基于CDIO模式的《計算機組成原理與結構》教學改革探索

王曉莉

摘要：《計算機組成原理與結構》課程是一門理論性強并與實踐相結合的課程，應將學生實踐能力、系統觀的培養作為課程培養的重點。本文提出在CDIO教學理念下改進課程效果的教學改革方案，從幾個方面討論了課程教學和實踐的改革措施，能夠有效的提高教學效果。

關鍵字：CDIO；教學改革；能力培養

一、引言

當今世界，經濟、科技飛速發展，計算機技術是信息化社會的重要工具和組成部分，計算機科學領域的變革對我國高校計算機專業教學改革提出了新的挑戰，計算機教育專業委員會（CCF）指出：計算機專業學生需要更多地關心計算系統的整體特性，培養自身計算機系統能力，這也是工程教育的特征。CDIO理念滿足培養“研究型+實踐型”的面向一線的應用型工程人員的需要。《計算機組成原理與結構》課程為以微結構設計者角度來認識計算機系統，涵蓋了計算機系統結構從Conceive （ 構思）、Design （ 設計）、Implement （ 實現）、Operate （ 運作） 的整個過程，是CDIO理念的集中體現，CDIO強調 “做中學”和 “基于項目教育和學習”，以CDIO理念方式開展《計算機組成原理與結構》課程的教學改革可以達到讓學生基本理解掌握系統運行原理和初步具備系統開發能力的目的，極大地改善了《計算機組成原理與結構》課程的教學效果，對培養學生的系統能力、對知識的運用能力、解決實際問題的能力，以及團隊協作精神起著重要的作用。

二、教學現狀

《計算機組成原理與結構》課程的教學目標是以微結構設計者角度來認識計算機系統，建立單處理器計算機系統的整機概念，并能夠構造出完整的計算機系統的基本框架，學生在理解高級語言程序與機器級代碼之間對應關系的基礎上，進一步理解機器級代碼如何在具體硬件系統中執行的過程。課程立足于培養學生的系統認知、系統設計能力。

目前《計算機組成原理與結構》課程在教學中存在以下問題：①教學與實踐脫離，理論教學教師在課堂主要教授理論知識，實驗教師使用實驗臺指導學生實驗，二者缺乏溝通和聯系，學生被動接受抽象枯燥的知識，難以對知識點產生實際認知，知識結構相對固定，難以理解，導致學生對課程興趣低。 ②課程教學知識范圍相對獨立，缺乏與其他相關課程知識的聯系，造成知識點孤立，學生不能很好地建立計算機系統完整概念，缺乏系統觀，難以形成對計算機系統的全面認識。 ③教學實驗大部分以驗證型實驗為主，實驗內容、過程相對固定，缺乏系統性的綜合實踐環節和綜合設計環節，也使得學生理論上一知半解，動手能力弱。 ④本課程的考核測評方式單一，以筆試為主，以理論知識題為主，學生通過短期的突擊，死記硬背就能通過，導致學生對于很多核心內容通常只知其然不知其所以然，因而綜合分析、設計和應用能力也較差，對于需要綜合運用多個跨課程的概念才能解決的問題一籌莫展。上述四個典型的問題，導致學生學習積極性不高，課程建設效果不理想。

三、基于CDIO的改革措施

課程教學將結合CDIO的教學理念，結合我國實施的卓越工程師人才培養計劃，將學生動手能力的培養作為課程培養的重點之一，使學生從深層次了解計算機組成原理的結構組成、各個硬件模塊的功能和作用，增強學生對硬件層面能力的提升，從硬件系統功能設計和軟件怎樣驅動硬件工作并使硬件有更高的效率兩方面開展教學活動。

主要有以下幾個方面的措施：

1 教學內容要有系統觀

計算機技術的發展是飛速的，課程內容在保證基礎知識不能減少的同時及時更新新技術，給老師教學和學生學習帶來一定難度。因此在教學內容的設計上應基于自頂向下的教學思路，建立一種從整體功能推進到局部組成、從宏觀結構到微觀實現的層次化課程內容設計模式，從而幫助學生建立計算機硬件系統的整體把握。首先從系統整體角度將計算機進行大體的剖析，從主機到主板，從主板到集成電路，再到門電路，讓學生對計算機系統有一個整體概念；然后以分析問題、解決問題的思路，對構成系統的功能模塊從簡單到復雜，從設計到實現，從構思到運作進行講解，在每部分學習過程中，及時補充相關新技術、新應用的內容，調動學生的求知欲，提高學生學習興趣。

2 教學手段、教學方法

在課堂教學中多種教學方法靈活使用，可以使用案例化教學，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，如pentium IV的體系結構和實現方式等，多層次加強學生的實踐與創新能力 。使用實物教學，在講解計算機各部件的時候，可以把實物（ 例如內存條、CPU、硬盤等）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。使用動畫演示教學，在電子教學課件中插入動畫演示，將模糊抽象的概念變得直觀形象，例如在“Cache的置換策略”這一教學環節中，利用 CAI可以讓學生更清楚地理解Cache和主存的信息交換過程。多種教學手段的使用更能提高學生的學習興趣，提高教學效率。

3 實踐環節的改進

改變實踐方式，改進實驗內容。盡可能使用EDA技術，設計虛擬實驗，減小了對實際實驗設備的依賴性，給學生創造有更方便、更靈活的實踐環境。優化實驗內容，增加綜合設計實驗。實踐教學可分為“基礎實驗”、“綜合設計實驗”和“課程設計項目”三部分。“基礎實驗”主要指驗證型實驗，通常在學校安排的實驗課時內用實驗箱完成。 “綜合設計實驗”由綜合型實驗和基于部件的設計型實驗組成，要求學生編寫一定的程序，可以在虛擬實驗環境下設計，實際實驗儀器中完成。“課程設計項目”是學生完成的一個完整項目，分小組完成。內容涉及本課程和其它課程尤其是軟件應用類課程有一定的的交叉知識點或隱性知識，以訓練學生對項目設計的認識、團隊精神和作為工程師的思維模式是主要目的，它對激發學生對本專業的興趣起到至關重要的作用。

4 考核方式的改進

建設符合課程大綱的題庫，筆試部分可以從題庫抽取，避免了試卷知識點覆蓋面不全面，學生押題的現象。傳統的考核方式主要側重于原理性知識點，使得很多學生不注重知識的整合和實踐環節，學生通過臨時突擊的考前復習和死記硬背就能通過考試。參考CDIO模式，采用多種方式評價學生的能力。課程總成績由三部分組成 。其中理論測試側重于原理性知識的理解掌握，平時成績考慮學生在學習過程中的表現 、參與小組討論的積極程度 ，實踐成績不僅只看實驗結果還要考慮預習、設計、排錯等幾方面能力。多方面考核因素的組合有利于引導學生既認真學習專業知識又注重知識的積累和綜合運用，還鍛煉了動手能力。

5 課程教學中的反思

課程教學中的反思是指就課程授課、實踐教學與實施過程中遇到的問題進行回顧與討論。反思是一種互動式的教學活動，是課程教學中極其重要的一個環節。教師通過反思，對教學方案、教學方法、教學態度不斷重新設計與改進，提高了教學效果和自身教育教學水平。學生通過反思更好的理解和掌握課程知識，達到了能力培養的目的。

四、結語

《計算機組成原理與結構》課程是計算機專業的專業基礎課程的課程，應將學生實踐能力、系統觀的培養作為課程培養的重點。本教學改革在CDIO的教學理念下，針對《計算機組成原理與結構》課程的特點，結合社會對“研究型+實踐型”的面向一線的應用型工程人員的需要，改進教學實踐的方式方法，能夠提高教學效果。

參考文獻

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【3】 王海瑞，等. 基于CDIO的《計算機組成原理》教學改革探討與實踐[J]. 教育教學論壇， 2012， （30）：21-22.