基于CDIO模式的计算机组成原理课程教学探讨
——以湖南工程学院为例

陈华光，陈多，邓作杰，唐北平

(湖南工程学院计算机与通信学院，湖南湘潭411104)

基于CDIO模式的计算机组成原理课程教学探讨
——以湖南工程学院为例

陈华光，陈多，邓作杰，唐北平

(湖南工程学院计算机与通信学院，湖南湘潭411104)

计算机组成原理是一门理论与实践相结合的课程，该课程特别注重学生实践能力的培养。通过简要分析CDIO工程教育理念，围绕CDIO教学模式对计算机组成原理的教学改革可以提出以下实践措施:利用多媒体教学，建立教学网站，实施案例教学，注重实践教学，提高学生动手能力，重建学生考核评价标准，突出工程项目能力，建设高素质教师队伍。

计算机组成原理;CDIO模式;教学探讨

一 CDIO工程教育模式

CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果。从2000年开始，由美国麻省理工学院、瑞典皇家工学院等4所国际知名大学组成的跨国研究组织获得了KAW基金会的巨额资助，经过四年的探索研究，创立了CDIO工程教育理念，并成立了以CDIO命名的国际合作组织。现在，我国高等教育中越来越多地借鉴和使用CDIO的理念，并形成了一套具有国内教育特色的理论。［1］

CDIO是四个英文单词Conceive(构思)、Design (设计)、Implement(实现)、Operate(运作)的缩写，它是“做中学”和“基于项目教育和学习”的集中概括和抽象表达。它是以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动地参与到从理论到实践的转化过程中来学习工程。它的培养大纲(见图1)将学生能力分为专业基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面，要求以综合的培养方式使学生在这四个层面达到预定目标。［2］

计算机组成原理课程是一门理论性强并与实践相结合的课程，应特别注重培养学生实践能力，因而本课程教学将结合CDIO的教学理念，将学生动手能力的培养作为课程培养的重点之一。

二 计算机组成原理课程的特点及现状

计算机组成原理是计算机及相关专业的核心专业基础课之一。从课程的地位来看，它在先导课程和后续课程、软件课程与硬件课程、基础课与计算机专业课程之间起着重要的承上启下和左右贯通的作用。该课程2008年列入计算机专业研究生入学考试必考科目，在专业课150分的总分中占了45分，表明它在计算机及相关专业中扮演着极其重要的角色。

湖南工程学院对计算机组成原理课程建设非常重视。该课程2006年被列为系级精品课程，2009年被列为校极精品课程。学校申本成功后的第2年(2002年)新建计算机组成原理专业实验室，2009年利用中央财政支持地方高校发展专项资金项目对该实验室进行了扩建，扩建后的实验室可进行数字逻辑、计算机组成原理、计算机接口等课程的实验和课程设计。

计算机组成原理课程的特点是知识面广，教学信息量大，教学内容更新快。但是由于课程理论性太强，基本概念太抽象等原因，很多学生对学习感到枯燥，没有主动参与的热情，仅仅是被动地在学习，体会不到学习的乐趣所在，更无法进行创新能力培养。传统的教学是以传授知识为主，忽视能力培养和工程设计锻炼，工程化的思想在课程中无法体现，对工程的认识不够，在工程实践中人际交往技能水平较差，比如团队协作、沟通和交流的能力没有得到有效培养，学生受到以团队为单位的项目的实际训练太少，个体意识强，普遍缺乏团队协作精神。传统的考核方法主要重视理论的掌握，对实践的考核明显不足，考核方法单一，导致知识与能力培养不协调，考核结果不够公正。国内普遍的现象是:计算机专业办得太“软”，学生的硬件动手能力非常弱，甚至连研究生也惧怕硬件。

图1 以能力培养为目标的CDIO大纲

三 CDIO工程教育模式在计算机组成原理教学中的应用

CDIO工程教育模式不仅注重抽象理论知识的教和学，而且强调了学习过程中“做”的重要意义;不仅强调学生的动手能力，而且还要对学生的创新意识、团队协作精神和项目设计能力进行培养。实现“情境”、“协作”、“交流”和“意义建构”学习环境的四要素相结合。把学生从单纯的被动接受知识，转变为通过引导而主动学习。

(一)多种教学手段相结合，变抽象为形象

1.利用多媒体教学与传统教学方式相结合。现代教育学实验证明:学生获得知识，靠听觉，3小时后保持70%，3天后保持10%;靠视觉，3小时后保持72%，3天后保持20%;视觉听觉结合，3小时后保持85%，3天后保持65%。由此可见，采用多种教学媒体，效果是非同寻常的。由于计算机组成原理的教学内容往往同时涉及时间概念和控件概念，具有很强的动态性和抽象性，难教难学。针对难点和要点，在电子教学课件中插入使用流行的FLASH等三维软件开发的CAI，实现图、文、声音、动画并茂，用CAI演示将计算机各部件内部每一步的信息流动过程以生动形象的方式展示在学生面前，使学生产生身临其境的感觉，将模糊抽象的概念变得直观形象，使学生能从多方面理会教学内容。例如在“指令的执行过程”这一教学环节中，利用CAI可以让学生更清楚地“看”到读取指令、分析指令到执行指令的各种信息流的流动过程。教学手段的改革更能发挥学生的能动性，增强了学生的感性认识又提高了学习兴趣，使枯燥乏味的教学变得生动活泼，抽象的概念变得明确，复杂的关系变得简单，难以想象的问题变得十分直观，极大地提高了教学效率。

2.建立计算机组成原理教学网站。利用网络优势，实现资源共享。本课程的上网资源有:课程介绍、教学大纲、课程教案、教学进度安排、习题与答案、考研资料、计算机组成原理的发展动向和新技术等相关资料等。以供学生随时学习，实现网上答疑、提交作业、批改作业、补充和扩展课堂教学内容。通过网络环境学生极为便利地自主学习，使课内与课外相贯通，实现教与学的互动。

3.通过实物教学。单纯的理论知识很难集中学生的注意力，很难让学生理解。在讲解计算机各部件的时候，可以把实物(例如内存条、CPU、硬盘、主机等)带到课堂上，变抽象为形象，让学生真正体会到计算机组成原理不是空洞的理论，而存在于日常生活之中。

4.实施案例化教学。将案例融入到计算机组成原理的教学过程中。从学生非常熟悉并流行的PC计算机中挑选具有代表性的实例作为案例，如介绍多级存储体系结构时，可结合PC机的存储结构(CPU中的高速缓存、内存、硬盘、光盘等)进行教学;讲授计算机体系结构时，可比较冯·诺依曼结构和哈佛结构，PC机是一种冯·诺依曼结构计算机，特点是程序和数据共用一组总线存放在同一个存储器中，而DSP和ARM中使用的是哈佛结构，特点是程序和数据用不同的总线分开存放在不同的存储器中。通过特定案例的分析使学生更加深刻地理解计算机组成原理中的思想和方法，多层次加强学生的实践与创新能力。

(二)注重实践教学，提高学生动手能力

组成原理教学是否成功，是否能让学生不仅理解计算机的工作原理，而且具备基本的计算机设计能力，关键在于实验。合适的实验平台、实验模式、实验环节设计能大大激发学生的兴趣，提高学生的独立思考能力和动手能力。

1.培养以学生为主教师为辅的实践原则。CDIO模式要求在教学中要贯彻“做中学”、“学中做”的原则。主张教师应主动从“师傅”向“教练”角色转型，帮助学生将所学知识进行改造、转换和内化。注重培养学生独立思考能力，俗话说:“授人以鱼，不如授人以渔”，教师不应把传授知识作为自己的主要任务和目的，而是要把精力放在如何教学生学上，使学生学会学习，懂得从哪里获取自己所需的信息。

2.优化实验内容。实践教学可分为“必做实验”、“选做实验”和“课程设计”三部分。［3］“必做实验”主要包括算术逻辑运算、存放器、控制器、系统总线等验证型实验，通常在学校安排的实验课时内用实验箱完成。学生课外预习，实验之前，老师用CAI课件复习本实验的理论知识，学生在实验箱上完成部件之间的接线，输入数据，观察结果，分析数据流，再写实验报告。这样才能加深学生对课程的理解。“选做实验”由综合型实验和基于部件的设计型实验组成，是为部分优秀学生而设计的，要求学生编写一定的程序，在实验室开放时间内完成选做实验。学生通过“选做实验”可以加深对计算机组成原理的概念、硬件的设计的理解，增强完成实验后的成就感。

3.营造良好的自主实践环境。现阶段许多高校都在压缩课时，不仅开放试验室很有必要，而且还要形成一个全开放的自主实践环境。将实验大纲、实验指导书、实验进度、参考资料和时间安排放在网站上，方便学生随时选用和预习。在指定的时间段定期地或预约开放实验室。在开放实验室的时间内，学生在授课教师或实验教师的指导下，可自主地使用实验设备、实验用品，自选实验内容进行实验。

(三)通过工程项目实训增强学生团队合作的能力

基于CDIO的项目教学法使学生模拟实际的工程项目，在校学习期间就能置身于真实的工作环境中，可以很好地培养学生的交流和团队合作能力。教师给出若干个题目(项目)，以项目为单位将每个班级分成若干由3－5人组成的项目小组，实行小组长负责制。小组长带领本组成员对项目进行全面透彻的分析，根据成员的特长合理分配任务，定期交流讨论，团结合作，共同完成项目。项目实施过程中成员之间的交流沟通是保持整个小组旺盛生命力的必要条件。正所谓“三人行，必有我师焉”。通过小组成员之间的相互交流，集思广益，可以得到一个最佳的设计方案，确保项目能够及时高效地完成。采取项目形式能充分发挥和调动了学生的主观能动性，培养学生的自主学习意识和团队合作能力，增强责任感和自信心，形成团队合作意识以及良好的工作习惯，为将来工作打下了坚实的基础。

“课程设计”主要是设计型实验，内容是设计一个复杂模型机，可以在实验箱内完成，也可用EDA软件如(QUARTS)来完成。［3］模型机设计用到了包括指令系统、微指令系统、微程序控制等计算机组成的大部分内容。教师布置课程设计任务书(放在计算机组成原理教学网站上)，由学生自行分组，这样就迫使学生查阅大量的资料来完成设计，既调动了学生的主观能动性，加深了对课程设计的理解，而且锻炼了他们动手设计能力和分析能力。通过课程设计，学生从软件、硬件上加深对计算机系统各个功能模块的工作原理的理解，［4］从而形成“整机”概念，培养综合分析、设计、开发和创新能力，从而使学生形成具有计算机硬件系统的基本构思、设计的初步能力。

(四)改进学生成绩考核方式

传统的学生成绩考核通常是试卷考试成绩与平时成绩按照一定的比例构成，试卷考试由任课教师以试卷考试的形式进行，平时成绩主要是考勤、平时作业和实验情况。这种考核方式使得很多学生将学习重心放在了以笔试为主的考试上，侧重于基础知识的获取，忽视了创新实践能力的培养，对学生的实践动手能力很难做出客观的评价。学生在学习过程中，不善于主动发现问题、分析问题，缺乏解决实际问题的能力。

CDIO工程教育要求学生在掌握专业知识的基础上，具备一定的工程实践能力。为了确保考核方式的有效性、合理性和公平性，CDIO模式评价方法采用多种方式评价学生的能力。在基于CDIO模式的计算机组成原理课程的教学中，可以通过笔试对专业基础知识进行评价，检验学生对基础知识的掌握情况。对学生实验环节和实验过程的考核，分预习、实验结果、实验报告等三个阶段分别考核并给出成绩。课程总成绩由笔试成绩和实验组成。

学生完成项目单独给成绩，主要以学生在开发过程中的表现、参与小组讨论的积极程度、提交项目报告内容的完整程序和创新意识等作为考核依据，考核学生解决实际问题以及综合运用知识等工程实践能力。

采用多种评价方式不仅增强了评价结果的可信度和公平度，还有利于引导学生既认真学习专业知识又注重锻炼工程实践动手能力，从而提高了自身的综合素质。

四 建设高素质教师队伍

CDIO工程教育模式对专业课教师提出了更高的素质要求。讲授计算机组成原理课程的教师，不但要对该课程的基本知识和内容非常熟悉，能融会贯通，而且要对其它相关课程(计算机系统结构、计算机接口技术、汇编语言等课程)的知识有一定的掌握和了解，衔接好组成原理的内容与相关课程中内容。同时要求授课教师丰富的具有工程阅历，能够驾轻就熟地演示工程实践技术。教师队伍是实施工程教育改革，提升工程教育质量的核心因素。学校要鼓励教师踊跃申报各级科研项目，制定相应的激励制度和培训制度等，使得教师夯实理论知识之余，积累工程经验，了解专业动态，丰富知识内涵，促进工程教学改革。教师要有终身学习的意识，不断了解新事物、学习新知识，不断更新自己的知识结构，使自己具备与教学相适应的多元化知识结构。

五 结语

将CDIO新型教学模式引入计算机组成原理课程教学，实现基于CDIO工程教育的教学改革实践，采取理论教学结合实践和创新能力并重的多方位教学模式，以工程项目设计和实验为中心，完成教学目标，提高学生在学习过程中的兴趣，为学生学习后续课程奠定扎实的理论和实践基础。湖南工程学院是应用型本科院校，又是卓越工程师教育的首批试点单位，CDIO工程教育模式与学校主要培养具有创新意识的复合型高级专门工程技术非常吻合。把CDIO新型教学模式引入到计算机专业的整个系列课程中，制定出符合自身特色的工程教育模式，势必会取得更好的教学效果。

［1］李坚强，王志强．基于CDIO模式的嵌入式系统教学研究与探讨［J］．计算机教育，2010(12):122－123．

［2］和薇．CDIO模式在“数据结构”课程中的运用［J］．计算机教育，2009(20):122－124．

［3］谭小兰，莫海燕，陈多．基于EDA的计算机组成原理实验教学方案［J］．湖南工程学院学报，2011(3):93－96．

［4］陈华光．计算机组成原理［M］．北京:机械工业出版社，2009:4－6．

Research of Computer Constituting Principle Teaching Based on CDIO Mode

CHEN Hua-guang，CHEN Duo，DENG Zou-jie，TANG Bei-ping
(College of Computer and Communication，Hunan Institute of Engineering，Xiangtan 411104，China)

As the course of computer constituting principle is combination with theory and practice，the ability of practice is highlighted in teaching．This article briefly analyzes the CDIO engineering education theory and puts forward such practical measures of teaching reforms on computer constituting principle as using of multimedia teaching，constructing teaching website，developing case teaching．It also explores the practice-oriented teaching，improving students' practical ability，rebuilding evaluating criteria，stressing project skills and building a high quality teachers' team．

computer constituting principle;CDIO;teaching studying

G642

A

1671－1181(2012)03－0103－04

2012－02－27

陈华光(1961－)，男，湖南湘乡人，硕士，副教授，研究方向:计算机图形学与计算机控制。

收稿日期:2010-04-19

湖南省“十一五”教育规划重点课题“社会性别学视野下大学女生阳光体育运动的推广策略研究”(XJK08A TM 002)。

作者简介:唐 炼(1984-),女,湖南湘潭人,硕士,助教,研究方向:学校体育学。