基于HCDIOR計算機組成原理實驗教學改革探索

劉二林 王玉鋒

摘要：在分析了醫(yī)學院校開設(shè)計算機組成原理實驗教學中存在的一系列問題基礎(chǔ)上，在CDIO工程理念的引導(dǎo)下，結(jié)合醫(yī)學院校學生特點，提出HCDIOR教育培養(yǎng)模式，并接合具體案例剖析了HCDIOR的實施步驟，實現(xiàn)了基于HCDIOR的硬件課程內(nèi)容的融合、貫通。

關(guān)鍵詞：HCDIOR;能力培養(yǎng);虛擬實驗;過程考核;開放實驗

中圖分類號：G434? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）26-0144-03

開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

1 引言

計算機組成原理是計算機科學與技術(shù)專業(yè)核心硬件課程，主要介紹計算機的基本組成和各功能部件的工作原理，旨在培養(yǎng)學生的系統(tǒng)能力和硬件系統(tǒng)的設(shè)計能力，其作為數(shù)字邏輯的后續(xù)課程，操作系統(tǒng)、微機接口技術(shù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等課程

的基礎(chǔ)，在計算機專業(yè)硬件系列課程中承上啟下，“地位”顯著[1]。但課程中抽象概念多，涉及知識面廣，原理枯燥，難度大，對醫(yī)學院校計算機專業(yè)學生而言，學習具有一定的挑戰(zhàn)性，普遍存在“欺軟怕硬”現(xiàn)象，在后繼課程設(shè)計以及畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)，少有計算機硬件相關(guān)作品。在教學過程中，雖然教師重視、學生“用力”，但教學效果及學生能力提升未達預(yù)期效果?；诖耍趯嶒灲虒W環(huán)節(jié)的實施中，結(jié)合工徎CDIO理念，提出HCDIOR實施方案，即在實施過程中基于C（conceive）代表構(gòu)思， D（design）代表設(shè)計，I （implement）代表實施，O（operate）代表運作，引入H（honesty）誠信 R（recyle）循環(huán)，通過硬件綜合實驗平臺設(shè)計、實驗內(nèi)容選擇、開放實驗、實驗過程考核等環(huán)節(jié)的實施，提高學生綜合素養(yǎng)[2][3]。

2 現(xiàn)行的實驗教學平臺存在的弊端

目前大部分高校計算機組成原理實驗教學多采用清華科教TEC，啟東、唐都TD-CMA系列實驗箱，此類實驗平臺均采用cpu結(jié)構(gòu)固定，各部分功能部件固化，雖能完成計算機組成原理各器件功能、原理展示，但此類平臺存在明顯的“先天不足”，在學生系統(tǒng)綜合能力培養(yǎng)方面存在突出“短板”，具體表現(xiàn)在以下幾方面[5][6]：

1） 實驗效果差：基于此實驗平臺開設(shè)的實驗項目大部分為驗證型項目，實驗過程中學生按照實驗教材所列步驟完成連線及相關(guān)開關(guān)的撥動實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入，然后通過觀察指示燈的狀態(tài)判斷結(jié)果的正確與否，此類實驗限制了學生創(chuàng)造思維，學生對數(shù)據(jù)的流動及各部件的銜接不明所以，實驗效果差，無法達到預(yù)期效果。

2） 設(shè)計、創(chuàng)新型實驗難以開展：實驗箱制作時固化了計算機組成的各功能器件，不能靈活變更指令格式、尋址方式等功能，無法實現(xiàn)一完整模型機，無法形成整機系統(tǒng)觀。

3） 實驗項目缺乏連貫性：平臺提供的實驗項目僅局限于計算機組成原理所涉內(nèi)容，內(nèi)容的延伸及擴展沒有實現(xiàn)與數(shù)字電子技術(shù)、微機接口技術(shù)，操作系統(tǒng)等課程相互融合、“無縫”連接，無法實現(xiàn)知識的整合，實驗技能僅停留在完成本課程實驗的開設(shè)，了解計算機組成各器件功能、原理。

4） 實驗操作糾錯困難：隨著實驗箱各插孔的頻繁插拔，觸頭、插孔敏感性降低，接觸不良頻發(fā)，雖操作無誤，但未必得出正確結(jié)果，加之實驗項目操作過程中，連線眾多，糾錯困難。

5） 實驗實施限制多：現(xiàn)行的計算機組成原理實驗須在規(guī)定時間指定的實驗室完成，學生急于完成實驗所需的“規(guī)定動作”，對實驗中出現(xiàn)的錯誤未及深究，匆匆結(jié)束，實驗獲得感差強人意，加之實驗室設(shè)備管理規(guī)定，學生在實驗室之外開展深入開展研究困難重重。

6） 考核單一：現(xiàn)行的實驗項目的考核多采用課前布置實驗內(nèi)容，學生操作、驗證、提交實驗報告，教師根據(jù)實驗報告及出勤情況給予分數(shù)，造成實驗實施過程中敷衍、應(yīng)付，興趣不高，不求甚解，抄襲實驗報告等現(xiàn)象，未能客觀、公正評價學生的勞動成果，失去實驗開展的意義。

3 實驗教學改革思路

以ACM和IEEE協(xié)會制定的計算機專業(yè)學生系統(tǒng)能力培養(yǎng)為依據(jù)，結(jié)合濟寧醫(yī)學院醫(yī)學信息工程學院計算機志業(yè)培養(yǎng)方案及學生具體情況，確定了以綜合能力培養(yǎng)、創(chuàng)新精神為目標，在CDIO工程教育理念基礎(chǔ)上，提出把HCDIOR理念引入實踐教學，通過專業(yè)素養(yǎng)教育、任務(wù)分解、虛擬仿真、開放實驗、硬件實訓(xùn)平臺研發(fā)及在實驗考核中引入過程考核等舉措，實現(xiàn)了計算機硬件課程內(nèi)容的高度融合、貫通，實現(xiàn)基于誠信機制的多維度能力培養(yǎng)[7]。

3.1 HCDIOR理念在實踐中的實施

CDIO教育模式是一種先進的工程教育理念體系，其中C（conceive）代表構(gòu)思，? D（design）代表設(shè)計，I （implement）代表實施，O（operate）代表運作。其理念自2016年在汕頭成立“全國CDIO工程教育聯(lián)盟”以來，以其理念先進、可操作性強，得到眾多高校的響應(yīng)，針對學生的構(gòu)思、設(shè)計、實施、運作能力培養(yǎng)，設(shè)立實驗內(nèi)容，通過具體實驗項目標的實施，強化了理論知識學習，培養(yǎng)實踐能力，調(diào)動了學生的積極性，提升了團隊合作能力。在CDIO的基礎(chǔ)上創(chuàng)造性引了H（（honesty））誠信，R（recyle） 循環(huán)，在學生專業(yè)素養(yǎng)培養(yǎng)基礎(chǔ)上實現(xiàn)了良性互動系統(tǒng)。實驗教學中具體方案如下：

3.1.1 實驗內(nèi)容的設(shè)計

針對以往的實驗內(nèi)容多側(cè)重計算機各部件的工作原理的驗證，學生很難建立起整機概念，對實驗內(nèi)容項目的設(shè)置進行調(diào)整，在保持部分基礎(chǔ)驗證性實驗外，根據(jù)CDIO理念引入以一模型機整機設(shè)計為實訓(xùn)項目，引導(dǎo)學生積極思考構(gòu)思，把其任務(wù)進行分解，分為運算器部分、存儲器部分、指令部分、總線設(shè)計部分。涵蓋了計算機組成原理主要內(nèi)容，并把數(shù)字邏輯與后續(xù)微機接口技術(shù)、操作系統(tǒng)進行深度融合銜接[8]。

3.1.2實驗的實施