基于HCDIOR計算機組成原理實驗教學改革探索

劉二林 王玉鋒

摘要：在分析了醫學院校開設計算機組成原理實驗教學中存在的一系列問題基礎上，在CDIO工程理念的引導下，結合醫學院校學生特點，提出HCDIOR教育培養模式，并接合具體案例剖析了HCDIOR的實施步驟，實現了基于HCDIOR的硬件課程內容的融合、貫通。

關鍵詞：HCDIOR;能力培養;虛擬實驗;過程考核;開放實驗

中圖分類號：G434? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）26-0144-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 引言

計算機組成原理是計算機科學與技術專業核心硬件課程，主要介紹計算機的基本組成和各功能部件的工作原理，旨在培養學生的系統能力和硬件系統的設計能力，其作為數字邏輯的后續課程，操作系統、微機接口技術、系統結構等課程

的基礎，在計算機專業硬件系列課程中承上啟下，“地位”顯著[1]。但課程中抽象概念多，涉及知識面廣，原理枯燥，難度大，對醫學院校計算機專業學生而言，學習具有一定的挑戰性，普遍存在“欺軟怕硬”現象，在后繼課程設計以及畢業設計環節，少有計算機硬件相關作品。在教學過程中，雖然教師重視、學生“用力”，但教學效果及學生能力提升未達預期效果。基于此，在實驗教學環節的實施中，結合工徎CDIO理念，提出HCDIOR實施方案，即在實施過程中基于C（conceive）代表構思， D（design）代表設計，I （implement）代表實施，O（operate）代表運作，引入H（honesty）誠信 R（recyle）循環，通過硬件綜合實驗平臺設計、實驗內容選擇、開放實驗、實驗過程考核等環節的實施，提高學生綜合素養[2][3]。

2 現行的實驗教學平臺存在的弊端

目前大部分高校計算機組成原理實驗教學多采用清華科教TEC，啟東、唐都TD-CMA系列實驗箱，此類實驗平臺均采用cpu結構固定，各部分功能部件固化，雖能完成計算機組成原理各器件功能、原理展示，但此類平臺存在明顯的“先天不足”，在學生系統綜合能力培養方面存在突出“短板”，具體表現在以下幾方面[5][6]：

1） 實驗效果差：基于此實驗平臺開設的實驗項目大部分為驗證型項目，實驗過程中學生按照實驗教材所列步驟完成連線及相關開關的撥動實現數據輸入，然后通過觀察指示燈的狀態判斷結果的正確與否，此類實驗限制了學生創造思維，學生對數據的流動及各部件的銜接不明所以，實驗效果差，無法達到預期效果。

2） 設計、創新型實驗難以開展：實驗箱制作時固化了計算機組成的各功能器件，不能靈活變更指令格式、尋址方式等功能，無法實現一完整模型機，無法形成整機系統觀。

3） 實驗項目缺乏連貫性：平臺提供的實驗項目僅局限于計算機組成原理所涉內容，內容的延伸及擴展沒有實現與數字電子技術、微機接口技術，操作系統等課程相互融合、“無縫”連接，無法實現知識的整合，實驗技能僅停留在完成本課程實驗的開設，了解計算機組成各器件功能、原理。

4） 實驗操作糾錯困難：隨著實驗箱各插孔的頻繁插拔，觸頭、插孔敏感性降低，接觸不良頻發，雖操作無誤，但未必得出正確結果，加之實驗項目操作過程中，連線眾多，糾錯困難。

5） 實驗實施限制多：現行的計算機組成原理實驗須在規定時間指定的實驗室完成，學生急于完成實驗所需的“規定動作”，對實驗中出現的錯誤未及深究，匆匆結束，實驗獲得感差強人意，加之實驗室設備管理規定，學生在實驗室之外開展深入開展研究困難重重。

6） 考核單一：現行的實驗項目的考核多采用課前布置實驗內容，學生操作、驗證、提交實驗報告，教師根據實驗報告及出勤情況給予分數，造成實驗實施過程中敷衍、應付，興趣不高，不求甚解，抄襲實驗報告等現象，未能客觀、公正評價學生的勞動成果，失去實驗開展的意義。

3 實驗教學改革思路

以ACM和IEEE協會制定的計算機專業學生系統能力培養為依據，結合濟寧醫學院醫學信息工程學院計算機志業培養方案及學生具體情況，確定了以綜合能力培養、創新精神為目標，在CDIO工程教育理念基礎上，提出把HCDIOR理念引入實踐教學，通過專業素養教育、任務分解、虛擬仿真、開放實驗、硬件實訓平臺研發及在實驗考核中引入過程考核等舉措，實現了計算機硬件課程內容的高度融合、貫通，實現基于誠信機制的多維度能力培養[7]。

3.1 HCDIOR理念在實踐中的實施

CDIO教育模式是一種先進的工程教育理念體系，其中C（conceive）代表構思，? D（design）代表設計，I （implement）代表實施，O（operate）代表運作。其理念自2016年在汕頭成立“全國CDIO工程教育聯盟”以來，以其理念先進、可操作性強，得到眾多高校的響應，針對學生的構思、設計、實施、運作能力培養，設立實驗內容，通過具體實驗項目標的實施，強化了理論知識學習，培養實踐能力，調動了學生的積極性，提升了團隊合作能力。在CDIO的基礎上創造性引了H（（honesty））誠信，R（recyle） 循環，在學生專業素養培養基礎上實現了良性互動系統。實驗教學中具體方案如下：

3.1.1 實驗內容的設計

針對以往的實驗內容多側重計算機各部件的工作原理的驗證，學生很難建立起整機概念，對實驗內容項目的設置進行調整，在保持部分基礎驗證性實驗外，根據CDIO理念引入以一模型機整機設計為實訓項目，引導學生積極思考構思，把其任務進行分解，分為運算器部分、存儲器部分、指令部分、總線設計部分。涵蓋了計算機組成原理主要內容，并把數字邏輯與后續微機接口技術、操作系統進行深度融合銜接[8]。

3.1.2實驗的實施