基于HCDIOR计算机组成原理实验教学改革探索

刘二林 王玉锋

摘要：在分析了医学院校开设计算机组成原理实验教学中存在的一系列问题基础上，在CDIO工程理念的引导下，结合医学院校学生特点，提出HCDIOR教育培养模式，并接合具体案例剖析了HCDIOR的实施步骤，实现了基于HCDIOR的硬件课程内容的融合、贯通。

关键词：HCDIOR;能力培养;虚拟实验;过程考核;开放实验

中图分类号：G434        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）26-0144-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1 引言

计算机组成原理是计算机科学与技术专业核心硬件课程，主要介绍计算机的基本组成和各功能部件的工作原理，旨在培养学生的系统能力和硬件系统的设计能力，其作为数字逻辑的后续课程，操作系统、微机接口技术、系统结构等课程

的基础，在计算机专业硬件系列课程中承上启下，“地位”显著[1]。但课程中抽象概念多，涉及知识面广，原理枯燥，难度大，对医学院校计算机专业学生而言，学习具有一定的挑战性，普遍存在“欺软怕硬”现象，在后继课程设计以及毕业设计环节，少有计算机硬件相关作品。在教学过程中，虽然教师重视、学生“用力”，但教学效果及学生能力提升未达预期效果。基于此，在实验教学环节的实施中，结合工徎CDIO理念，提出HCDIOR实施方案，即在实施过程中基于C（conceive）代表构思， D（design）代表设计，I （implement）代表实施，O（operate）代表运作，引入H（honesty）诚信 R（recyle）循环，通过硬件综合实验平台设计、实验内容选择、开放实验、实验过程考核等环节的实施，提高学生综合素养[2][3]。

2 现行的实验教学平台存在的弊端

目前大部分高校计算机组成原理实验教学多采用清华科教TEC，启东、唐都TD-CMA系列实验箱，此类实验平台均采用cpu结构固定，各部分功能部件固化，虽能完成计算机组成原理各器件功能、原理展示，但此类平台存在明显的“先天不足”，在学生系统综合能力培养方面存在突出“短板”，具体表现在以下几方面[5][6]：

1） 实验效果差：基于此实验平台开设的实验项目大部分为验证型项目，实验过程中学生按照实验教材所列步骤完成连线及相关开关的拨动实现数据输入，然后通过观察指示灯的状态判断结果的正确与否，此类实验限制了学生创造思维，学生对数据的流动及各部件的衔接不明所以，实验效果差，无法达到预期效果。

2） 設计、创新型实验难以开展：实验箱制作时固化了计算机组成的各功能器件，不能灵活变更指令格式、寻址方式等功能，无法实现一完整模型机，无法形成整机系统观。

3） 实验项目缺乏连贯性：平台提供的实验项目仅局限于计算机组成原理所涉内容，内容的延伸及扩展没有实现与数字电子技术、微机接口技术，操作系统等课程相互融合、“无缝”连接，无法实现知识的整合，实验技能仅停留在完成本课程实验的开设，了解计算机组成各器件功能、原理。

4） 实验操作纠错困难：随着实验箱各插孔的频繁插拔，触头、插孔敏感性降低，接触不良频发，虽操作无误，但未必得出正确结果，加之实验项目操作过程中，连线众多，纠错困难。

5） 实验实施限制多：现行的计算机组成原理实验须在规定时间指定的实验室完成，学生急于完成实验所需的“规定动作”，对实验中出现的错误未及深究，匆匆结束，实验获得感差强人意，加之实验室设备管理规定，学生在实验室之外开展深入开展研究困难重重。

6） 考核单一：现行的实验项目的考核多采用课前布置实验内容，学生操作、验证、提交实验报告，教师根据实验报告及出勤情况给予分数，造成实验实施过程中敷衍、应付，兴趣不高，不求甚解，抄袭实验报告等现象，未能客观、公正评价学生的劳动成果，失去实验开展的意义。

3 实验教学改革思路

以ACM和IEEE协会制定的计算机专业学生系统能力培养为依据，结合济宁医学院医学信息工程学院计算机志业培养方案及学生具体情况，确定了以综合能力培养、创新精神为目标，在CDIO工程教育理念基础上，提出把HCDIOR理念引入实践教学，通过专业素养教育、任务分解、虚拟仿真、开放实验、硬件实训平台研发及在实验考核中引入过程考核等举措，实现了计算机硬件课程内容的高度融合、贯通，实现基于诚信机制的多维度能力培养[7]。

3.1 HCDIOR理念在实践中的实施

CDIO教育模式是一种先进的工程教育理念体系，其中C（conceive）代表构思，  D（design）代表设计，I （implement）代表实施，O（operate）代表运作。其理念自2016年在汕头成立“全国CDIO工程教育联盟”以来，以其理念先进、可操作性强，得到众多高校的响应，针对学生的构思、设计、实施、运作能力培养，设立实验内容，通过具体实验项目标的实施，强化了理论知识学习，培养实践能力，调动了学生的积极性，提升了团队合作能力。在CDIO的基础上创造性引了H（（honesty））诚信，R（recyle） 循环，在学生专业素养培养基础上实现了良性互动系统。实验教学中具体方案如下：

3.1.1 实验内容的设计

针对以往的实验内容多侧重计算机各部件的工作原理的验证，学生很难建立起整机概念，对实验内容项目的设置进行调整，在保持部分基础验证性实验外，根据CDIO理念引入以一模型机整机设计为实训项目，引导学生积极思考构思，把其任务进行分解，分为运算器部分、存储器部分、指令部分、总线设计部分。涵盖了计算机组成原理主要内容，并把数字逻辑与后续微机接口技术、操作系统进行深度融合衔接[8]。

3.1.2实验的实施