合理安排綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，注重對學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)；為有效將思想政治教育工作貫穿教育教學(xué)全過程，結(jié)合計(jì)算機(jī)硬件領(lǐng)域的最新發(fā)展成果，深入挖掘課程思政元素，建立了課程思政案例庫，明確了各個(gè)案例在教學(xué)過程中的切入點(diǎn)和切入方式，幫助學(xué)生牢固樹立愛國主義思想以及正確的世界觀、人生觀、價(jià)值觀。

2 具體舉措

下面將從課程內(nèi)容的優(yōu)化、CDIO理念的實(shí)施以及課程思政的融入三個(gè)方面介紹計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)實(shí)踐的改革。

2.1 課程內(nèi)容的優(yōu)化

相較于研究型本科院校，應(yīng)用型本科院校計(jì)算機(jī)類專業(yè)人才培養(yǎng)方案更注重學(xué)生對計(jì)算機(jī)基本原理的理解和基本技能的應(yīng)用，不盲目追求前沿與精深[5]。因此，有必要對鄂爾多斯應(yīng)用技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)組成原理課程中現(xiàn)有的理論內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化的原則有：

1） 對于不能反映當(dāng)前計(jì)算機(jī)發(fā)展水平的過時(shí)內(nèi)容進(jìn)行精簡，例如CRT 顯示器、機(jī)械式鼠標(biāo)原理、Sparc指令系統(tǒng)等內(nèi)容；增加對計(jì)算機(jī)前沿知識的介紹，例如超級計(jì)算機(jī)、量子計(jì)算機(jī)、DDR-5、國產(chǎn)CPU 和指令系統(tǒng)以及ARM等內(nèi)容。

2） 對于理論、原理較為復(fù)雜，不符合應(yīng)用型人才培養(yǎng)要求的內(nèi)容進(jìn)行精簡或弱化，例如乘法器、除法器的硬件原理，超標(biāo)量、超流水處理機(jī)原理，浮點(diǎn)運(yùn)算器原理等，虛擬內(nèi)存的硬件實(shí)現(xiàn)，時(shí)序原理等。

3） 增加驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)化學(xué)生對基本元器件、基本芯片原理的認(rèn)知；例如增加74LS181 ALU 芯片、74LS299移位運(yùn)算芯片、74LS245寄存器芯片、6264內(nèi)存芯片以及74LS139片選控制等芯片的基本原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)；合理安排綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)生對計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)能力，加深學(xué)生對計(jì)算機(jī)各硬件部件協(xié)調(diào)工作過程的理解。

以上優(yōu)化措施使得本課程的理論和實(shí)踐內(nèi)容更加與時(shí)俱進(jìn)，突出了對基本理論和重要原理的講授，強(qiáng)調(diào)了學(xué)生對常用集成芯片功能的理解和應(yīng)用，符合應(yīng)用型本科院校對基本理論和實(shí)踐技能的要求。

2.2 CDIO 理念的實(shí)施

圍繞應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，為在計(jì)算機(jī)組成原理課程中貫徹執(zhí)行CDIO工程教育理念，不斷提升學(xué)生對計(jì)算機(jī)基本原理的理解和基本技能的應(yīng)用，課程組于2021年引入MH800-CP226型計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)箱（如圖1所示）用于鄂爾多斯應(yīng)用技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)組成原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，有效支撐了CDIO理念在教學(xué)過程中的實(shí)踐?；谠搶?shí)驗(yàn)平臺開設(shè)的實(shí)驗(yàn)如表1所示。

基于MH800-CP226型計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)箱，共計(jì)安排設(shè)計(jì)了16學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)，其中包括8學(xué)時(shí)的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)和8學(xué)時(shí)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)基本滿足了本課程主要原理的驗(yàn)證和基本技能的實(shí)踐需求。為了培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神（同時(shí)受現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量不足的限制），實(shí)驗(yàn)以小組為單位進(jìn)行，每組選舉產(chǎn)生組長，由組長負(fù)責(zé)組織本組實(shí)驗(yàn)的開展。學(xué)生需要記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告冊，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)考核依據(jù)為實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的完成情況，采用百分制計(jì)分，并按照課程大綱要求進(jìn)行折算后計(jì)入該課程總分。

CDIO理念主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中。例如，在基本模型機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程中，以小組為單位進(jìn)行，小組選舉組長，組長帶領(lǐng)組員從微程序分析入手，安排組員合作完成程序設(shè)計(jì)、代碼輸入以及運(yùn)行實(shí)現(xiàn)。組長根據(jù)各組員對實(shí)驗(yàn)的貢獻(xiàn)進(jìn)行評分，作為組內(nèi)學(xué)生個(gè)人實(shí)驗(yàn)成績的依據(jù)之一；而組長的成績則由授課教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告情況給出，這體現(xiàn)了以學(xué)生為主、教師引導(dǎo)的工程教育理念。

2.3 課程思政的融入

深入挖掘?qū)I(yè)課程教學(xué)方式中蘊(yùn)含的思想政治教育資源，是實(shí)現(xiàn)全員全程全方位育人的重要舉措[4]。在我國新時(shí)代經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展的背景下，計(jì)算機(jī)組成原理課程作為一門原理性、技術(shù)性較強(qiáng)的工科課程，其內(nèi)在蘊(yùn)含著豐富的思想政治教育資源[6]。為深入落實(shí)“立德樹人”的根本任務(wù)，課題組結(jié)合計(jì)算機(jī)領(lǐng)域前沿知識，深入挖掘本課程中的思政資源，建立了課程思政案例庫。結(jié)合課程教學(xué)內(nèi)容，合理設(shè)計(jì)了每一次課的思政切入點(diǎn)和切入方式，力求使課程思政對學(xué)生思想產(chǎn)生潛移默化的影響效果。

基于CDIO理念和課程思政的應(yīng)用型本科院校計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)實(shí)踐如圖2所示。在該教學(xué)實(shí)踐中，理論教學(xué)通過結(jié)合案例的講授式教學(xué)開展，個(gè)人實(shí)踐能力訓(xùn)練和團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目能力訓(xùn)練則通過驗(yàn)證性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)展開，重點(diǎn)突出學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過程中的主體地位。學(xué)生在理解計(jì)算機(jī)基本原理、掌握基本計(jì)算機(jī)應(yīng)用技能的同時(shí)，授課教師也要充分發(fā)揮引導(dǎo)、啟發(fā)、監(jiān)控教學(xué)的功能。在所有的教學(xué)環(huán)節(jié)中，我們深入結(jié)合授課內(nèi)容，適時(shí)開展課程思政教育，充分發(fā)揮專業(yè)課教師思政育人的職能。例如，在講授總線通信時(shí)，我們指出電磁波可以代表二進(jìn)制數(shù)據(jù)，進(jìn)而介紹了為什么涉密計(jì)算機(jī)不允許插優(yōu)盤、涉密計(jì)算機(jī)的電源插頭不能插在普通插座上的原因，從而加深了學(xué)生對計(jì)算機(jī)保密工作的認(rèn)識。

3 成效及存在問題

自2021年以來，課程組連續(xù)三年在計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)實(shí)踐中采用新的教學(xué)實(shí)踐模式，并取得了較好的效果。為進(jìn)行對比，選擇了2020年未采用新教學(xué)實(shí)踐模式的數(shù)據(jù)作為參照，如圖3所示。

可以看出，由于加入了實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的考核，成績構(gòu)成更全面地體現(xiàn)了對學(xué)生理論和實(shí)踐環(huán)節(jié)的考核。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)反過來也深化了學(xué)生對理論的理解，學(xué)生整體及格率也隨之逐年遞增。在2020年的教學(xué)實(shí)踐過程中，采用軟件模擬硬件開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，但這種方式對學(xué)生動手能力的鍛煉不足，學(xué)生直觀體會不深。而2021年至2023年新型教學(xué)實(shí)踐的實(shí)施，特別是設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，使得學(xué)生動手實(shí)踐能力得到了較為充分的鍛煉，學(xué)生課程參與程度隨之提升，學(xué)生對課程的滿意程度、教學(xué)督導(dǎo)對課程的評價(jià)也逐年提升。

在教學(xué)實(shí)踐中，也發(fā)現(xiàn)了一些問題：受限于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的短缺，部分組別的實(shí)驗(yàn)不能保證當(dāng)堂內(nèi)完成，需要利用課后時(shí)間繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，這導(dǎo)致學(xué)生實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)較差，且過程性評分存在波動。此外，還缺少對SRAM、DRAM存儲原理等內(nèi)容的演示實(shí)驗(yàn)設(shè)備，結(jié)合理論課程開展的演示實(shí)驗(yàn)較少。同時(shí)，符合CDIO理念的教學(xué)學(xué)時(shí)偏少，貫徹落實(shí)存在不足。

4 結(jié)束語

本文基于鄂爾多斯應(yīng)用技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)組成原理課程組多年的教學(xué)實(shí)踐，基于CDIO理念和課程思政，針對應(yīng)用型本科院校學(xué)生特點(diǎn)，優(yōu)化了教學(xué)內(nèi)容，建立了課程思政案例庫，改革了教學(xué)實(shí)踐模式，突出了應(yīng)用型人才培養(yǎng)的基本要求。經(jīng)過三年的實(shí)踐，在及格率、學(xué)生評價(jià)、督導(dǎo)評價(jià)等方面取得了一定的成效。受教改項(xiàng)目的推動，課題組已申請建設(shè)計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)室，預(yù)計(jì)將于2024年建設(shè)完成并投入使用。該實(shí)驗(yàn)室除了能夠滿足計(jì)算機(jī)組成原理課程實(shí)踐環(huán)節(jié)的需要外，還配備了基本的嵌入式開發(fā)環(huán)境。屆時(shí)，它將從根本上解決我校計(jì)算機(jī)組成原理課程開設(shè)過程中面臨的主要問題。