基于CDIO模式的計算機硬件課程群實驗教學

李珍香

摘要：針對目前計算機硬件實驗教學中存在的問題，以培養具有工程實踐和創新能力的實用人才為目標，提出基于CDIO教學模式的“2+4+5+4”實驗教學思路，即通過“項目”教學、“一體化綜合實驗平臺”和“實驗考核與評價”方面實踐CDIO中的“做中學”與“一體化”標準。

關鍵詞：CDIO；計算機硬件；實驗教學；一體化

1.背景

計算機硬件類課程是計算機專業的重要組成部分，實踐性強是其主要特點之一。提升硬件類課程實驗教學質量對于提高學生的實際操作能力、樹立工程意識、培養創新能力、增強就業競爭力起著很重要的作用。但從目前高校培養的硬件類人才看還相對匱乏，主要原因如下：

（1）對實驗教學仍沒有引起足夠的重視。很多高校仍存有“重理論、輕實踐”觀念，表現在教學計劃的制定上（理論時數基本上是實驗時數的2倍多）及給教師的工作量算法上（理論課時數為1×1.x，實驗課時數為1或1×0.x）。

（2）實驗教學內容缺乏系統性和科學性，不具備現代化的實驗教學環境。硬件類課程內容之間具有很強的交叉性和相關性，通過學習，學生應當能建立起整個計算機系統設計的概念，并具有系統設計的技術。但因目前大多實驗箱的硬件線路相對固定、擴展性受限等原因，形成了各門課程的實驗內容相對孤立，課程之間無法建立起內在聯系。另外，實驗類型和手段也較單一，驗證性實驗為主，基本沒有涉及應用系統的整體設計，無法對多門硬件課程的知識進行融合，從而達到貫通和一脈相承。在設備上，部分學校因資金短缺而存在實驗設備落后或數量不足的現象，甚至還有學校對于應該開設有實驗的課程因為沒有設備而開不起來的情況。

（3）實驗考核機制不健全。實驗教學的考核上措施不得力，忽視了對應用能力和實踐能力的考查；考核方法也單調，主要側重于對實驗結果的考核，缺乏對實驗過程的綜合考核。

加大計算機硬件人才培養力度、強化計算機硬件實驗教學和工程訓練是當務之急。我國部分高校已經認識到了這種重要性和緊迫性，并已在研發和改革。中國民航大學于2009年實施CDIO試點工程改革；所屬計算機專業的計算機綜合實驗中心于2013年獲批為天津市實驗教學示范中心加以建設，其中的“硬件子實驗室”是重點建設內容。CDIO教學模式注重實踐教學，能讓學生以主動的、實踐的、課程之間具有有機聯系的方式學習和獲得應有的知識、能力和態度。按照這種模式，不僅能培養學生掌握基礎工程技術知識和動手操作的能力，而且在新產品的開發過程中還能引導學生創新，并理解研究和技術發展對社會的重要影響，與社會所需的計算機硬件人才培養高度吻合。

2.CDIO實驗教學實施

2.1“2+4+5+4”的實驗教學思路

計算機硬件課程組以實驗教學改革為突破口，提出了“2+4+5+4”的實驗教學思路。其中的“2”為“計算機綜合實驗室”與“計算機硬件實驗管理系統”兩個平臺；第一個“4”為“四性原則”，即基礎性、層次性、自主性和開放性；“5”為“五個突出”，即突出早（安排）、突出課內外一體、突出開放、突出綜合和突出創新；第二個“4”為“四種能力”，即綜合認知能力、實踐動手能力、工程設計能力和思維創新能力，實驗教學思路流程如圖1所示。

按照這樣的實驗教學思路，可有效整合理論與實踐，聯系學習與應用，融合科技培養與認識發展，貫通課內教學與課外活動，覆蓋校內外時空資源。

2.2“做中學”實踐

計算機硬件課程群中的各門課相對來說都較抽象，理論學習較枯燥，對學生的實際操作能力要求很高，傳統的“教師講、學生聽”是行不通的。為了變學生被動學習為主動學習，變無目標學習為有目標學習，變枯燥乏味的學習為充滿興趣的學習，我們踐行了CDIO中的“做中學”教學模式。

2.2.1硬件實驗4年不斷線

從新生入學到畢業離校，以“工程應用能力培養4年不間斷”為原則，對實踐教學環節進行總體設計，把4年的實踐教學作為一個整體來考慮，建立實踐教學四年一體化獨立運行機制，把“知、會、是”三者有機結合，整合教學內容，使實驗、實踐、設計、制作、調試相互結合。制定、編寫出一套行之有效的教學系列文件，并開發成“計算機硬件實驗管理系統”電子平臺，主要內容見表1。

通過“計算機硬件實驗管理系統”平臺，新生在第一學期就可以了解到4年中的所有實踐安排。具體包括每個學期要開設的每門實驗課（課內必修和選修實驗有詳細的實驗內容、實驗預習資料、實驗學時和學分、必做還是選做、通過登錄相應界面查看往屆的相關信息等，實驗大綱、實驗指導書、考核評分標準與方法、實驗教學各項管理規章制度以及安全操作規程和安全管理制度等）；每門課程的不同層次實驗，實驗軟件與仿真實驗工具，演示實驗示例，實驗PPT教學課件，新技術與新開發工具，所有自主性實驗、開放性實驗和各種大賽；有關的各種資料和鏈接；往屆學生的優秀作品與獲得的各種獎勵，計算機綜合實驗室管理和開放制度等。可方便地進行實驗預習資料下載與瀏覽，這便于不同層次、不同年級的學生根據社會需求、計算機發展和專業自身的實際情況進行具體的實施和操作。

2.2.2以“項目”為中心組織實驗教學

對于自主性、開放性實驗，教師的科研項目或各種大賽等實踐項目，要涉及多門課程或很多課外知識，這些課程有可能還沒有開設或者學生還沒有接觸過這些理論知識而要以“項目”形式進行實際研發。這時，教師只是以“項目”形式列出題目來，學生需通過查閱資料設計實驗方案和擬出操作步驟并獨立完成。學生也可自擬實驗題目，并擬出實驗方案和準備器件最后完成。這種基于項目的“主動學習”就是“做中學”。通過這種形式，學生自己規劃學習、主動查找資料，發現問題、分析問題、主動提出解決方案，直至解決問題。這可以有效轉換學生的學習態度，從被動操作轉為主動實踐，能降低學生學習的盲目性。

另外，由于項目較大，學生需分組形成團隊一起完成，并需有一名組長。在項目的實施、完成過程中，組長負責跟進項目的進度并帶領整個團隊共同解決項目中所遇到的各種問題，這可以不斷提升組長的領導能力；組員通過相互溝通和有效協作，可以不斷提升各自的溝通能力、團隊合作能力。這種以項目為中心的實踐教學對于培養學生的工程能力和辯證思維能力都具有重要的作用。

2.3“課內外一體化”實踐

為了彌補課堂教學的不足，充分發揮學生的個性特長、培養興趣愛好、增強綜合素質和能力，我們重視并充分利用了課外（第二課堂）。課外是人才培養的重要組成部分，是學生實踐專業理論知識和培養創新能力、實踐能力的重要途徑，是提高學生就業競爭力的有效手段。因此，利用課外開展了一系列融知識性、學術性、娛樂性于一體的各種活動，譬如與硬件有關的各種知識講座、興趣小組、科技制作、創新創業、競賽等。

2.3.1一體化原則

課外活動的整體設計立足于“三寓”：寓專業人才培養方案、CDIO模式下的目標、教學管理、科研活動于一體；寓學生個性化培養和養成教育于一體；寓社會、學生個性需求于一體，實現課外活動與專業教育、教師和學生、課內和課外的有機統一。

2.3.2一體化綜合實驗平臺

計算機硬件課程體系自身是完整的，各門課程之間聯系非常緊密，但實際教學效果并不是這樣的。學生在全部修完課程之后并沒有真正建立起這些課程之間的聯系。譬如我們所熟知的CPU，在數字邏輯課程中，寄存器、加法器、譯碼器等邏輯電路內容是構成CPU的基本部件，這些內容是課程的重點，在教學中也安排有較多學時的驗證性實驗；在計算機組成原理課程中，CPU的工作原理和設計思想是重點內容之一，其中還給出了CPU內部各組成部件的電路結構框圖，以CPU為核心的基本模型機實驗是課程中最重要的實驗；在微機原理與接口技術課程中，所有的內容主要圍繞對CPU的編程展開，因此可以看出硬件類課程之間的這種內在聯系。但在各門課程中因講解的側重點不同，而且是在不同學期授課，這樣就造成了很多學生無法建立起它們之間的內在聯系，以至于所學知識出現零碎化。

應用EDA先進技術，結合社會需求，通過Xilinx公司的Spartan-3系列FPGA技術，配合多種外圍接口部件研制開發一體化綜合實驗平臺可有效解決以上問題。以VHDL或Verilog為實驗設計語言，在其上主要完成數字邏輯、計算機組成原理、計算機體系結構等多門核心課程的實驗，同時支持FPGA設計、SoPC、嵌人式系統、接口與通信等課程的實驗，學生也可通過此平臺自主設計和實現各種硬件方面的綜合設計。這使得原本分散在不同類型實驗平臺上的課程實驗得到統一，既實現了“軟硬結合”，也完全打通了硬件課程之間的壁壘和“相互脫節”的局面。

2.3.3一體化考核與評價

對于開放性實驗，如何很好地檢驗學生的實驗情況以保證實驗的實施效果，是實驗教學改革的關鍵問題。為此，我們采取了多段、多方位的實驗教學考核方式，其中多段指總的實驗考核成績來自于整門課程進行中的各個階段成績，多方位指每個階段的成績來自實驗過程中的多個方面。課程總成績考核評價方式見表2。

表2中的期末實驗考試是較關鍵的一環，其中要考查的內容包括：①學生對理論內容的理解與應用能力；②儀器設備的熟練使用能力；③實驗操作的動手能力；④綜合設計與創新能力。

對于參加學校的創新創業、學生科協、教師科研、天津市或全國的有關競賽等的學生，在政策上給予實驗免試的激勵。因為學生實驗技能與創新思維的培養，不僅僅通過課堂的實驗教學來完成，同時還要通過實際操練來鞏固和提高。這些形式的活動正是學生練手的最好機會。

這種考核方式既體現了綜合能力，又加強了過程考核；既能充分發揮學生的主觀能動性，更能充分調動學生的學習積極性，加強學生的創新能力培養，是培養學生的知識應用能力、信息獲取和選擇能力、動手實踐能力和創新能力的很好手段。

3.結語

CDIO中“做中學”“課內外一體化”的實踐，將課內實驗延展至課外自主研學，將所學理論知識與課外科技創新訓練等融為一體，形成了以學生自主探索、開發設計、創新實踐為主，教師引導，深層次交流互動的實驗教學模式，有效促進了學生實踐能力、工程意識和創新素質的全面提升。我們在2013年參加的全國“博創杯”競賽中獲2項二等獎，“2013年天津市大學生物聯網創新與工程應用設計競賽”中獲1項二等獎，1項三等獎。

（編輯：郭田珍）