陳華光，陳多，鄧作杰，唐北平

(湖南工程學院計算機與通信學院，湖南湘潭411104)

基于CDIO模式的計算機組成原理課程教學探討
——以湖南工程學院為例

陳華光，陳多，鄧作杰，唐北平

(湖南工程學院計算機與通信學院，湖南湘潭411104)

計算機組成原理是一門理論與實踐相結(jié)合的課程，該課程特別注重學生實踐能力的培養(yǎng)。通過簡要分析CDIO工程教育理念，圍繞CDIO教學模式對計算機組成原理的教學改革可以提出以下實踐措施:利用多媒體教學，建立教學網(wǎng)站，實施案例教學，注重實踐教學，提高學生動手能力，重建學生考核評價標準，突出工程項目能力，建設高素質(zhì)教師隊伍。

計算機組成原理;CDIO模式;教學探討

一 CDIO工程教育模式

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果。從2000年開始，由美國麻省理工學院、瑞典皇家工學院等4所國際知名大學組成的跨國研究組織獲得了KAW基金會的巨額資助，經(jīng)過四年的探索研究，創(chuàng)立了CDIO工程教育理念，并成立了以CDIO命名的國際合作組織。現(xiàn)在，我國高等教育中越來越多地借鑒和使用CDIO的理念，并形成了一套具有國內(nèi)教育特色的理論。［1］

CDIO是四個英文單詞Conceive(構(gòu)思)、Design (設計)、Implement(實現(xiàn))、Operate(運作)的縮寫，它是“做中學”和“基于項目教育和學習”的集中概括和抽象表達。它是以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，讓學生以主動地參與到從理論到實踐的轉(zhuǎn)化過程中來學習工程。它的培養(yǎng)大綱(見圖1)將學生能力分為專業(yè)基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力四個層面，要求以綜合的培養(yǎng)方式使學生在這四個層面達到預定目標。［2］

計算機組成原理課程是一門理論性強并與實踐相結(jié)合的課程，應特別注重培養(yǎng)學生實踐能力，因而本課程教學將結(jié)合CDIO的教學理念，將學生動手能力的培養(yǎng)作為課程培養(yǎng)的重點之一。

二 計算機組成原理課程的特點及現(xiàn)狀

計算機組成原理是計算機及相關(guān)專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課之一。從課程的地位來看，它在先導課程和后續(xù)課程、軟件課程與硬件課程、基礎(chǔ)課與計算機專業(yè)課程之間起著重要的承上啟下和左右貫通的作用。該課程2008年列入計算機專業(yè)研究生入學考試必考科目，在專業(yè)課150分的總分中占了45分，表明它在計算機及相關(guān)專業(yè)中扮演著極其重要的角色。

湖南工程學院對計算機組成原理課程建設非常重視。該課程2006年被列為系級精品課程，2009年被列為校極精品課程。學校申本成功后的第2年(2002年)新建計算機組成原理專業(yè)實驗室，2009年利用中央財政支持地方高校發(fā)展專項資金項目對該實驗室進行了擴建，擴建后的實驗室可進行數(shù)字邏輯、計算機組成原理、計算機接口等課程的實驗和課程設計。

計算機組成原理課程的特點是知識面廣，教學信息量大，教學內(nèi)容更新快。但是由于課程理論性太強，基本概念太抽象等原因，很多學生對學習感到枯燥，沒有主動參與的熱情，僅僅是被動地在學習，體會不到學習的樂趣所在，更無法進行創(chuàng)新能力培養(yǎng)。傳統(tǒng)的教學是以傳授知識為主，忽視能力培養(yǎng)和工程設計鍛煉，工程化的思想在課程中無法體現(xiàn)，對工程的認識不夠，在工程實踐中人際交往技能水平較差，比如團隊協(xié)作、溝通和交流的能力沒有得到有效培養(yǎng)，學生受到以團隊為單位的項目的實際訓練太少，個體意識強，普遍缺乏團隊協(xié)作精神。傳統(tǒng)的考核方法主要重視理論的掌握，對實踐的考核明顯不足，考核方法單一，導致知識與能力培養(yǎng)不協(xié)調(diào)，考核結(jié)果不夠公正。國內(nèi)普遍的現(xiàn)象是:計算機專業(yè)辦得太“軟”，學生的硬件動手能力非常弱，甚至連研究生也懼怕硬件。

圖1 以能力培養(yǎng)為目標的CDIO大綱

三 CDIO工程教育模式在計算機組成原理教學中的應用

CDIO工程教育模式不僅注重抽象理論知識的教和學，而且強調(diào)了學習過程中“做”的重要意義;不僅強調(diào)學生的動手能力，而且還要對學生的創(chuàng)新意識、團隊協(xié)作精神和項目設計能力進行培養(yǎng)。實現(xiàn)“情境”、“協(xié)作”、“交流”和“意義建構(gòu)”學習環(huán)境的四要素相結(jié)合。把學生從單純的被動接受知識，轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^引導而主動學習。

(一)多種教學手段相結(jié)合，變抽象為形象

1.利用多媒體教學與傳統(tǒng)教學方式相結(jié)合?，F(xiàn)代教育學實驗證明:學生獲得知識，靠聽覺，3小時后保持70%，3天后保持10%;靠視覺，3小時后保持72%，3天后保持20%;視覺聽覺結(jié)合，3小時后保持85%，3天后保持65%。由此可見，采用多種教學媒體，效果是非同尋常的。由于計算機組成原理的教學內(nèi)容往往同時涉及時間概念和控件概念，具有很強的動態(tài)性和抽象性，難教難學。針對難點和要點，在電子教學課件中插入使用流行的FLASH等三維軟件開發(fā)的CAI，實現(xiàn)圖、文、聲音、動畫并茂，用CAI演示將計算機各部件內(nèi)部每一步的信息流動過程以生動形象的方式展示在學生面前，使學生產(chǎn)生身臨其境的感覺，將模糊抽象的概念變得直觀形象，使學生能從多方面理會教學內(nèi)容。例如在“指令的執(zhí)行過程”這一教學環(huán)節(jié)中，利用CAI可以讓學生更清楚地“看”到讀取指令、分析指令到執(zhí)行指令的各種信息流的流動過程。教學手段的改革更能發(fā)揮學生的能動性，增強了學生的感性認識又提高了學習興趣，使枯燥乏味的教學變得生動活潑，抽象的概念變得明確，復雜的關(guān)系變得簡單，難以想象的問題變得十分直觀，極大地提高了教學效率。

2.建立計算機組成原理教學網(wǎng)站。利用網(wǎng)絡優(yōu)勢，實現(xiàn)資源共享。本課程的上網(wǎng)資源有:課程介紹、教學大綱、課程教案、教學進度安排、習題與答案、考研資料、計算機組成原理的發(fā)展動向和新技術(shù)等相關(guān)資料等。以供學生隨時學習，實現(xiàn)網(wǎng)上答疑、提交作業(yè)、批改作業(yè)、補充和擴展課堂教學內(nèi)容。通過網(wǎng)絡環(huán)境學生極為便利地自主學習，使課內(nèi)與課外相貫通，實現(xiàn)教與學的互動。

3.通過實物教學。單純的理論知識很難集中學生的注意力，很難讓學生理解。在講解計算機各部件的時候，可以把實物(例如內(nèi)存條、CPU、硬盤、主機等)帶到課堂上，變抽象為形象，讓學生真正體會到計算機組成原理不是空洞的理論，而存在于日常生活之中。

4.實施案例化教學。將案例融入到計算機組成原理的教學過程中。從學生非常熟悉并流行的PC計算機中挑選具有代表性的實例作為案例，如介紹多級存儲體系結(jié)構(gòu)時，可結(jié)合PC機的存儲結(jié)構(gòu)(CPU中的高速緩存、內(nèi)存、硬盤、光盤等)進行教學;講授計算機體系結(jié)構(gòu)時，可比較馮·諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)，PC機是一種馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計算機，特點是程序和數(shù)據(jù)共用一組總線存放在同一個存儲器中，而DSP和ARM中使用的是哈佛結(jié)構(gòu)，特點是程序和數(shù)據(jù)用不同的總線分開存放在不同的存儲器中。通過特定案例的分析使學生更加深刻地理解計算機組成原理中的思想和方法，多層次加強學生的實踐與創(chuàng)新能力。

(二)注重實踐教學，提高學生動手能力

組成原理教學是否成功，是否能讓學生不僅理解計算機的工作原理，而且具備基本的計算機設計能力，關(guān)鍵在于實驗。合適的實驗平臺、實驗模式、實驗環(huán)節(jié)設計能大大激發(fā)學生的興趣，提高學生的獨立思考能力和動手能力。

1.培養(yǎng)以學生為主教師為輔的實踐原則。CDIO模式要求在教學中要貫徹“做中學”、“學中做”的原則。主張教師應主動從“師傅”向“教練”角色轉(zhuǎn)型，幫助學生將所學知識進行改造、轉(zhuǎn)換和內(nèi)化。注重培養(yǎng)學生獨立思考能力，俗話說:“授人以魚，不如授人以漁”，教師不應把傳授知識作為自己的主要任務和目的，而是要把精力放在如何教學生學上，使學生學會學習，懂得從哪里獲取自己所需的信息。

2.優(yōu)化實驗內(nèi)容。實踐教學可分為“必做實驗”、“選做實驗”和“課程設計”三部分。［3］“必做實驗”主要包括算術(shù)邏輯運算、存放器、控制器、系統(tǒng)總線等驗證型實驗，通常在學校安排的實驗課時內(nèi)用實驗箱完成。學生課外預習，實驗之前，老師用CAI課件復習本實驗的理論知識，學生在實驗箱上完成部件之間的接線，輸入數(shù)據(jù)，觀察結(jié)果，分析數(shù)據(jù)流，再寫實驗報告。這樣才能加深學生對課程的理解?！斑x做實驗”由綜合型實驗和基于部件的設計型實驗組成，是為部分優(yōu)秀學生而設計的，要求學生編寫一定的程序，在實驗室開放時間內(nèi)完成選做實驗。學生通過“選做實驗”可以加深對計算機組成原理的概念、硬件的設計的理解，增強完成實驗后的成就感。

3.營造良好的自主實踐環(huán)境?，F(xiàn)階段許多高校都在壓縮課時，不僅開放試驗室很有必要，而且還要形成一個全開放的自主實踐環(huán)境。將實驗大綱、實驗指導書、實驗進度、參考資料和時間安排放在網(wǎng)站上，方便學生隨時選用和預習。在指定的時間段定期地或預約開放實驗室。在開放實驗室的時間內(nèi)，學生在授課教師或?qū)嶒灲處煹闹笇?，可自主地使用實驗設備、實驗用品，自選實驗內(nèi)容進行實驗。

(三)通過工程項目實訓增強學生團隊合作的能力

基于CDIO的項目教學法使學生模擬實際的工程項目，在校學習期間就能置身于真實的工作環(huán)境中，可以很好地培養(yǎng)學生的交流和團隊合作能力。教師給出若干個題目(項目)，以項目為單位將每個班級分成若干由3－5人組成的項目小組，實行小組長負責制。小組長帶領(lǐng)本組成員對項目進行全面透徹的分析，根據(jù)成員的特長合理分配任務，定期交流討論，團結(jié)合作，共同完成項目。項目實施過程中成員之間的交流溝通是保持整個小組旺盛生命力的必要條件。正所謂“三人行，必有我?guī)熝伞?。通過小組成員之間的相互交流，集思廣益，可以得到一個最佳的設計方案，確保項目能夠及時高效地完成。采取項目形式能充分發(fā)揮和調(diào)動了學生的主觀能動性，培養(yǎng)學生的自主學習意識和團隊合作能力，增強責任感和自信心，形成團隊合作意識以及良好的工作習慣，為將來工作打下了堅實的基礎(chǔ)。

“課程設計”主要是設計型實驗，內(nèi)容是設計一個復雜模型機，可以在實驗箱內(nèi)完成，也可用EDA軟件如(QUARTS)來完成。［3］模型機設計用到了包括指令系統(tǒng)、微指令系統(tǒng)、微程序控制等計算機組成的大部分內(nèi)容。教師布置課程設計任務書(放在計算機組成原理教學網(wǎng)站上)，由學生自行分組，這樣就迫使學生查閱大量的資料來完成設計，既調(diào)動了學生的主觀能動性，加深了對課程設計的理解，而且鍛煉了他們動手設計能力和分析能力。通過課程設計，學生從軟件、硬件上加深對計算機系統(tǒng)各個功能模塊的工作原理的理解，［4］從而形成“整機”概念，培養(yǎng)綜合分析、設計、開發(fā)和創(chuàng)新能力，從而使學生形成具有計算機硬件系統(tǒng)的基本構(gòu)思、設計的初步能力。

(四)改進學生成績考核方式

傳統(tǒng)的學生成績考核通常是試卷考試成績與平時成績按照一定的比例構(gòu)成，試卷考試由任課教師以試卷考試的形式進行，平時成績主要是考勤、平時作業(yè)和實驗情況。這種考核方式使得很多學生將學習重心放在了以筆試為主的考試上，側(cè)重于基礎(chǔ)知識的獲取，忽視了創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)，對學生的實踐動手能力很難做出客觀的評價。學生在學習過程中，不善于主動發(fā)現(xiàn)問題、分析問題，缺乏解決實際問題的能力。

CDIO工程教育要求學生在掌握專業(yè)知識的基礎(chǔ)上，具備一定的工程實踐能力。為了確保考核方式的有效性、合理性和公平性，CDIO模式評價方法采用多種方式評價學生的能力。在基于CDIO模式的計算機組成原理課程的教學中，可以通過筆試對專業(yè)基礎(chǔ)知識進行評價，檢驗學生對基礎(chǔ)知識的掌握情況。對學生實驗環(huán)節(jié)和實驗過程的考核，分預習、實驗結(jié)果、實驗報告等三個階段分別考核并給出成績。課程總成績由筆試成績和實驗組成。

學生完成項目單獨給成績，主要以學生在開發(fā)過程中的表現(xiàn)、參與小組討論的積極程度、提交項目報告內(nèi)容的完整程序和創(chuàng)新意識等作為考核依據(jù)，考核學生解決實際問題以及綜合運用知識等工程實踐能力。

采用多種評價方式不僅增強了評價結(jié)果的可信度和公平度，還有利于引導學生既認真學習專業(yè)知識又注重鍛煉工程實踐動手能力，從而提高了自身的綜合素質(zhì)。

四 建設高素質(zhì)教師隊伍

CDIO工程教育模式對專業(yè)課教師提出了更高的素質(zhì)要求。講授計算機組成原理課程的教師，不但要對該課程的基本知識和內(nèi)容非常熟悉，能融會貫通，而且要對其它相關(guān)課程(計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計算機接口技術(shù)、匯編語言等課程)的知識有一定的掌握和了解，銜接好組成原理的內(nèi)容與相關(guān)課程中內(nèi)容。同時要求授課教師豐富的具有工程閱歷，能夠駕輕就熟地演示工程實踐技術(shù)。教師隊伍是實施工程教育改革，提升工程教育質(zhì)量的核心因素。學校要鼓勵教師踴躍申報各級科研項目，制定相應的激勵制度和培訓制度等，使得教師夯實理論知識之余，積累工程經(jīng)驗，了解專業(yè)動態(tài)，豐富知識內(nèi)涵，促進工程教學改革。教師要有終身學習的意識，不斷了解新事物、學習新知識，不斷更新自己的知識結(jié)構(gòu)，使自己具備與教學相適應的多元化知識結(jié)構(gòu)。

五 結(jié)語

將CDIO新型教學模式引入計算機組成原理課程教學，實現(xiàn)基于CDIO工程教育的教學改革實踐，采取理論教學結(jié)合實踐和創(chuàng)新能力并重的多方位教學模式，以工程項目設計和實驗為中心，完成教學目標，提高學生在學習過程中的興趣，為學生學習后續(xù)課程奠定扎實的理論和實踐基礎(chǔ)。湖南工程學院是應用型本科院校，又是卓越工程師教育的首批試點單位，CDIO工程教育模式與學校主要培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識的復合型高級專門工程技術(shù)非常吻合。把CDIO新型教學模式引入到計算機專業(yè)的整個系列課程中，制定出符合自身特色的工程教育模式，勢必會取得更好的教學效果。

［1］李堅強，王志強．基于CDIO模式的嵌入式系統(tǒng)教學研究與探討［J］．計算機教育，2010(12):122－123．

［2］和薇．CDIO模式在“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程中的運用［J］．計算機教育，2009(20):122－124．

［3］譚小蘭，莫海燕，陳多．基于EDA的計算機組成原理實驗教學方案［J］．湖南工程學院學報，2011(3):93－96．

［4］陳華光．計算機組成原理［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2009:4－6．

Research of Computer Constituting Principle Teaching Based on CDIO Mode

CHEN Hua-guang，CHEN Duo，DENG Zou-jie，TANG Bei-ping
(College of Computer and Communication，Hunan Institute of Engineering，Xiangtan 411104，China)

As the course of computer constituting principle is combination with theory and practice，the ability of practice is highlighted in teaching．This article briefly analyzes the CDIO engineering education theory and puts forward such practical measures of teaching reforms on computer constituting principle as using of multimedia teaching，constructing teaching website，developing case teaching．It also explores the practice-oriented teaching，improving students' practical ability，rebuilding evaluating criteria，stressing project skills and building a high quality teachers' team．

computer constituting principle;CDIO;teaching studying

G642

A

1671－1181(2012)03－0103－04

2012－02－27

陳華光(1961－)，男，湖南湘鄉(xiāng)人，碩士，副教授，研究方向:計算機圖形學與計算機控制。

收稿日期:2010-04-19

湖南省“十一五”教育規(guī)劃重點課題“社會性別學視野下大學女生陽光體育運動的推廣策略研究”(XJK08A TM 002)。

作者簡介:唐 煉(1984-),女,湖南湘潭人,碩士,助教,研究方向:學校體育學。