基于HCDIOR计算机组成原理实验教学改革探索

来源:用户上传      作者: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 　　1） 实验内容的推送
　　随着人工智能、VR等新技术在生活中的应用，智能手机的普及，在实验教学中我们创建了济医计算机硬件微信公众号，依托我校校园内无线覆盖的便利条件，提前参通过微信公众号推送实验内容、实验要求及所需的知识储备，与此同时，由教师团队制作基于实验内容有关的知识点的实验微视频并推送，实现实时交流互动[9]。
　　2） 增设开放型实验
　　为培养创新精神，提高实战技能，在普通验证型实验外，增设开放型实验，并把计算机组成原理实验室每周星期四下午及晚上设定为开放日，实验项目由最初的教师设定，逐步过渡到由学生选择感兴趣的题目，根据CDIO理念[10]由学生设计任务书，教师审核并微调学生分组后即可实施。开放型实验的开设，既在完成传统实验教学中的“规定动作”的基础上，通过“自选动作”实现了个性化能力培养。而且开放实验设计内容又“反哺”基础实验教学，拔高了基础实验的层次，基础实验内容的“升级”又抬高了开放实验的标准，形成良性互动，实现了HCDIOR的R（循环）的环节。与此同时，开放实验实施过程中，学生发现实验设备性能的不足之处，接合具体实验，扩展接口功能，延伸了实验内容，自然而然实现了硬件课程内容的衔接。
　　3） 硬件虚拟实训平台建设
　　接合最新VR技术及教师团队申请的教育部2017年第二批产学合作协同育人项目进行了硬件虚拟实验室开发建设，虚拟实验室是一仿真计算机硬件的虚拟平台，通过虚拟线路将虚拟集成线路芯片组成相应的实验。平台既可实现单独部件原理的展示，也能为开放、创新型实验提供环境。平台中每一个可视化的二维物体都与具体实验器件对应，在充分考虑学生便利及资金的前提下，采用桌面式交互虚拟平台，通过点击鼠标选定需要的对象，进行连线操作和实验探究。平台的建设使用，为学生提供了極大的便利——足不出户即可进行实验的设计，结合前期的微信公众号实验内容的及时推送，提高了实验效率。
　　3.2.2密切校企合作，以实战推实训
　　实验项目以企业能力需求为导向，以培养目标为抓手，强化校企合作，我校计算机专业先后与美国惠普公司、青岛英谷教育、山东高速等科技有限公司开展合作，拓宽了学生眼界，学生了解企业需求，明确努力方向和实验项目的选取。在卓越工程师培养项目及被山东省认定为服务外包培训机构的基础上，2016年，依托中国科学院科学大数据日照中心，建设了健康大数据研究中心，学生接触到最新数据处理、分析方法。在积极走出去参与校企开展合作的同时，把优质企业引进校园，共建了周楷文工作室、惠普工作室，为学生实训、就业、创业提供指导。
　　3.2.3 加快双师型师资队伍建设
　　针对师资队伍中普遍存在理论强，实战弱的现象，深化校企合作，定期邀请实训基地工程师为学生开展专项指导，与此同时，选派青年教师利用寒暑假前往企业一线参加培训学习，提高教师的实践指导能力。
　　3.2.4以赛促练，能力全面提升
　　在拓展实验项目提高实践技能的同时，鼓励积极参加各种类型的大赛，促进HCDIOR教学效果转化学生能力。参加的2015——2018年以来参加了齐鲁软件设计大赛获二等奖3次、ACM三等奖2次，信息安全大赛二等2次，全国高校物联网应用创新大赛二等奖，特别是以周楷文为首的学生团队获中国互联网+大学生创新创业银奖。通过大赛的锻炼，学生能力得到提升，自信心增强，形成了良好的学习风气，实现了实验项目学生能力的良性互动，充分体现HCDIOR理念在实验教学及能力培养的有效性。
　　4 考核
　　实践环节考核改变了过去考勤+实验报告的形式，结合专业素养教育，落实H（诚信）环节，避免抄袭现象。在考核过程中引入过程考核，并以考易为平台，教师动态掌握学生能力培养过程，针对学生实验操作时因指导教师少，无法实现实时指导、督察的现状，从高年级学生中选拔部分学生组成教辅团队，及时沟通交流并给予现场指导，实验的验收采用现场作答辩+大作业+实验报告+考勤予以记分，并提高实验成绩占期末成绩的40%。有效提高实验的分量及开展实验的效率。
　　5 结束语
　　通过HCDIOR各环节在计算机组成原理实验教学环节的实施，提高了学生学习硬件的兴趣，提高了学生计算机硬件系统的设计能力，加深了对理论知识的理解，毕业设计中硬件相关的作品相继出现，创新创业大赛屡获奖项，社会认可度显著提升。虽然实验教学改革取得一定成绩，但与期望尚有差距，将进一步地深究HCDIOR各环节的实施，完善硬件课程融合，创建功能够更加实用的计算机硬件系统平台.
　　参考文献：
　　[1]柳星，袁景凌，等.计算机组成原理实验改革方法探讨[J].计算机教育，2018（5）：5-9.
　　[2] 王 超.基于仿真实验的计算机组成原理考核方式改革研究[J].计算机教育，2016（3）：146-148.
　　[3]ACM/IEEE–CS Joint Task Force on Computing Curricula. Computer sciencecurricula2013[EB/OL].（2013-12-20）[2017-09-15].http：//ai.stanford.edu/users/sahami/CS2013/.
　　[4] 李珍香， 樊玮.“卓越计划”背景下的计算机硬件实践教学体系[J].计算机教育，2013（15）：42-47.
　　[5]张伟.专业综合改革背景下“计算机组成原理”课程建设与实践[J].微型电脑应用，2017（3）：38-41.
　　[6]毕琳，王英政，李锦青，等.基于虚拟实验室的组成原理实践设计环节建设研究[J].教育现代化，2017（1）：156-157.
　　[7] 张浩，李苗.计算机组成原理虚拟实验室及实现研究[J].电子信息，2018（2）.
　　[8]迟宗正，侯刚.计算机组织与结构课程群开放式实验建设探讨[J].实验室研究与探索，2016（1）.
　　[9]李妍，董薇.微课在计算机组成原理实验教学中的应用[J].大学教育，2017（8）：93-95.
　　[10] 山丹，张永锋，孙晓凌. OBE-CDIO工程模式下的本科设计类课程改革探索——以《高级数字系统设计》课为例[J].教育现代化，2018（6）.
　　【通联编辑：王力】
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