基于CDIO的计算机硬件融合课程教改探索

杨雪

摘 要： 文章针对本系计算机硬件课程体系中存在的问题，提出了基于CDIO的计算机硬件融合课程教学改革思路，进行了具体实施，并对改革效果进行了总结。

关键词： 计算机硬件课程 CDIO 教学改革

计算机硬件课程是计算机专业的重要课程，是深入了解和掌握计算机基本工作原理[1]、建立计算机系统整体认知及培养计算机系统底层编程能力必不可少的部分。

电子科技大学成都学院计算机系针对三本院校学生特点，其计算机科学与技术专业的硬件基础课程主要设置“数字逻辑”、“计算机组成与结构”、“汇编语言”、“微机原理与接口技术”四门课程，但在实际授课中发现存在课程内容交错重复、课程之间缺乏有机联系、理论知识抽象化、实践能力培养不足等问题，为了培养出基础知识扎实[2]、具备较强实践能力、符合CDIO国际工程教育理念的合格应用人才，迫切需要对我系的计算机硬件系列课程的课程体系进行改革优化，结合CDIO工程教育思想提出改革方案并加以实施。

一、现有硬件课程体系及存在的问题

目前，在我系计算机科学与技术专业开设的专业基础课程中，与硬件有关的课程主要有“数字逻辑”、“计算机组成与结构”、“汇编语言”、“微机原理与接口技术”四门课程，现有的课程体系主要存在以下问题：

（一）知识点交错重复。

例如：计算机系统概述、主存储器的逻辑设计等内容，在“计算机组成与结构”、“微机原理与接口技术”两门课程中都有相应的介绍。又如，信息在计算机中的表示，包括数制、带符号数的表示、定点数与浮点数、数和字符的编码等相关内容，在“数字逻辑”、“计算机组成与结构”、“微机原理与接口技术”三门课程中都进行了介绍。

（二）课程内容相互独立，缺乏有机联系。

例如在“计算机组成与结构”课程中，介绍了半导体存储器的存储原理与存储芯片，并就如何使用基本的存储芯片通过字扩展、位扩展构成一定容量的主存储器的扩展方法进行了介绍。而在“微机原理与接口技术”课程中，存储器部分则主要侧重对8086存储器的组织结构进行介绍，包括8086存储器的存储地址空间、物理组织结构（奇偶库结构）及编程结构（分段的存储管理方式），而这些与前面在“计算机组成与结构”课程中所学到字扩展、位扩展原理之间的联系，却没有充分地体现出来。

（三）理论知识抽象化。

在上述硬件课程的教学中，对于知识的讲解，目前大多只停留在理论上，在课堂教学中多采用灌输式的教学方法，将硬件系统的基础知识一味地讲解[2]，缺乏相应的实例，学生学习起来感觉比较抽象，造成学习兴趣低迷和对于硬件知识有畏难情绪。

（四）实践能力培养不足。

课程内容没有与实际的项目或产品的制作开发过程相结合，虽安排有一定的课程实验，但有的实验只是对理论的验证或形象化的加深理解，对学生的实际应用能力及进行项目或产品开发的能力锻炼仍然不足。

二、硬件融合课程教改思路

（一）对我系的硬件基础课程教学内容进行融合。

将原有的“数字逻辑”、“计算机组成与结构”、“汇编语言”、“微机原理与接口技术”四门课程融合为三门课程：“硬件基础1”、“硬件基础2”、“硬件基础3”，重新梳理硬件基础课程的全部知识点，去掉重复、冗余的部分，连接关联的部分。

（二）建立课程之间的有机联系。

在融合课程的内容安排上，“数字逻辑”的知识作为基础进行介绍，“汇编语言”由于需要“微机原理”的知识，因此放到最后，在学生学习完“微机原理”的内容后进行介绍；而“计算机组成与结构”与“微机原理与接口技术”两门课程的内容则放到“数字逻辑”与“汇编语言”之间进行介绍，对两门课程的融合思路是：按照“一般与特殊”的方式建立联系，进行内容整合。

例如，将“计算机组成与结构”与“微机原理与接口技术”两门课程融合后的课程内容按照计算机硬件的几大组成部分：运算器、控制器、存储器、总线系统、输入/输出系统、中断系统进行组织，对于每一部分的教学内容。例如存储器，先将“计算机组成与结构”中的内容作为一般性的原理进行介绍，再将“微机原理与接口技术”中的内容——8086存储器的组织以一个具体实例的方式给出，并进行相关内容的介绍。

这样学生通过具体的实例：8086的系统组织，对“计算机组成与结构”课程中所讲授的一般性原理有更实例化的理解，同时也明白微型计算机这一特殊类型的计算机与其他类型计算机（如大型机、中型机等）之间的区别和联系。

（三）引入CDIO的教学思想，强调“做中学”。

CDIO教学理念强调“做中学”，因此，在此次硬件课程的教学改革中进一步突出了实践实训环节，主要从以下几个方面进行加强：

1.以章节为单位，设置课内实践及专训实践。

其中课内实践纳入理论课授课内容，专训实践独立于理论课，以实验课的方式展开。例如：对于运算器一章的教学内容，设置有六个学时的专训实践，对运算器的组成及工作原理、算术运算和逻辑运算的运算功能进行专训实验。各章节的专训实践进一步构成三门实验课程“硬件综合实验1”、“硬件综合实验2”和“硬件综合实验3”，分别与理论课程“硬件基础1”、“硬件基础2”和“硬件基础3”相对应。

2.设置专门的项目实践环节。

在硬件融合课程中，设置了专门的项目实践环节——综合项目开发，该环节包含理论及实践两个部分，理论部分对项目开发流程等工程项目开发知识进行介绍，实践部分通过实际项目的开发，如：智能交通灯的设计与实现、电子琴的设计与实现等，要求学生对其软、硬件进行分析和设计，并经历一个具体项目从需求构思到设计、实现的全过程，将所学知识运用于解决实际项目开发中所遇到的问题，从而提高学生进行实际项目开发的能力和产品的制作实现能力。

3.采用CDIO的教学模式。

吸纳CDIO的教学思想，转变授课方式，具体体现在：

（1）知识讲解实例化：通过实例引入教学内容或以具体的实例、案例来对知识进行讲解，体现课程的实践性，提高学生的兴趣。

（2）课内课外协作化：课内组织讨论，课外进行大量的调查研究，团结协作，完成探究活动。

（3）采用“做中学”的授课模式：通过课内实践，如在课内带领学生完成一个汇编语言程序的汇编、调试过程，让学生在动手实践中学到相关知识。

（4）积极开展课堂互动：要求教师在课堂教学中，必须留一定时间与学生互动，鼓励学生提问和思考，增强学生的参与感。

三、改革具体举措及成果

基于以上的教学改革思路，实施以下具体举措并形成相应的成果：

（一）对上述四门硬件基础课程的教学知识点进行整体的梳理和融合，形成新的硬件融合课程知识点体系结构。

（二）按照硬件融合课程的知识点体系，重新编写教学大纲，并对应每一章教学大纲的任务要求，撰写每一次课的剧本式教案。该剧本式教案在教学设计时凸显“剧本”的特点，将课堂看做一个学生和教师共同参与的舞台，由教师根据授课内容进行引导，学生充分参与，使学生在参与中学习知识、学会沟通、提高兴趣。

（三）组织编写了各章节专训实践项目的实验指导材料和综合项目开发的教学大纲及指导材料。

四、改革成效

以上是我系硬件融合课程教改项目的改革思路及建设成果，该教改成果已在我系2014级学生的专业课学习中得到实施。通过教学内容和教学方式的改革，学生普遍反映能更好地理解计算机硬件系统的原理及设计方法，工程实践能力和团队协作能力得到有效提高，取得较好的教学效果。

参考文献：

[1]陈辉，李敬兆，詹林.计算机专业硬件课程教学改革探索[J].计算机教育，2014（5）.

[2]惠丽，吴玲.计算机硬件系列课程教学改革的研究与实践[J].黑龙江教育（高教研究与评估），2010（1）.

[3]何颖.基于CDIO模式的计算机硬件系列课程的改革与实践[J].科技信息，2013（26）.