劉二林，劉 寧，王玉鋒

（濟寧醫(yī)學院 醫(yī)學信息工程學院，山東 濟寧 272068）

0 引 言

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

1 CDIO理念引入教學

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 代表構思（conceive）－設計（design）－實現（implement）—運作（operate）和項目式教學實施方式，旨在培養(yǎng)學生的工程實踐能力，以CDIO 的12 條標準實現能力與課程的銜接，在實踐中提高技能，使學生的技術知識和推理能力、個人職業(yè)能力、團隊交流能力、系統工程能力得到顯著提高。CDIO 模式與我國現行的高等教育對計算機專業(yè)學生的培養(yǎng)目標（知識、技能、能力和素質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。通過學生的各種“做”——觀察、實驗、探究、體驗組織實施，通過項目活動獲取知識經驗，再將經驗根據自身原有的知識進行改造，提升能力[4]。實施后，通過學生及業(yè)界的反饋，進一步調整能力大綱，實現良性循環(huán)，制訂培養(yǎng)計劃，構建硬件課程群，創(chuàng)新教學模式，開放實驗項目，提高學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、就業(yè)單位及校友的問卷調查反饋發(fā)現，學生理論知識扎實，誠實守信，但項目的解讀能力、團隊協作能力、實踐能力較弱，因此，針對工科學生畢業(yè)時應學到的全部知識、能力、態(tài)度和掌握水平組織教學，并設計能力大綱（如圖1 所示）。改變過去由學校一方制訂培養(yǎng)方案的做法，經由企業(yè)、校友反饋，通過需求分析，反向設計能力大綱[5]，正向課程群實施，實現企業(yè)所需求的技術能力即為應傳授的知識技能，做到學以致用。

圖1 CDIO 能力大綱分解

2.2 教學模式

傳統的以教師為主模式下，教師為課堂的主體（授課內容過于精細化），學生被動接受知識，只是按部就班地完成教學任務，缺少積極思考，創(chuàng)造性并未得到充分展現，轉變?yōu)橐詫W生中心的教學模式后，以具體事例驅動培養(yǎng)學生主動學習、主動思考、學會學習的能力，在HCDIOR模式下，教師的職責在教學中以結合具體案例貫穿CDIO 的實施為抓手（如圖2、圖3 所示）。教學活動中師生各司其職，共同參與，構建學習共同體。在案例講解環(huán)節(jié)[6]，嚴格按照構思—設計—實施—運作的流程展示給學生，而不是針對已經做好的項目或系統為學生分析每句代碼、每個器件的功能，而更多關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—構建各功能模塊—解讀所需硬件知識和技術，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 案例教學活動流程

圖3 CDIO模式下的教學活動的實施

2.3 課程群

應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，打破課程間的壁壘，實現課程內容重組與優(yōu)化，并調整內容和時序，以整體思路把計算機組成原理向前與數電、模電延伸，向后與接口技術、匯編語言、體系結構等以課程群方式組建[7]，實現以課程間有機聯系的方式學習，融合課程群內知識，采用自上而下的設計理念，由整體到局部，項目需要什么知識點，就針對性地傳授相關知識。為學生提供各個項目的構思—設計—實施—運行的流程，把課程所需的知識能力、能力培養(yǎng)目標融入教學形成一個整體。以計算機組成原理為基礎，把內容緊密、有聯系的不同課程以課程群形式展現，打破傳統教學內容的屏障，實現從內容分配、學時、先后順序重組、整合、優(yōu)化，“串聯”各知識點，融會貫通。具體項目實施時，淡化硬件內部工作原理，注重實效性，強調芯片、器件、設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，共筑學習共同體[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。

當代大學生需要擔負起社會賦予的光榮歷史使命，成為同齡人的表率。理應表現出陽光、自信、堅強、成熟。我們在開學之初就開設專業(yè)思想課，秉承立德樹人的理念，開設孔子、孟子大講堂，大學生青年論壇等活動宣揚傳統文化和傳統美德，樹立誠實守信，誠信代碼，開設誠信考場，并簽署誠信承諾書，對失信學生，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）構思階段。

教師結合自身工程實踐經驗，以軟件開發(fā)、軟件測試專業(yè)學生為對象，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設計與實現——即小型CPU 的設計實現為例進行教學。此項目貫穿計算機組成原理所有章節(jié)內容，并涉及部分數字電子技術、微機接口技術，是一個綜合型項目，能較好地體現HCDIOR 的流程。首先通過微信公眾號提前下達任務書，學生利用前期實驗和所學知識，選擇適當的芯片，設計簡單的計算機系統；然后完成數據通路設計；以自己所設計的計算機系統為硬件環(huán)境，設計出完成指定功能的各指令周期流程圖。具體要求：①支持算術運算、邏輯運算、存儲器讀寫、寄存器間數據傳送；②支持立即數尋址、直接尋址、隱含尋址、寄存器尋址等尋址方式；③運行自己設計的指令系統構成的程序，程序執(zhí)行功能正確；④畫出模型計算機系統的原理框圖和器件連接圖；⑤布線、調試、驗收。

根據提示用到的技術、知識點，明確步驟、方法，整個項目以學生為主，根據學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中心高年級有實訓經驗的學長為組長，在組長的引領下小組成員分工合作，根據項目任務書查閱資料，進行頭腦風暴和構思，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，據此確定所需芯片、器件，整個構思過程以學生為主，每天制訂明確的任務，第二天的內容是前一天內容的擴展和延伸。教師以項目組織者、指導者、協作者的身份深入其中，實現共同學習、共同進步，改變傳統的師生關系，成為學習共同體。

3）D（design）設計階段。

教師對各小組提交的構思方案進行審閱，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；學生根據教師反饋，小組成員集體協商，討論并予以修改、完善。方案中提倡模塊化設計，使各小模塊功能相對簡單。

4）I（implement）實施階段。

根據設計方案，按方案逐步實施，選擇硬件設備和所需芯片，實現硬件設備的安裝、搭建，在實施階段遇到問題，共同探討解決，教師予以指導，引導學生從課程群中找到知識點原型，通過此階段的實施，拓展學生知識的深度、廣度，使其對課程群中的知識點有更深刻的認識和理解，實現由抽象理論—具體項目—理論指導實踐的良性循環(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，解決調試過程中遇到的問題并形成階段性成果，以適當的形式予以展示，接受教師、學生的評議。

6）R（recycle）再循環(huán)階段。

項目實施過程中，為學生建立學生畫像——電子檔案，記錄學生在項目中知識運用、能力體現情況，同時結合項目開展情況，要求學生提交自評報告和團隊總結報告，以便教師掌握學生的知識變化規(guī)律，提高項目設計能力，同時，隨著學生專業(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)工結合項目——健康物聯網和CPU 的設計積累經驗。

2.5 考核

CDIO 理念下的考核方式采用有別于傳統的期末筆試成績+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。在布置任務階段，通過公眾號推送項目任務書，學生預習、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（基礎較好學生，著重考查設計創(chuàng)新點；基礎水平一般學生，觀察學生在項目中的平時表現）（20%）+實習報告（10%）+團隊小組成績（15%）+課堂匯報中的表現（5%）+期末成績（40%），以了解學生知識掌握情況。

3 保障措施

3.1 提升教師能力

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

3.2 為學生配備專業(yè)導師

為全面了解學生專業(yè)學習動態(tài)，及時準確予以“精準幫扶”，可為每名學生配備校內校外導師，實現校內校外共同培育，彌補校內教師工程能力的不足。

3.3 開放實驗室

為擴展項目及實現科研反哺教學，使學生了解最前沿的學科動態(tài)、技術，應為學有余力、有興趣的學生提供開放實驗項目，延伸實驗室功能。學生可以通過學分教務系統進行開放實驗預約，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題驗收的重要因素，這從制度層面密切了教師與學生關系。經過開放實驗的洗禮，學生的視野更開闊，綜合能力得到提高，可以提升下階段設計項目的起點，實現項目（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。

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

2）引企入校。

把企業(yè)的實訓、項目的研發(fā)中心引入學校。濟寧醫(yī)學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，在校內實現了理論與實訓的結合，為學生提供便利實訓機會的同時，使得教師與企業(yè)交流、溝通更加便捷。

3）以賽代練。

在開放實驗的基礎上，完善實驗項目的功能，組建參賽團隊，促進HCDIOR 理念開花結果。2015—2018 年以來，我校獲齊魯軟件設計大賽二等獎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、全國高校物聯網應用創(chuàng)新大賽二等獎、山東省互聯網+大學生創(chuàng)業(yè)大賽金獎、中國互聯網+大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)銀獎，申請大學生國家創(chuàng)新項目23項。通過大賽的洗禮，學生能力得以鍛煉，團隊合作能力得以加強，自信心顯著提升，形成了良好的學習風氣，對實驗教學的開展起到良好的促進作用。

4 結 語

濟寧醫(yī)學院在計算機專業(yè)具體CDIO 的實施過程中，結合醫(yī)工特色，以綜合素質能力為基礎，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，并結合專業(yè)思想教育進行誠信教育，通過具體項目的構思、設計、實現、運作，在引入CDIO 模式的基礎上，加入誠信、循環(huán)元素，構建了HCDIOR 的模式，以具體項目為載體，全面培育了學生的構思—設計—實施—運作的能力，做到學思聯系、知行統一，提升了學生的工程實踐能力。通過對2014—2016 級每級兩個班學生（其中2014 級120 人、2015 級118 人、2016 級120 人）進行的調查問卷及業(yè)界反饋數據的分析（如圖5 所示），證明了HCDIOR 教學模式的有效性和實用性。

圖5 HCDIOR 教學效果分析