基于CDIO模式的《计算机组成原理与结构》教学改革探索

王晓莉

摘要：《计算机组成原理与结构》课程是一门理论性强并与实践相结合的课程，应将学生实践能力、系统观的培养作为课程培养的重点。本文提出在CDIO教学理念下改进课程效果的教学改革方案，从几个方面讨论了课程教学和实践的改革措施，能够有效的提高教学效果。

关键字：CDIO；教学改革；能力培养

一、引言

当今世界，经济、科技飞速发展，计算机技术是信息化社会的重要工具和组成部分，计算机科学领域的变革对我国高校计算机专业教学改革提出了新的挑战，计算机教育专业委员会（CCF）指出：计算机专业学生需要更多地关心计算系统的整体特性，培养自身计算机系统能力，这也是工程教育的特征。CDIO理念满足培养“研究型+实践型”的面向一线的应用型工程人员的需要。《计算机组成原理与结构》课程为以微结构设计者角度来认识计算机系统，涵盖了计算机系统结构从Conceive （ 构思）、Design （ 设计）、Implement （ 实现）、Operate （ 运作） 的整个过程，是CDIO理念的集中体现，CDIO强调 “做中学”和 “基于项目教育和学习”，以CDIO理念方式开展《计算机组成原理与结构》课程的教学改革可以达到让学生基本理解掌握系统运行原理和初步具备系统开发能力的目的，极大地改善了《计算机组成原理与结构》课程的教学效果，对培养学生的系统能力、对知识的运用能力、解决实际问题的能力，以及团队协作精神起着重要的作用。

二、教学现状

《计算机组成原理与结构》课程的教学目标是以微结构设计者角度来认识计算机系统，建立单处理器计算机系统的整机概念，并能够构造出完整的计算机系统的基本框架，学生在理解高级语言程序与机器级代码之间对应关系的基础上，进一步理解机器级代码如何在具体硬件系统中执行的过程。课程立足于培养学生的系统认知、系统设计能力。

目前《计算机组成原理与结构》课程在教学中存在以下问题：①教学与实践脱离，理论教学教师在课堂主要教授理论知识，实验教师使用实验台指导学生实验，二者缺乏沟通和联系，学生被动接受抽象枯燥的知识，难以对知识点产生实际认知，知识结构相对固定，难以理解，导致学生对课程兴趣低。 ②课程教学知识范围相对独立，缺乏与其他相关课程知识的联系，造成知识点孤立，学生不能很好地建立计算机系统完整概念，缺乏系统观，难以形成对计算机系统的全面认识。 ③教学实验大部分以验证型实验为主，实验内容、过程相对固定，缺乏系统性的综合实践环节和综合设计环节，也使得学生理论上一知半解，动手能力弱。 ④本课程的考核测评方式单一，以笔试为主，以理论知识题为主，学生通过短期的突击，死记硬背就能通过，导致学生对于很多核心内容通常只知其然不知其所以然，因而综合分析、设计和应用能力也较差，对于需要综合运用多个跨课程的概念才能解决的问题一筹莫展。上述四个典型的问题，导致学生学习积极性不高，课程建设效果不理想。

三、基于CDIO的改革措施

课程教学将结合CDIO的教学理念，结合我国实施的卓越工程师人才培养计划，将学生动手能力的培养作为课程培养的重点之一，使学生从深层次了解计算机组成原理的结构组成、各个硬件模块的功能和作用，增强学生对硬件层面能力的提升，从硬件系统功能设计和软件怎样驱动硬件工作并使硬件有更高的效率两方面开展教学活动。

主要有以下几个方面的措施：

1 教学内容要有系统观

计算机技术的发展是飞速的，课程内容在保证基础知识不能减少的同时及时更新新技术，给老师教学和学生学习带来一定难度。因此在教学内容的设计上应基于自顶向下的教学思路，建立一种从整体功能推进到局部组成、从宏观结构到微观实现的层次化课程内容设计模式，从而帮助学生建立计算机硬件系统的整体把握。首先从系统整体角度将计算机进行大体的剖析，从主机到主板，从主板到集成电路，再到门电路，让学生对计算机系统有一个整体概念；然后以分析问题、解决问题的思路，对构成系统的功能模块从简单到复杂，从设计到实现，从构思到运作进行讲解，在每部分学习过程中，及时补充相关新技术、新应用的内容，调动学生的求知欲，提高学生学习兴趣。

2 教学手段、教学方法

在课堂教学中多种教学方法灵活使用，可以使用案例化教学，通过特定案例的分析使学生更加深刻地理解计算机组成原理中的思想和方法，如pentium IV的体系结构和实现方式等，多层次加强学生的实践与创新能力 。使用實物教学，在讲解计算机各部件的时候，可以把实物（ 例如内存条、CPU、硬盘等）带到课堂上，变抽象为形象，让学生真正体会到计算机组成原理不是空洞的理论，而存在于日常生活之中。使用动画演示教学，在电子教学课件中插入动画演示，将模糊抽象的概念变得直观形象，例如在“Cache的置换策略”这一教学环节中，利用 CAI可以让学生更清楚地理解Cache和主存的信息交换过程。多种教学手段的使用更能提高学生的学习兴趣，提高教学效率。

3 实践环节的改进

改变实践方式，改进实验内容。尽可能使用EDA技术，设计虚拟实验，减小了对实际实验设备的依赖性，给学生创造有更方便、更灵活的实践环境。优化实验内容，增加综合设计实验。实践教学可分为“基础实验”、“综合设计实验”和“课程设计项目”三部分。“基础实验”主要指验证型实验，通常在学校安排的实验课时内用实验箱完成。 “综合设计实验”由综合型实验和基于部件的设计型实验组成，要求学生编写一定的程序，可以在虚拟实验环境下设计，实际实验仪器中完成。“课程设计项目”是学生完成的一个完整项目，分小组完成。内容涉及本课程和其它课程尤其是软件应用类课程有一定的的交叉知识点或隐性知识，以训练学生对项目设计的认识、团队精神和作为工程师的思维模式是主要目的，它对激发学生对本专业的兴趣起到至关重要的作用。

4 考核方式的改进

建设符合课程大纲的题库，笔试部分可以从题库抽取，避免了试卷知识点覆盖面不全面，学生押题的现象。传统的考核方式主要侧重于原理性知识点，使得很多学生不注重知识的整合和实践环节，学生通过临时突击的考前复习和死记硬背就能通过考试。参考CDIO模式，采用多种方式评价学生的能力。课程总成绩由三部分组成 。其中理论测试侧重于原理性知识的理解掌握，平时成绩考虑学生在学习过程中的表现 、参与小组讨论的积极程度 ，实践成绩不仅只看实验结果还要考虑预习、设计、排错等几方面能力。多方面考核因素的组合有利于引导学生既认真学习专业知识又注重知识的积累和综合运用，还锻炼了动手能力。

5 课程教学中的反思

课程教学中的反思是指就课程授课、实践教学与实施过程中遇到的问题进行回顾与讨论。反思是一种互动式的教学活动，是课程教学中极其重要的一个环节。教师通过反思，对教学方案、教学方法、教学态度不断重新设计与改进，提高了教学效果和自身教育教学水平。学生通过反思更好的理解和掌握课程知识，达到了能力培养的目的。

四、结语

《计算机组成原理与结构》课程是计算机专业的专业基础课程的课程，应将学生实践能力、系统观的培养作为课程培养的重点。本教学改革在CDIO的教学理念下，针对《计算机组成原理与结构》课程的特点，结合社会对“研究型+实践型”的面向一线的应用型工程人员的需要，改进教学实践的方式方法，能够提高教学效果。

参考文献

【1】 CCF计算机教育专业委员会.计算机专业学生系统能力培养和系统课程设置的研究与进展[R].2012中国计算机科学技术发展报告，北京：机械工业出版社，2012，（B）：122-150

【2】 顾佩华，等. CDIO在中国[J]. 高等工程教育研究， 2012（3）： 24-39

【3】 王海瑞，等. 基于CDIO的《计算机组成原理》教学改革探讨与实践[J]. 教育教学论坛， 2012， （30）：21-22.