CDIO模式下《現代計算機組成原理》的設計與實現

摘要：現代計算機技術發展的速度異常迅猛，高等院校計算機科學與技術的教學將面臨越來越大的挑戰；一方面更多更新的知識有待傳授，另一方面，學生在該領域的自主創新能力有待更有效地提高，為此對《現代計算機組成原理》的教學按照CDIO教學模式進一步進行設計和分析，以利于學生更好更全面地掌握新知識。

關鍵詞：CDIO模式；項目驅動；專業能力結構；教學改革

中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）31-0086-02

CDIO是工程文化教育的一種先進理念，它以工程項目為主線，做到將理論知識應用到實踐中來，在理論轉化到實踐的過程中“做中學”和“基于項目的學習”是《現代計算機組成原理》的主要教學模式。在教學過程中探索CDIO模式下在教學大綱、課程內容、教學方法、課程評價等方面進行了一系列改進，學習過程中注重能力的培養和習慣的養成，具備較強的項目開發、設計能力及創新能力。

一、課程內容

《現代計算機組成原理》是計算機專業的專業基礎課，作為《計算機組成原理》和《計算機體系結構》同類課程的后續課程，增加了有關現代計算機組成的新知識點，如QuartusII應用、大規模FPGA應用、基于JTAG的多種測試手段、嵌入式模塊的應用、SOPC技術、軟核處理器系統設計、硬件描述語言、硬件仿真、軟硬件聯合設計與調試方法等。應用CDIO教學模式貫穿始終，其中有基于微程序控制模式的8位CISC模型CPU設計技術；基于狀態機控制模式的16位CISC CPU設計技術；MCS51系列單片機兼容型單片機IP軟核系統設計方法以及基于流水線技術的16位RISC CPU設計技術等；最后講解了基于SOPC技術的NiosII（32位IP軟核嵌入式處理器）嵌入式系統設計技術。

二、課程地位

在計算機科學與技術專業的基本課程體系中，《計算機組成原理》和《計算機體系結構》處于核心地位，成為計算機專業的核心課程，它在計算機類專業的課程地位上起著承上啟下、軟硬件兼容的重要作用，在實驗和實踐方面，多數高校僅完成簡單模型CPU的驗證性實驗，根本談不上設計，更沒有國外高校類同的自主創新型CPU設計實驗任務，自主創新能力培養與訓練方面的課程內容偏少，因此，應用CDIO教學理念，培養擁有自主知識產權計算機部件或系統設計及創新設計能力的人才。

三、CDIO模式下《現代計算機組成原理》的教學探索與實踐

1.教學大綱的設計與實施。《現代計算機組成原理》大綱了改變過去培養模式陳舊、教學手段單一的現狀。CDIO大綱制定的第一個目標是強調理論知識和技術技能的提高；目標二是提高學生對新產品、新工藝的認知能力，培養學生提高團隊協作能力以及人際技能和對整個開發系統的掌控技能；目標三是教育學生在科技高速發展的社會背景下深刻理解研發的重要性及社會價值，項目開發過程既要考慮到社會責任又要權衡在可持續發展中的作用[1]。

2.教學方式方法的改革。采用形式多樣的方法開展教學研究，積極探索高等教育的發展方向，依托星系技術，逐步提高教師“教”的質量，充分調動學生學習的積極性和主動性，不斷更新教學理念：（1）構建“理論教學中的工程實踐”和“工程實踐中的理論教學”教學模式，精選和組織教學內容，適當引入學科的新發展，開闊學生視野。（2）實施啟發式、探究式、討論式、項目驅動的教學方法，樹立“能力本位”教育理念。（3）教師積極參與到學生的學習中來，互換角色，同時與科研單位、軟硬件設計和開發單位搭建合作平臺，采用教師“走出去”，資深專家“走進來”的形式，在校內拓展第二課堂，提高工程實踐技能。

3.強化實踐教學環節。以實驗和項目設計為核心CDIO是教學理念的集中體現。在《現代計算機組成原理》課程教學過程中，建設一個靈活高效開放的實驗教學和科研體系，實驗教學、項目設計開發、社會服務貫穿于本課程教學的始終。基礎實驗教學如“組合電路設計”、“時序電路設計”、“ALU設計”“移位運算器設計”等，加深學生對基本概念和核心知識的理解；設計性實驗“基本模型計算機設計與實現”、“基于K8051核的液晶顯示與等精度頻率測試系統設計”、“FPGA與外部16位RAM接口”等，綜合實驗教學如“流水線CPU綜合實驗”、“數據通路”、“微控制器組成”等要求學生深入分析整機的組成與結構，以課程設計和生產實習的形式將系統知識綜合運用于實踐教學體系中，培養學生勤于思考、勇于創新的能力；開設設計性和創新性強的專業項目，以“設計NiosII系統”、“為NiosII系統定制復數乘法器硬件加速指令”等為基礎，以小組為單位設計完成一個模擬的項目，培養學生團隊協作能力及實際動手能力和創新能力[2]。將各實踐環節貫穿于教學過程始終，較好地實現了以能力培養為目標的CDIO教學大綱要求。

4.強化案例化教學。以往屆學生設計的優秀作品、科研相關項目以及企業實例來構建和完善案例庫，全面提升和不斷更新現有的《計算機組成原理》等省級精品課程網絡教學資源，對專業核心課程教學資源不斷優化和補充，滿足課內與課外相結合、課前與課后相互支撐的多元化的教學模式。課程設計題目主要來源于精心挑選的案例庫中具有代表性的實例，分析其設計思想和應用方法，進一步加強學生對理論知識的理解，培養學生對系統進行分析、設計和開發的能力，培養學生組織溝通與協調能力，增強團隊精神，不斷提高其職業技能[3]。

5.推進虛擬實驗室平臺建設。針對計算機科學與技術專業學生人數不斷增加、實驗實習壓力過大的現狀，我們為學生提供了一個開放的、自主的和交互式的虛擬實驗環境，設計開發了虛擬實驗平臺。在此環境下完成系統的各功能模塊的項目設計和實現。通過“基于項目的教育和學習”，使得學生能夠綜合《現代計算機組成原理》的實現機制，為專業課程的學習和探究奠定堅實的實踐基礎。

6.對學生考核及評分標準的改進。本課程著重考核學生對計算機系統的理論知識和設計技術方面內容的掌握情況，加強本課程考試、考核方式的創新探索，一改過去學生養成的平時不學習考前搞突擊、一次期末成績定勝負的考核方式，綜合考慮平時課堂出席情況、作業完成情況、課程實驗表現及成績、項目合作表現、平時考試成績和期末考試成績作為考核學生在《現代計算機組成原理》這門課程學習結束的最終成績。注重學生的過程表現，為學生營造有利于全面發展的良好環境，調動學習的積極性和主動性。

四、將CDIO理念引入《現代計算機組成原理》課程改革與實踐中

在教和學的過程中，不斷研究和探索人才培養模式。我們采取了以理論學習為基礎，以實驗和項目設計為核心，采取了“將問題帶入實踐，在實踐中解決問題”的重基礎、重實踐、重創新的教學模式，同時也做到了“在工程開發中引發思考，在思考中不斷探索”的教學理念，不斷提升學生對本課程的學習興趣，取得了預想的教學效果，為培養高質量、創新能力強、專業技能過硬、服務于社會的有用之才打下了基礎。

參考文獻：

[1]顧佩華，等.以設計為導向的EIP-CDI0創新型工程人才培養模式[J].中國高等教育，2009，（3）：47-49.

[2]潘松，潘明，等.現代計算機組成原理[M].北京：科技出版社，2007.

[3]查建中.論“做中學”戰略下的CDIO模式[J].高等工程教育研究，2008，（3）：1-9.