基于CDIO理念和課程思政的應用型本科院校計算機組成原理教學實踐研究

關鍵詞：課程思政；CDIO；教學實踐；計算機組成原理

1 背景

計算機組成原理作為應用型本科院校計算機類專業的必修課程，在教學過程中側重計算機硬件原理的講授，對學生構建馮·諾依曼計算機知識體系結構，理解計算機從硬件原理到軟件運行的關鍵環節至關重要[1]。由于當下計算機元器件高度集成化以及芯片功能復雜化，硬件原理相關教學內容在教師講授和學生學習過程中存在直觀性較差、抽象程度較高等問題。教師通常從電路原理圖入手，采用傳統的講授法授課，而學生在理解基本元器件功能到集成芯片功能方面還存在較大鴻溝。長期以來，計算機組成原理課程面臨著教師難教、學生難學的“兩難”問題[2]。此外，應用型本科院校的學情還有其特殊性：學生對電阻、電容、電感、二極管、三極管等基本硬件原理掌握不夠扎實，在學習或、與、非、異或等邏輯電路時往往需要重新復習基本硬件知識，進而導致學生在學習芯片原理時較為吃力；學生在課程學習過程中深入探索的意愿不足，自主學習能力一般[3]。如果在有限的教學學時中貪大求全，追求面面俱到，只注重嚴謹的理論講授而忽視感性的實驗驗證，勢必會造成學生在學習過程中出現畏難情緒，進而導致課程學習效果不佳，學生動手實踐能力得不到充分鍛煉，應用型教學目標難以達成。本論文作者通過總結多年來計算機組成原理課程的教學經驗，結合應用型本科院校的教學目標要求以及學生學情，針對教學過程中存在的“兩難”情況，有目的地精簡理論教學內容，在理論教學過程中增加硬件原理的驗證實驗，不斷提升學生對硬件原理的感性認知和課堂參與度；結合CDIO（Conceive、De?sign、Implement、Operate） 工程教育理念[4]，合理安排綜合設計性實驗，注重對學生應用能力的培養；為有效將思想政治教育工作貫穿教育教學全過程，結合計算機硬件領域的最新發展成果，深入挖掘課程思政元素，建立了課程思政案例庫，明確了各個案例在教學過程中的切入點和切入方式，幫助學生牢固樹立愛國主義思想以及正確的世界觀、人生觀、價值觀。

2 具體舉措

下面將從課程內容的優化、CDIO理念的實施以及課程思政的融入三個方面介紹計算機組成原理教學實踐的改革。

2.1 課程內容的優化

相較于研究型本科院校，應用型本科院校計算機類專業人才培養方案更注重學生對計算機基本原理的理解和基本技能的應用，不盲目追求前沿與精深[5]。因此，有必要對鄂爾多斯應用技術學院計算機組成原理課程中現有的理論內容進行優化。優化的原則有：

1） 對于不能反映當前計算機發展水平的過時內容進行精簡，例如CRT 顯示器、機械式鼠標原理、Sparc指令系統等內容；增加對計算機前沿知識的介紹，例如超級計算機、量子計算機、DDR-5、國產CPU 和指令系統以及ARM等內容。

2） 對于理論、原理較為復雜，不符合應用型人才培養要求的內容進行精簡或弱化，例如乘法器、除法器的硬件原理，超標量、超流水處理機原理，浮點運算器原理等，虛擬內存的硬件實現，時序原理等。

3） 增加驗證實驗，強化學生對基本元器件、基本芯片原理的認知；例如增加74LS181 ALU 芯片、74LS299移位運算芯片、74LS245寄存器芯片、6264內存芯片以及74LS139片選控制等芯片的基本原理驗證實驗；合理安排綜合性、設計性實驗，增強學生對計算機指令系統的分析設計和實現能力，加深學生對計算機各硬件部件協調工作過程的理解。

以上優化措施使得本課程的理論和實踐內容更加與時俱進，突出了對基本理論和重要原理的講授，強調了學生對常用集成芯片功能的理解和應用，符合應用型本科院校對基本理論和實踐技能的要求。

2.2 CDIO 理念的實施

圍繞應用型人才培養目標，為在計算機組成原理課程中貫徹執行CDIO工程教育理念，不斷提升學生對計算機基本原理的理解和基本技能的應用，課程組于2021年引入MH800-CP226型計算機組成原理實驗箱（如圖1所示）用于鄂爾多斯應用技術學院計算機組成原理課程實驗教學環節，有效支撐了CDIO理念在教學過程中的實踐。基于該實驗平臺開設的實驗如表1所示。

基于MH800-CP226型計算機組成原理實驗箱，共計安排設計了16學時的實驗，其中包括8學時的驗證型實驗和8學時的設計性實驗，這些實驗基本滿足了本課程主要原理的驗證和基本技能的實踐需求。為了培養學生的團隊協作精神（同時受現有實驗設備數量不足的限制），實驗以小組為單位進行，每組選舉產生組長，由組長負責組織本組實驗的開展。學生需要記錄實驗結果，并填寫實驗報告冊，實驗環節考核依據為實驗過程和實驗報告的完成情況，采用百分制計分，并按照課程大綱要求進行折算后計入該課程總分。

CDIO理念主要體現在設計性實驗中。例如，在基本模型機的設計與實現過程中，以小組為單位進行，小組選舉組長，組長帶領組員從微程序分析入手，安排組員合作完成程序設計、代碼輸入以及運行實現。組長根據各組員對實驗的貢獻進行評分，作為組內學生個人實驗成績的依據之一；而組長的成績則由授課教師根據實驗報告情況給出，這體現了以學生為主、教師引導的工程教育理念。

2.3 課程思政的融入

深入挖掘專業課程教學方式中蘊含的思想政治教育資源，是實現全員全程全方位育人的重要舉措[4]。在我國新時代經濟社會快速發展的背景下，計算機組成原理課程作為一門原理性、技術性較強的工科課程，其內在蘊含著豐富的思想政治教育資源[6]。為深入落實“立德樹人”的根本任務，課題組結合計算機領域前沿知識，深入挖掘本課程中的思政資源，建立了課程思政案例庫。結合課程教學內容，合理設計了每一次課的思政切入點和切入方式，力求使課程思政對學生思想產生潛移默化的影響效果。

基于CDIO理念和課程思政的應用型本科院校計算機組成原理教學實踐如圖2所示。在該教學實踐中，理論教學通過結合案例的講授式教學開展，個人實踐能力訓練和團隊項目能力訓練則通過驗證性和設計性實驗展開，重點突出學生在課程學習過程中的主體地位。學生在理解計算機基本原理、掌握基本計算機應用技能的同時，授課教師也要充分發揮引導、啟發、監控教學的功能。在所有的教學環節中，我們深入結合授課內容，適時開展課程思政教育，充分發揮專業課教師思政育人的職能。例如，在講授總線通信時，我們指出電磁波可以代表二進制數據，進而介紹了為什么涉密計算機不允許插優盤、涉密計算機的電源插頭不能插在普通插座上的原因，從而加深了學生對計算機保密工作的認識。

3 成效及存在問題

自2021年以來，課程組連續三年在計算機組成原理教學實踐中采用新的教學實踐模式，并取得了較好的效果。為進行對比，選擇了2020年未采用新教學實踐模式的數據作為參照，如圖3所示。

可以看出，由于加入了實驗環節的考核，成績構成更全面地體現了對學生理論和實踐環節的考核。實驗環節反過來也深化了學生對理論的理解，學生整體及格率也隨之逐年遞增。在2020年的教學實踐過程中，采用軟件模擬硬件開展實驗教學，但這種方式對學生動手能力的鍛煉不足，學生直觀體會不深。而2021年至2023年新型教學實踐的實施，特別是設計性實驗的實施，使得學生動手實踐能力得到了較為充分的鍛煉，學生課程參與程度隨之提升，學生對課程的滿意程度、教學督導對課程的評價也逐年提升。

在教學實踐中，也發現了一些問題：受限于實驗設備的短缺，部分組別的實驗不能保證當堂內完成，需要利用課后時間繼續實驗，這導致學生實驗體驗較差，且過程性評分存在波動。此外，還缺少對SRAM、DRAM存儲原理等內容的演示實驗設備，結合理論課程開展的演示實驗較少。同時，符合CDIO理念的教學學時偏少，貫徹落實存在不足。

4 結束語

本文基于鄂爾多斯應用技術學院計算機組成原理課程組多年的教學實踐，基于CDIO理念和課程思政，針對應用型本科院校學生特點，優化了教學內容，建立了課程思政案例庫，改革了教學實踐模式，突出了應用型人才培養的基本要求。經過三年的實踐，在及格率、學生評價、督導評價等方面取得了一定的成效。受教改項目的推動，課題組已申請建設計算機組成原理實驗室，預計將于2024年建設完成并投入使用。該實驗室除了能夠滿足計算機組成原理課程實踐環節的需要外，還配備了基本的嵌入式開發環境。屆時，它將從根本上解決我校計算機組成原理課程開設過程中面臨的主要問題。