從工程應用型人才培養看計算機組成原理課程設計

　　摘 要：針對計算機專業本科生存在的應用能力弱、工程研發能力不足、科研創新意識匱乏、重視軟件而輕視硬件的狀況，在分析學生現狀及國內外相關教改成果的基礎上，結合計算機組成原理課程設計實踐，闡述了以工程研發為背景的應用型本科人才培養的觀點。
　　關鍵詞：工程應用型；創新意識；發散思維；協同合作
　　
　　
　　在計算機科學與技術專業中，計算機組成原理一直作為核心基礎課而備受重視，有些專業(如嵌入式)也將它作為必修課；但是，課程自身的難度及其對硬件知識的高要求性使得它被公認為是枯燥和難學的課程。因此，關于它的教學改革成為談論熱點。截止2011年11月，在“中國知網”中以“計算機組成原理”為關鍵詞就會檢索到八百六十多條記錄，而發表在《計算機教育》的文章就有一百多篇，可見該課程極受大家的關注。
　　為了提高學生對計算機原理的理解程度，往往課程學習之后，要進行課程設計活動，從原理理論到具體設計加深學生對計算機組成原理的理解，達到理論和實踐相互促進的目的，提高學生的動手能力和工程應用能力，培養學生的創新意識和協同合作的能力。
　　對于計算機組成原理的課程設計，國外大學如美國斯坦福大學的計算機系要求學生能夠獨立用VHDL語言實現CPU或VGA顯示控制模塊等，并最終在FPGA中完成軟硬件調試[1]。此外，麻省理工學院計算機系統設計課程也要求學生自主完成ALU等設計。在國內，大多數院校對該課程設計以模型機設計居多，近年來采用VHDL語言進行設計成為流行趨勢，如哈爾濱工業大學在計算機組成原理的實驗中直接采用Xilinx ISE集成開發環境和
　　
　　ModelSim仿真工具的做法[2]，用設計性實驗來代替驗證性實驗。
　　在綜合多方面信息和我院學生實際情況的基礎上，對如何開設好計算機組成原理課程設計課進行調研、分析和論證，為切實提高學生的實踐應用能力，決定采用Xilinx ISE、ModelSim和VHDL語言的設計性實踐方法。在課程設計的選題方面，我們擯棄過去老師指定題目的做法，采用學生自主選題、老師把關的辦法，讓學生做自己感興趣的題目，充分發揮學生的自主性、創造性和積極性，培養學生的創新意識并向具有良好合作能力的工程應用型人才[3]方向發展。
　　1 課程設計教學改革的總目標
　　為保證計算機組成原理課程設計的教學改革能夠順利實施，現根據學科發展和學生的實際情況，我們制訂了本次教學改革的總目標，如圖1所示，以確保改革實施具有明確的目的性和方向性。
　　1.1 培養學生的協同合作能力
　　目前，眾多的企業項目的研發工作都是以團隊的形式來完成的。為使學生在畢業后的工作中能夠適應團隊合作，需要對學生進行合作能力的培養和訓練，尤其是團隊合作意識和合作素質，這一點非常重要。
　　基金項目：黑龍江省智能教育與信息工程重點實驗室；黑龍江省計算機應用技術重點學科(081203)；哈爾濱師范大學科技創新團隊建設計劃。
　　作者簡介：李世明，男，副教授，研究方向為計算機輔助教育、網絡安全、圖像處理。
　　
　　1.2 培養學生的創新意識和創新能力
　　在工程應用或工程實施過程中，技術人員會經常運用一些技巧性方法或思路去解決某些問題。因此，培養學生用發散思維和自主創新能力來解決設計過程中遇到的各種各樣問題尤為重要。
　　1.3 培養學生的信息檢索與挖掘能力
　　由于工程應用過程中所遇到的問題具有多樣性，而快速解決這些問題的方法之一就是利用目前常用的搜索引擎工具搜索他人關于該問題的解決方法或思路。在檢索信息方面，不同檢索能力的人會得到不同的檢索結果，檢索能力弱的人搜索到的信息不夠全面或深入。所以，要培養學生具有較強的信息搜索技術和能力。在檢索中，學生的創新思想和發散思維會提高檢索質量，獲得與眾不同的檢索結果；反之，這些與眾不同的檢索結果又會啟發學生產生新的靈感。
　　1.4 培養學生規范的文檔撰寫能力
　　項目研發中文檔的重要性是不言而喻的，撰寫文檔自然成為工程技術人員或研發人員的必備能力。一個好的文檔不僅能夠清晰地反映設計者的思路，更有利于項目組內人員之間的交流和合作。設計課中的設計內容盡管無法與正規項目相比，但可通過它們來訓練和提高學生的文檔撰寫能力。因此，本課程設計中學生必須上交所有的開發文檔，并且文檔要符合規范。
　　1.5 培養學生的溝通和表達能力
　　溝通是合作的基礎，項目組成員之間及時而無歧義的溝通能夠提高合作的質量，加快項目的研發進度。所以，激發學生在交流和溝通中的靈感和創意，培養大學生良好的溝通能力，改變其“死讀書”和“讀死書”的習慣，將促進學生更加努力地研究課題。
　　1.6 培養學生吃苦精神和抗壓心理素質
　　目前，大學生普遍為80后或90后，中國家庭教育中對子女的溺愛使部分學生缺乏吃苦精神，甚至個別學生的心理承受能力也很弱。通過帶有一定強度壓力的課程設計實踐，讓他們提前感受日后工作的壓力和強度(盡管這種強度無法與企業的強度相比)，鍛煉和提高他們的心理素質，為他們大學畢業后能夠適應社會奠定基礎。
　　1.7 提高學生分析與解決問題的能力
　　在工程應用型人才培養的過程中，學生的獨立思考能力和分析解決問題的能力是決定設計能否按計劃進行的重要因素。在課程設計中，為提高學生的系統分析和邏輯推理能力，要求學生對問題先提出自己的解決方法并通過論證，然后幾個人在一起研討，無法解決的問題則由技術骨干及教師在一起研討，然后將解決方案講解給大家聽。
　　2 課程設計教學改革的具體實施步驟
　　2.1 學生的分組
　　為便于管理和了解學生的課程設計過程，對學生按每組10人進行分組；每組選出組長和副組長各1名，由組織能力強、技術好的同學擔任。
　　組長和副組長分別負責小組的人員管理(人力資源管理)、設計過程中的組織(如技術研討會等)、各組成員表現的評測(計入學生的總成績)等。為避免技術“強”“弱”兩極分化性分組，也為實現以“強”帶“弱”(讓學習和能力等方面強的同學“帶”相對較弱的同學)，各組技術實力要均衡。這樣做也打破了過去學生“單兵作戰”的局面。除上述角色外，要確定組內核心骨干力量，專門攻克設計過程中的難關。
　　2.2 課程設計的選題和立意
　　為激發學生的興趣和動力，采取學生自主選題與指導教師把關相結合的辦法。當各組成員確定后，組內全體成員圍繞計算機組成原理內容，利用信息檢索工具進行網絡調研，每人提交一個題目，并附題目介紹(提出的設計題目要注重基礎性、工程性、可操作性、可行性)；然后組內研討并確定三個備選題目，再由組內骨干力量與指導教師共同把關確定課程設計題目(題目確定后，不得更改)，組織學生撰寫課題的可行性研究報告，并交給全組學生去閱讀、研究和完善，同時讓全組學生理解該課程設計題目。
　　2.3 課程設計的主要過程
　　2.3.1 相關軟件的學習
　　由于在計算機組成原理課程中采用的是驗證性實驗，學生沒有學習過Xilinx ISE、ModelSim仿真工具和VHDL語言，故學生需要利用業余時間學習它們。為提高學習效率，實際中做法是每組指定2名自學能力強的學生先學習上述軟件及語言，其他同學則集中精力去做設計中的其他工作；然后，利用業余時間，這2名學生對各組內沒有學習該軟件的同學進行快速培訓，也讓他們對該軟件有所了解，培訓程序能夠達到滿足本課程設計即可。
　　2.3.2 設計任務的分解
　　
　　由于設計任務對于學生而言較重，需要將任務按功能進行分解并分配給相應成員。這些活動任務由兩位組長與技術骨干共同完成。在分配任務時，重點考慮了學生的動手能力、知識水平和自學能力對設計任務的影響。
　　在分解任務前，組長、副組長和技術骨干負責集中設計任務的總體規劃，組內技術骨干圍繞核心問題進行深入剖析和研究，確定課題中的關鍵技術問題和難關，制訂進度報告，撰寫技術路線；一周后，組長組織召開組內會議，組內技術代表介紹課題的總體規劃、任務分解情況；然后組長分配任務給成員，并對每個任務采取任務驅動法，規定完成時間及要求。
　　2.3.3 定期舉行經驗交流會
　　項目組定期在組內進行交流活動，學生間相互介紹自己的研究內容和心得，以利于大家共同提高和改進。對于在解決問題過程中產生的諸多問題，小組內可隨時交流、尋找幫助(可到組外尋求幫助)，定期對設計內容進行檢查和總結。
　　2.3.4 撰寫工作日志
　　課程設計中要求每個學生都要撰寫工作日志，用來記錄自己在設計過程中產生的新穎的想法、遇到的新問題及其解決方案、尚未解決的問題、任務完成的情況和個人的經驗體會等，以利于組內人員之間的查詢和研發交流等；組長及核心技術骨干根據日志也能夠及時了解項目進展情況和相關技術問題的解決情況。
　　2.3.5 文檔規范與整理
　　在設計過程中，學生基本能夠做到規范撰寫文檔，并對文件能夠按樹型結構科學合理地分類。每個組都能夠用工程應用的思路撰寫課程設計的各種文檔，如需求分析、可行性分析、設計難點分析、系統框架、功能描述、實現方法、進度預估報告等，基本做到了思路清晰、任務明確和結構合理。
　　2.3.6 課題設計的質量保證
　　為保證課程設計的順利進行，確保設計內容達到預期目標，由老師和組長共同檢查項目進展情況，如研發進度、任務完成情況、是否偏題、完成質量、文檔是否完備等。除此之外，也注意到各組都存在一些沒有解決的問題(包括產生的新問題)；此時，暫時放棄非必要的問題(在學術方面有意義問題可留待日后研究)，轉而圍繞課題設計進行，從而保證在有限時間內完成設計任務。
　　2.3.7 成果匯總
　　在課程設計基本完成后，由技術骨干核查文檔的完備性等。當對整個課題核查后，相關人員按技術骨干提出的核查結果和修改意見進行修改和完善。在最后一次實踐課中，每組各派1名代表在全體同學面前展示自己的設計成果，同學可以質疑并提出一些問
　　
　　題并相互研討各項目的特點等。
　　2.4 評分標準
　　由于此次課程設計改革成份很多，時間較短，按教學大綱安排于本學期前5周(共計20學時)；所以，本著鼓勵學生、激發學生創新熱情為出發點，制訂如表1所示的評分指標。
　　由上表中可以看出，組長對組員打分所占的比例是很高的，因為組長最了解學生的狀態，尤其是學生在業余時間所做的工作是教師不能直接觀察到的，同時便于組長調動組員工作。
　　3 實踐改革效果分析
　　在本教學改革方案實施后，很受學生的歡迎，基本上收到了改革預期的效果，主要體現在以下幾個方面。
　　3.1 學生學習由“被動”變為“主動”
　　由于學生能夠親身體驗團隊合作帶來的益處，不僅能夠主動去學習、查閱資料，而且鍛煉和提高其他方面的基本技能，從根本上調動學生的積極性。另外，在設計過程中，學生也看到自己在基本專業技術方面的欠缺并著手彌補，例如，當教師當眾演示文檔編寫技巧后，部分學生能夠主動去學習這方面的技術以彌補自己的不足。
　　3.2 提高了合作能力
　　由于課程設計任務量大，學時少，學生僅憑個人力量無法完成，所以必須通過合作。因此，設計任務會使學生向合作方向發展。此外，當學生遇到問題時，相互之間的研討也提高了他們的溝通、交流和合作能力。
　　3.3 減少了抄襲現象
　　由于各組題目不同，并且每個學生的工作日志中記錄了學生在設計過程中的重要細節，是學生和教師共同走過的痕跡，使學生無法去抄襲他人成果。
　　3.4 提高了對學生評價的客觀性
　　采用不同于傳統試卷定成績的做法，能夠從多種角度反映學生的綜合素質，能夠讓學生擺脫過去的“背誦”學習方式，轉而采用研討學習，有利于提高學生的創新能力。
　　3.5 小結
　　總之，采用這種教學改革模式，將學生從“做題型”轉向為“應用型”；而教師也由施教者變成學生的輔導者、合作者和顧問，引領學生突破思維定勢，培養學生的創新意識。
　　4 存在的問題及進一步改進措施
　　由于本方案實施時間短、次數少，還存在一些不足：評斷標準需要進一步科學化，更能反映學生的綜合評測；學生選題用時控制需要加強，需要提高信息
　　
　　檢索能力和相關領域知識；存在個別學生不會合作，交流和溝通能力較弱；個別學習成績優等的學生在合作方面表現得不如有些成績中等的學生；因時間關系導致在學術方面有意義的問題只能留待日后研究解決，等等。
　　對上述問題的解決方法是增加該教改模式的運用次數，向其他課程推廣，讓多門課程設計共同來提高學生的應用型綜合能力。
　　5 結語
　　通過對“計算機組成原理課程設計”教學實踐改革的探索，總結了改革過程中的成功與不足之處，明確了改革的方向，確定了一些改革措施，為提高下一次課程設計質量奠定經驗和基礎，也為在本科層次中培養出專業知識基礎扎實、創新意識強、善于自主學習和實踐動手能力強的計算機應用型人才進行探索性實驗。隨著改革經驗的不斷積累，本課程設計中的教改活動會做得越來越好。當然，上述工作中也有很多亟待改進和提高的地方，只要將改革堅持下去，一定會在工程應用型人才方面取得更好的培養效果。
　　
　　參考文獻：
　　[1] 張亮. 應用EDA技術改革“計算機組成原理”課程設計[J]. 計算