基于CDIO的計(jì)算機(jī)硬件融合課程教改探索

楊雪

摘 要： 文章針對本系計(jì)算機(jī)硬件課程體系中存在的問題，提出了基于CDIO的計(jì)算機(jī)硬件融合課程教學(xué)改革思路，進(jìn)行了具體實(shí)施，并對改革效果進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞： 計(jì)算機(jī)硬件課程 CDIO 教學(xué)改革

計(jì)算機(jī)硬件課程是計(jì)算機(jī)專業(yè)的重要課程，是深入了解和掌握計(jì)算機(jī)基本工作原理[1]、建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)整體認(rèn)知及培養(yǎng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)底層編程能力必不可少的部分。

電子科技大學(xué)成都學(xué)院計(jì)算機(jī)系針對三本院校學(xué)生特點(diǎn)，其計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的硬件基礎(chǔ)課程主要設(shè)置“數(shù)字邏輯”、“計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)”、“匯編語言”、“微機(jī)原理與接口技術(shù)”四門課程，但在實(shí)際授課中發(fā)現(xiàn)存在課程內(nèi)容交錯(cuò)重復(fù)、課程之間缺乏有機(jī)聯(lián)系、理論知識抽象化、實(shí)踐能力培養(yǎng)不足等問題，為了培養(yǎng)出基礎(chǔ)知識扎實(shí)[2]、具備較強(qiáng)實(shí)踐能力、符合CDIO國際工程教育理念的合格應(yīng)用人才，迫切需要對我系的計(jì)算機(jī)硬件系列課程的課程體系進(jìn)行改革優(yōu)化，結(jié)合CDIO工程教育思想提出改革方案并加以實(shí)施。

一、現(xiàn)有硬件課程體系及存在的問題

目前，在我系計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程中，與硬件有關(guān)的課程主要有“數(shù)字邏輯”、“計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)”、“匯編語言”、“微機(jī)原理與接口技術(shù)”四門課程，現(xiàn)有的課程體系主要存在以下問題：

（一）知識點(diǎn)交錯(cuò)重復(fù)。

例如：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述、主存儲器的邏輯設(shè)計(jì)等內(nèi)容，在“計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)”、“微機(jī)原理與接口技術(shù)”兩門課程中都有相應(yīng)的介紹。又如，信息在計(jì)算機(jī)中的表示，包括數(shù)制、帶符號數(shù)的表示、定點(diǎn)數(shù)與浮點(diǎn)數(shù)、數(shù)和字符的編碼等相關(guān)內(nèi)容，在“數(shù)字邏輯”、“計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)”、“微機(jī)原理與接口技術(shù)”三門課程中都進(jìn)行了介紹。

（二）課程內(nèi)容相互獨(dú)立，缺乏有機(jī)聯(lián)系。

例如在“計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)”課程中，介紹了半導(dǎo)體存儲器的存儲原理與存儲芯片，并就如何使用基本的存儲芯片通過字?jǐn)U展、位擴(kuò)展構(gòu)成一定容量的主存儲器的擴(kuò)展方法進(jìn)行了介紹。而在“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程中，存儲器部分則主要側(cè)重對8086存儲器的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，包括8086存儲器的存儲地址空間、物理組織結(jié)構(gòu)（奇偶庫結(jié)構(gòu)）及編程結(jié)構(gòu)（分段的存儲管理方式），而這些與前面在“計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)”課程中所學(xué)到字?jǐn)U展、位擴(kuò)展原理之間的聯(lián)系，卻沒有充分地體現(xiàn)出來。

（三）理論知識抽象化。

在上述硬件課程的教學(xué)中，對于知識的講解，目前大多只停留在理論上，在課堂教學(xué)中多采用灌輸式的教學(xué)方法，將硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識一味地講解[2]，缺乏相應(yīng)的實(shí)例，學(xué)生學(xué)習(xí)起來感覺比較抽象，造成學(xué)習(xí)興趣低迷和對于硬件知識有畏難情緒。

（四）實(shí)踐能力培養(yǎng)不足。

課程內(nèi)容沒有與實(shí)際的項(xiàng)目或產(chǎn)品的制作開發(fā)過程相結(jié)合，雖安排有一定的課程實(shí)驗(yàn)，但有的實(shí)驗(yàn)只是對理論的驗(yàn)證或形象化的加深理解，對學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力及進(jìn)行項(xiàng)目或產(chǎn)品開發(fā)的能力鍛煉仍然不足。

二、硬件融合課程教改思路

（一）對我系的硬件基礎(chǔ)課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行融合。

將原有的“數(shù)字邏輯”、“計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)”、“匯編語言”、“微機(jī)原理與接口技術(shù)”四門課程融合為三門課程：“硬件基礎(chǔ)1”、“硬件基礎(chǔ)2”、“硬件基礎(chǔ)3”，重新梳理硬件基礎(chǔ)課程的全部知識點(diǎn)，去掉重復(fù)、冗余的部分，連接關(guān)聯(lián)的部分。

（二）建立課程之間的有機(jī)聯(lián)系。

在融合課程的內(nèi)容安排上，“數(shù)字邏輯”的知識作為基礎(chǔ)進(jìn)行介紹，“匯編語言”由于需要“微機(jī)原理”的知識，因此放到最后，在學(xué)生學(xué)習(xí)完“微機(jī)原理”的內(nèi)容后進(jìn)行介紹；而“計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)”與“微機(jī)原理與接口技術(shù)”兩門課程的內(nèi)容則放到“數(shù)字邏輯”與“匯編語言”之間進(jìn)行介紹，對兩門課程的融合思路是：按照“一般與特殊”的方式建立聯(lián)系，進(jìn)行內(nèi)容整合。

例如，將“計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)”與“微機(jī)原理與接口技術(shù)”兩門課程融合后的課程內(nèi)容按照計(jì)算機(jī)硬件的幾大組成部分：運(yùn)算器、控制器、存儲器、總線系統(tǒng)、輸入/輸出系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)進(jìn)行組織，對于每一部分的教學(xué)內(nèi)容。例如存儲器，先將“計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)”中的內(nèi)容作為一般性的原理進(jìn)行介紹，再將“微機(jī)原理與接口技術(shù)”中的內(nèi)容——8086存儲器的組織以一個(gè)具體實(shí)例的方式給出，并進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的介紹。

這樣學(xué)生通過具體的實(shí)例：8086的系統(tǒng)組織，對“計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)”課程中所講授的一般性原理有更實(shí)例化的理解，同時(shí)也明白微型計(jì)算機(jī)這一特殊類型的計(jì)算機(jī)與其他類型計(jì)算機(jī)（如大型機(jī)、中型機(jī)等）之間的區(qū)別和聯(lián)系。

（三）引入CDIO的教學(xué)思想，強(qiáng)調(diào)“做中學(xué)”。

CDIO教學(xué)理念強(qiáng)調(diào)“做中學(xué)”，因此，在此次硬件課程的教學(xué)改革中進(jìn)一步突出了實(shí)踐實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行加強(qiáng)：

1.以章節(jié)為單位，設(shè)置課內(nèi)實(shí)踐及專訓(xùn)實(shí)踐。

其中課內(nèi)實(shí)踐納入理論課授課內(nèi)容，專訓(xùn)實(shí)踐獨(dú)立于理論課，以實(shí)驗(yàn)課的方式展開。例如：對于運(yùn)算器一章的教學(xué)內(nèi)容，設(shè)置有六個(gè)學(xué)時(shí)的專訓(xùn)實(shí)踐，對運(yùn)算器的組成及工作原理、算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的運(yùn)算功能進(jìn)行專訓(xùn)實(shí)驗(yàn)。各章節(jié)的專訓(xùn)實(shí)踐進(jìn)一步構(gòu)成三門實(shí)驗(yàn)課程“硬件綜合實(shí)驗(yàn)1”、“硬件綜合實(shí)驗(yàn)2”和“硬件綜合實(shí)驗(yàn)3”，分別與理論課程“硬件基礎(chǔ)1”、“硬件基礎(chǔ)2”和“硬件基礎(chǔ)3”相對應(yīng)。

2.設(shè)置專門的項(xiàng)目實(shí)踐環(huán)節(jié)。

在硬件融合課程中，設(shè)置了專門的項(xiàng)目實(shí)踐環(huán)節(jié)——綜合項(xiàng)目開發(fā)，該環(huán)節(jié)包含理論及實(shí)踐兩個(gè)部分，理論部分對項(xiàng)目開發(fā)流程等工程項(xiàng)目開發(fā)知識進(jìn)行介紹，實(shí)踐部分通過實(shí)際項(xiàng)目的開發(fā)，如：智能交通燈的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、電子琴的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等，要求學(xué)生對其軟、硬件進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，并經(jīng)歷一個(gè)具體項(xiàng)目從需求構(gòu)思到設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)的全過程，將所學(xué)知識運(yùn)用于解決實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)中所遇到的問題，從而提高學(xué)生進(jìn)行實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)的能力和產(chǎn)品的制作實(shí)現(xiàn)能力。

3.采用CDIO的教學(xué)模式。

吸納CDIO的教學(xué)思想，轉(zhuǎn)變授課方式，具體體現(xiàn)在：

（1）知識講解實(shí)例化：通過實(shí)例引入教學(xué)內(nèi)容或以具體的實(shí)例、案例來對知識進(jìn)行講解，體現(xiàn)課程的實(shí)踐性，提高學(xué)生的興趣。

（2）課內(nèi)課外協(xié)作化：課內(nèi)組織討論，課外進(jìn)行大量的調(diào)查研究，團(tuán)結(jié)協(xié)作，完成探究活動。

（3）采用“做中學(xué)”的授課模式：通過課內(nèi)實(shí)踐，如在課內(nèi)帶領(lǐng)學(xué)生完成一個(gè)匯編語言程序的匯編、調(diào)試過程，讓學(xué)生在動手實(shí)踐中學(xué)到相關(guān)知識。

（4）積極開展課堂互動：要求教師在課堂教學(xué)中，必須留一定時(shí)間與學(xué)生互動，鼓勵(lì)學(xué)生提問和思考，增強(qiáng)學(xué)生的參與感。

三、改革具體舉措及成果

基于以上的教學(xué)改革思路，實(shí)施以下具體舉措并形成相應(yīng)的成果：

（一）對上述四門硬件基礎(chǔ)課程的教學(xué)知識點(diǎn)進(jìn)行整體的梳理和融合，形成新的硬件融合課程知識點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)。

（二）按照硬件融合課程的知識點(diǎn)體系，重新編寫教學(xué)大綱，并對應(yīng)每一章教學(xué)大綱的任務(wù)要求，撰寫每一次課的劇本式教案。該劇本式教案在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)凸顯“劇本”的特點(diǎn)，將課堂看做一個(gè)學(xué)生和教師共同參與的舞臺，由教師根據(jù)授課內(nèi)容進(jìn)行引導(dǎo)，學(xué)生充分參與，使學(xué)生在參與中學(xué)習(xí)知識、學(xué)會溝通、提高興趣。

（三）組織編寫了各章節(jié)專訓(xùn)實(shí)踐項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)材料和綜合項(xiàng)目開發(fā)的教學(xué)大綱及指導(dǎo)材料。

四、改革成效

以上是我系硬件融合課程教改項(xiàng)目的改革思路及建設(shè)成果，該教改成果已在我系2014級學(xué)生的專業(yè)課學(xué)習(xí)中得到實(shí)施。通過教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式的改革，學(xué)生普遍反映能更好地理解計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的原理及設(shè)計(jì)方法，工程實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力得到有效提高，取得較好的教學(xué)效果。

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