摘 要：針對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生存在的應(yīng)用能力弱、工程研發(fā)能力不足、科研創(chuàng)新意識(shí)匱乏、重視軟件而輕視硬件的狀況，在分析學(xué)生現(xiàn)狀及國(guó)內(nèi)外相關(guān)教改成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)實(shí)踐，闡述了以工程研發(fā)為背景的應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的觀點(diǎn)。
　　關(guān)鍵詞：工程應(yīng)用型；創(chuàng)新意識(shí)；發(fā)散思維；協(xié)同合作
　　
　　
　　在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)中，計(jì)算機(jī)組成原理一直作為核心基礎(chǔ)課而備受重視，有些專業(yè)(如嵌入式)也將它作為必修課；但是，課程自身的難度及其對(duì)硬件知識(shí)的高要求性使得它被公認(rèn)為是枯燥和難學(xué)的課程。因此，關(guān)于它的教學(xué)改革成為談?wù)摕狳c(diǎn)。截止2011年11月，在“中國(guó)知網(wǎng)”中以“計(jì)算機(jī)組成原理”為關(guān)鍵詞就會(huì)檢索到八百六十多條記錄，而發(fā)表在《計(jì)算機(jī)教育》的文章就有一百多篇，可見該課程極受大家的關(guān)注。
　　為了提高學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)原理的理解程度，往往課程學(xué)習(xí)之后，要進(jìn)行課程設(shè)計(jì)活動(dòng)，從原理理論到具體設(shè)計(jì)加深學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理的理解，達(dá)到理論和實(shí)踐相互促進(jìn)的目的，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和工程應(yīng)用能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和協(xié)同合作的能力。
　　對(duì)于計(jì)算機(jī)組成原理的課程設(shè)計(jì)，國(guó)外大學(xué)如美國(guó)斯坦福大學(xué)的計(jì)算機(jī)系要求學(xué)生能夠獨(dú)立用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)CPU或VGA顯示控制模塊等，并最終在FPGA中完成軟硬件調(diào)試[1]。此外，麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程也要求學(xué)生自主完成ALU等設(shè)計(jì)。在國(guó)內(nèi)，大多數(shù)院校對(duì)該課程設(shè)計(jì)以模型機(jī)設(shè)計(jì)居多，近年來(lái)采用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)成為流行趨勢(shì)，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)在計(jì)算機(jī)組成原理的實(shí)驗(yàn)中直接采用Xilinx ISE集成開發(fā)環(huán)境和
　　
　　ModelSim仿真工具的做法[2]，用設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)來(lái)代替驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。
　　在綜合多方面信息和我院學(xué)生實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，對(duì)如何開設(shè)好計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)課進(jìn)行調(diào)研、分析和論證，為切實(shí)提高學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力，決定采用Xilinx ISE、ModelSim和VHDL語(yǔ)言的設(shè)計(jì)性實(shí)踐方法。在課程設(shè)計(jì)的選題方面，我們擯棄過(guò)去老師指定題目的做法，采用學(xué)生自主選題、老師把關(guān)的辦法，讓學(xué)生做自己感興趣的題目，充分發(fā)揮學(xué)生的自主性、創(chuàng)造性和積極性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)并向具有良好合作能力的工程應(yīng)用型人才[3]方向發(fā)展。
　　1 課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革的總目標(biāo)
　　為保證計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)的教學(xué)改革能夠順利實(shí)施，現(xiàn)根據(jù)學(xué)科發(fā)展和學(xué)生的實(shí)際情況，我們制訂了本次教學(xué)改革的總目標(biāo)，如圖1所示，以確保改革實(shí)施具有明確的目的性和方向性。
　　1.1 培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)同合作能力
　　目前，眾多的企業(yè)項(xiàng)目的研發(fā)工作都是以團(tuán)隊(duì)的形式來(lái)完成的。為使學(xué)生在畢業(yè)后的工作中能夠適應(yīng)團(tuán)隊(duì)合作，需要對(duì)學(xué)生進(jìn)行合作能力的培養(yǎng)和訓(xùn)練，尤其是團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)和合作素質(zhì)，這一點(diǎn)非常重要。
　　基金項(xiàng)目：黑龍江省智能教育與信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；黑龍江省計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)學(xué)科(081203)；哈爾濱師范大學(xué)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)計(jì)劃。
　　作者簡(jiǎn)介：李世明，男，副教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助教育、網(wǎng)絡(luò)安全、圖像處理。
　　
　　1.2 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力
　　在工程應(yīng)用或工程實(shí)施過(guò)程中，技術(shù)人員會(huì)經(jīng)常運(yùn)用一些技巧性方法或思路去解決某些問(wèn)題。因此，培養(yǎng)學(xué)生用發(fā)散思維和自主創(chuàng)新能力來(lái)解決設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的各種各樣問(wèn)題尤為重要。
　　1.3 培養(yǎng)學(xué)生的信息檢索與挖掘能力
　　由于工程應(yīng)用過(guò)程中所遇到的問(wèn)題具有多樣性，而快速解決這些問(wèn)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(guān)于該問(wèn)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(huì)得到不同的檢索結(jié)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(yǎng)學(xué)生具有較強(qiáng)的信息搜索技術(shù)和能力。在檢索中，學(xué)生的創(chuàng)新思想和發(fā)散思維會(huì)提高檢索質(zhì)量，獲得與眾不同的檢索結(jié)果；反之，這些與眾不同的檢索結(jié)果又會(huì)啟發(fā)學(xué)生產(chǎn)生新的靈感。
　　1.4 培養(yǎng)學(xué)生規(guī)范的文檔撰寫能力
　　項(xiàng)目研發(fā)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(shù)人員或研發(fā)人員的必備能力。一個(gè)好的文檔不僅能夠清晰地反映設(shè)計(jì)者的思路，更有利于項(xiàng)目組內(nèi)人員之間的交流和合作。設(shè)計(jì)課中的設(shè)計(jì)內(nèi)容盡管無(wú)法與正規(guī)項(xiàng)目相比，但可通過(guò)它們來(lái)訓(xùn)練和提高學(xué)生的文檔撰寫能力。因此，本課程設(shè)計(jì)中學(xué)生必須上交所有的開發(fā)文檔，并且文檔要符合規(guī)范。
　　1.5 培養(yǎng)學(xué)生的溝通和表達(dá)能力
　　溝通是合作的基礎(chǔ)，項(xiàng)目組成員之間及時(shí)而無(wú)歧義的溝通能夠提高合作的質(zhì)量，加快項(xiàng)目的研發(fā)進(jìn)度。所以，激發(fā)學(xué)生在交流和溝通中的靈感和創(chuàng)意，培養(yǎng)大學(xué)生良好的溝通能力，改變其“死讀書”和“讀死書”的習(xí)慣，將促進(jìn)學(xué)生更加努力地研究課題。
　　1.6 培養(yǎng)學(xué)生吃苦精神和抗壓心理素質(zhì)
　　目前，大學(xué)生普遍為80后或90后，中國(guó)家庭教育中對(duì)子女的溺愛使部分學(xué)生缺乏吃苦精神，甚至個(gè)別學(xué)生的心理承受能力也很弱。通過(guò)帶有一定強(qiáng)度壓力的課程設(shè)計(jì)實(shí)踐，讓他們提前感受日后工作的壓力和強(qiáng)度(盡管這種強(qiáng)度無(wú)法與企業(yè)的強(qiáng)度相比)，鍛煉和提高他們的心理素質(zhì)，為他們大學(xué)畢業(yè)后能夠適應(yīng)社會(huì)奠定基礎(chǔ)。
　　1.7 提高學(xué)生分析與解決問(wèn)題的能力
　　在工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)的過(guò)程中，學(xué)生的獨(dú)立思考能力和分析解決問(wèn)題的能力是決定設(shè)計(jì)能否按計(jì)劃進(jìn)行的重要因素。在課程設(shè)計(jì)中，為提高學(xué)生的系統(tǒng)分析和邏輯推理能力，要求學(xué)生對(duì)問(wèn)題先提出自己的解決方法并通過(guò)論證，然后幾個(gè)人在一起研討，無(wú)法解決的問(wèn)題則由技術(shù)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(shè)計(jì)教學(xué)改革的具體實(shí)施步驟
　　2.1 學(xué)生的分組
　　為便于管理和了解學(xué)生的課程設(shè)計(jì)過(guò)程，對(duì)學(xué)生按每組10人進(jìn)行分組；每組選出組長(zhǎng)和副組長(zhǎng)各1名，由組織能力強(qiáng)、技術(shù)好的同學(xué)擔(dān)任。
　　組長(zhǎng)和副組長(zhǎng)分別負(fù)責(zé)小組的人員管理(人力資源管理)、設(shè)計(jì)過(guò)程中的組織(如技術(shù)研討會(huì)等)、各組成員表現(xiàn)的評(píng)測(cè)(計(jì)入學(xué)生的總成績(jī))等。為避免技術(shù)“強(qiáng)”“弱”兩極分化性分組，也為實(shí)現(xiàn)以“強(qiáng)”帶“弱”(讓學(xué)習(xí)和能力等方面強(qiáng)的同學(xué)“帶”相對(duì)較弱的同學(xué))，各組技術(shù)實(shí)力要均衡。這樣做也打破了過(guò)去學(xué)生“單兵作戰(zhàn)”的局面。除上述角色外，要確定組內(nèi)核心骨干力量，專門攻克設(shè)計(jì)過(guò)程中的難關(guān)。
　　2.2 課程設(shè)計(jì)的選題和立意
　　為激發(fā)學(xué)生的興趣和動(dòng)力，采取學(xué)生自主選題與指導(dǎo)教師把關(guān)相結(jié)合的辦法。當(dāng)各組成員確定后，組內(nèi)全體成員圍繞計(jì)算機(jī)組成原理內(nèi)容，利用信息檢索工具進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)調(diào)研，每人提交一個(gè)題目，并附題目介紹(提出的設(shè)計(jì)題目要注重基礎(chǔ)性、工程性、可操作性、可行性)；然后組內(nèi)研討并確定三個(gè)備選題目，再由組內(nèi)骨干力量與指導(dǎo)教師共同把關(guān)確定課程設(shè)計(jì)題目(題目確定后，不得更改)，組織學(xué)生撰寫課題的可行性研究報(bào)告，并交給全組學(xué)生去閱讀、研究和完善，同時(shí)讓全組學(xué)生理解該課程設(shè)計(jì)題目。
　　2.3 課程設(shè)計(jì)的主要過(guò)程
　　2.3.1 相關(guān)軟件的學(xué)習(xí)
　　由于在計(jì)算機(jī)組成原理課程中采用的是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生沒有學(xué)習(xí)過(guò)Xilinx ISE、ModelSim仿真工具和VHDL語(yǔ)言，故學(xué)生需要利用業(yè)余時(shí)間學(xué)習(xí)它們。為提高學(xué)習(xí)效率，實(shí)際中做法是每組指定2名自學(xué)能力強(qiáng)的學(xué)生先學(xué)習(xí)上述軟件及語(yǔ)言，其他同學(xué)則集中精力去做設(shè)計(jì)中的其他工作；然后，利用業(yè)余時(shí)間，這2名學(xué)生對(duì)各組內(nèi)沒有學(xué)習(xí)該軟件的同學(xué)進(jìn)行快速培訓(xùn)，也讓他們對(duì)該軟件有所了解，培訓(xùn)程序能夠達(dá)到滿足本課程設(shè)計(jì)即可。
　　2.3.2 設(shè)計(jì)任務(wù)的分解
　　
　　由于設(shè)計(jì)任務(wù)對(duì)于學(xué)生而言較重，需要將任務(wù)按功能進(jìn)行分解并分配給相應(yīng)成員。這些活動(dòng)任務(wù)由兩位組長(zhǎng)與技術(shù)骨干共同完成。在分配任務(wù)時(shí)，重點(diǎn)考慮了學(xué)生的動(dòng)手能力、知識(shí)水平和自學(xué)能力對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)的影響。
　　在分解任務(wù)前，組長(zhǎng)、副組長(zhǎng)和技術(shù)骨干負(fù)責(zé)集中設(shè)計(jì)任務(wù)的總體規(guī)劃，組內(nèi)技術(shù)骨干圍繞核心問(wèn)題進(jìn)行深入剖析和研究，確定課題中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題和難關(guān)，制訂進(jìn)度報(bào)告，撰寫技術(shù)路線；一周后，組長(zhǎng)組織召開組內(nèi)會(huì)議，組內(nèi)技術(shù)代表介紹課題的總體規(guī)劃、任務(wù)分解情況；然后組長(zhǎng)分配任務(wù)給成員，并對(duì)每個(gè)任務(wù)采取任務(wù)驅(qū)動(dòng)法，規(guī)定完成時(shí)間及要求。
　　2.3.3 定期舉行經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)
　　項(xiàng)目組定期在組內(nèi)進(jìn)行交流活動(dòng)，學(xué)生間相互介紹自己的研究?jī)?nèi)容和心得，以利于大家共同提高和改進(jìn)。對(duì)于在解決問(wèn)題過(guò)程中產(chǎn)生的諸多問(wèn)題，小組內(nèi)可隨時(shí)交流、尋找?guī)椭?可到組外尋求幫助)，定期對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行檢查和總結(jié)。
　　2.3.4 撰寫工作日志
　　課程設(shè)計(jì)中要求每個(gè)學(xué)生都要撰寫工作日志，用來(lái)記錄自己在設(shè)計(jì)過(guò)程中產(chǎn)生的新穎的想法、遇到的新問(wèn)題及其解決方案、尚未解決的問(wèn)題、任務(wù)完成的情況和個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)體會(huì)等，以利于組內(nèi)人員之間的查詢和研發(fā)交流等；組長(zhǎng)及核心技術(shù)骨干根據(jù)日志也能夠及時(shí)了解項(xiàng)目進(jìn)展情況和相關(guān)技術(shù)問(wèn)題的解決情況。
　　2.3.5 文檔規(guī)范與整理
　　在設(shè)計(jì)過(guò)程中，學(xué)生基本能夠做到規(guī)范撰寫文檔，并對(duì)文件能夠按樹型結(jié)構(gòu)科學(xué)合理地分類。每個(gè)組都能夠用工程應(yīng)用的思路撰寫課程設(shè)計(jì)的各種文檔，如需求分析、可行性分析、設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析、系統(tǒng)框架、功能描述、實(shí)現(xiàn)方法、進(jìn)度預(yù)估報(bào)告等，基本做到了思路清晰、任務(wù)明確和結(jié)構(gòu)合理。
　　2.3.6 課題設(shè)計(jì)的質(zhì)量保證
　　為保證課程設(shè)計(jì)的順利進(jìn)行，確保設(shè)計(jì)內(nèi)容達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，由老師和組長(zhǎng)共同檢查項(xiàng)目進(jìn)展情況，如研發(fā)進(jìn)度、任務(wù)完成情況、是否偏題、完成質(zhì)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(wèn)題(包括產(chǎn)生的新問(wèn)題)；此時(shí)，暫時(shí)放棄非必要的問(wèn)題(在學(xué)術(shù)方面有意義問(wèn)題可留待日后研究)，轉(zhuǎn)而圍繞課題設(shè)計(jì)進(jìn)行，從而保證在有限時(shí)間內(nèi)完成設(shè)計(jì)任務(wù)。
　　2.3.7 成果匯總
　　在課程設(shè)計(jì)基本完成后，由技術(shù)骨干核查文檔的完備性等。當(dāng)對(duì)整個(gè)課題核查后，相關(guān)人員按技術(shù)骨干提出的核查結(jié)果和修改意見進(jìn)行修改和完善。在最后一次實(shí)踐課中，每組各派1名代表在全體同學(xué)面前展示自己的設(shè)計(jì)成果，同學(xué)可以質(zhì)疑并提出一些問(wèn)
　　
　　題并相互研討各項(xiàng)目的特點(diǎn)等。
　　2.4 評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)
　　由于此次課程設(shè)計(jì)改革成份很多，時(shí)間較短，按教學(xué)大綱安排于本學(xué)期前5周(共計(jì)20學(xué)時(shí))；所以，本著鼓勵(lì)學(xué)生、激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新熱情為出發(fā)點(diǎn)，制訂如表1所示的評(píng)分指標(biāo)。
　　由上表中可以看出，組長(zhǎng)對(duì)組員打分所占的比例是很高的，因?yàn)榻M長(zhǎng)最了解學(xué)生的狀態(tài)，尤其是學(xué)生在業(yè)余時(shí)間所做的工作是教師不能直接觀察到的，同時(shí)便于組長(zhǎng)調(diào)動(dòng)組員工作。
　　3 實(shí)踐改革效果分析
　　在本教學(xué)改革方案實(shí)施后，很受學(xué)生的歡迎，基本上收到了改革預(yù)期的效果，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
　　3.1 學(xué)生學(xué)習(xí)由“被動(dòng)”變?yōu)椤爸鲃?dòng)”
　　由于學(xué)生能夠親身體驗(yàn)團(tuán)隊(duì)合作帶來(lái)的益處，不僅能夠主動(dòng)去學(xué)習(xí)、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(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。另外，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，學(xué)生也看到自己在基本專業(yè)技術(shù)方面的欠缺并著手彌補(bǔ)，例如，當(dāng)教師當(dāng)眾演示文檔編寫技巧后，部分學(xué)生能夠主動(dòng)去學(xué)習(xí)這方面的技術(shù)以彌補(bǔ)自己的不足。
　　3.2 提高了合作能力
　　由于課程設(shè)計(jì)任務(wù)量大，學(xué)時(shí)少，學(xué)生僅憑個(gè)人力量無(wú)法完成，所以必須通過(guò)合作。因此，設(shè)計(jì)任務(wù)會(huì)使學(xué)生向合作方向發(fā)展。此外，當(dāng)學(xué)生遇到問(wèn)題時(shí)，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(xiàn)象
　　由于各組題目不同，并且每個(gè)學(xué)生的工作日志中記錄了學(xué)生在設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要細(xì)節(jié)，是學(xué)生和教師共同走過(guò)的痕跡，使學(xué)生無(wú)法去抄襲他人成果。
　　3.4 提高了對(duì)學(xué)生評(píng)價(jià)的客觀性
　　采用不同于傳統(tǒng)試卷定成績(jī)的做法，能夠從多種角度反映學(xué)生的綜合素質(zhì)，能夠讓學(xué)生擺脫過(guò)去的“背誦”學(xué)習(xí)方式，轉(zhuǎn)而采用研討學(xué)習(xí)，有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。
　　3.5 小結(jié)
　　總之，采用這種教學(xué)改革模式，將學(xué)生從“做題型”轉(zhuǎn)向?yàn)椤皯?yīng)用型”；而教師也由施教者變成學(xué)生的輔導(dǎo)者、合作者和顧問(wèn)，引領(lǐng)學(xué)生突破思維定勢(shì)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。
　　4 存在的問(wèn)題及進(jìn)一步改進(jìn)措施
　　由于本方案實(shí)施時(shí)間短、次數(shù)少，還存在一些不足：評(píng)斷標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)一步科學(xué)化，更能反映學(xué)生的綜合評(píng)測(cè)；學(xué)生選題用時(shí)控制需要加強(qiáng)，需要提高信息
　　
　　檢索能力和相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)；存在個(gè)別學(xué)生不會(huì)合作，交流和溝通能力較弱；個(gè)別學(xué)習(xí)成績(jī)優(yōu)等的學(xué)生在合作方面表現(xiàn)得不如有些成績(jī)中等的學(xué)生；因時(shí)間關(guān)系導(dǎo)致在學(xué)術(shù)方面有意義的問(wèn)題只能留待日后研究解決，等等。
　　對(duì)上述問(wèn)題的解決方法是增加該教改模式的運(yùn)用次數(shù)，向其他課程推廣，讓多門課程設(shè)計(jì)共同來(lái)提高學(xué)生的應(yīng)用型綜合能力。
　　5 結(jié)語(yǔ)
　　通過(guò)對(duì)“計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)”教學(xué)實(shí)踐改革的探索，總結(jié)了改革過(guò)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(shè)計(jì)質(zhì)量奠定經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)，也為在本科層次中培養(yǎng)出專業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)扎實(shí)、創(chuàng)新意識(shí)強(qiáng)、善于自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐動(dòng)手能力強(qiáng)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用型人才進(jìn)行探索性實(shí)驗(yàn)。隨著改革經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，本課程設(shè)計(jì)中的教改活動(dòng)會(huì)做得越來(lái)越好。當(dāng)然，上述工作中也有很多亟待改進(jìn)和提高的地方，只要將改革堅(jiān)持下去，一定會(huì)在工程應(yīng)用型人才方面取得更好的培養(yǎng)效果。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
　　[1] 張亮. 應(yīng)用EDA技術(shù)改革“計(jì)算機(jī)組成原理”課程設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算