李珍香

摘要：針對目前計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，以培養(yǎng)具有工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力的實(shí)用人才為目標(biāo)，提出基于CDIO教學(xué)模式的“2+4+5+4”實(shí)驗(yàn)教學(xué)思路，即通過“項(xiàng)目”教學(xué)、“一體化綜合實(shí)驗(yàn)平臺”和“實(shí)驗(yàn)考核與評價(jià)”方面實(shí)踐CDIO中的“做中學(xué)”與“一體化”標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：CDIO；計(jì)算機(jī)硬件；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；一體化

1.背景

計(jì)算機(jī)硬件類課程是計(jì)算機(jī)專業(yè)的重要組成部分，實(shí)踐性強(qiáng)是其主要特點(diǎn)之一。提升硬件類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量對于提高學(xué)生的實(shí)際操作能力、樹立工程意識、培養(yǎng)創(chuàng)新能力、增強(qiáng)就業(yè)競爭力起著很重要的作用。但從目前高校培養(yǎng)的硬件類人才看還相對匱乏，主要原因如下：

（1）對實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍沒有引起足夠的重視。很多高校仍存有“重理論、輕實(shí)踐”觀念，表現(xiàn)在教學(xué)計(jì)劃的制定上（理論時(shí)數(shù)基本上是實(shí)驗(yàn)時(shí)數(shù)的2倍多）及給教師的工作量算法上（理論課時(shí)數(shù)為1×1.x，實(shí)驗(yàn)課時(shí)數(shù)為1或1×0.x）。

（2）實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容缺乏系統(tǒng)性和科學(xué)性，不具備現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。硬件類課程內(nèi)容之間具有很強(qiáng)的交叉性和相關(guān)性，通過學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)當(dāng)能建立起整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的概念，并具有系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)。但因目前大多實(shí)驗(yàn)箱的硬件線路相對固定、擴(kuò)展性受限等原因，形成了各門課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對孤立，課程之間無法建立起內(nèi)在聯(lián)系。另外，實(shí)驗(yàn)類型和手段也較單一，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，基本沒有涉及應(yīng)用系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，無法對多門硬件課程的知識進(jìn)行融合，從而達(dá)到貫通和一脈相承。在設(shè)備上，部分學(xué)校因資金短缺而存在實(shí)驗(yàn)設(shè)備落后或數(shù)量不足的現(xiàn)象，甚至還有學(xué)校對于應(yīng)該開設(shè)有實(shí)驗(yàn)的課程因?yàn)闆]有設(shè)備而開不起來的情況。

（3）實(shí)驗(yàn)考核機(jī)制不健全。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考核上措施不得力，忽視了對應(yīng)用能力和實(shí)踐能力的考查；考核方法也單調(diào)，主要側(cè)重于對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的考核，缺乏對實(shí)驗(yàn)過程的綜合考核。

加大計(jì)算機(jī)硬件人才培養(yǎng)力度、強(qiáng)化計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)和工程訓(xùn)練是當(dāng)務(wù)之急。我國部分高校已經(jīng)認(rèn)識到了這種重要性和緊迫性，并已在研發(fā)和改革。中國民航大學(xué)于2009年實(shí)施CDIO試點(diǎn)工程改革；所屬計(jì)算機(jī)專業(yè)的計(jì)算機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)中心于2013年獲批為天津市實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心加以建設(shè)，其中的“硬件子實(shí)驗(yàn)室”是重點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容。CDIO教學(xué)模式注重實(shí)踐教學(xué)，能讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間具有有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)和獲得應(yīng)有的知識、能力和態(tài)度。按照這種模式，不僅能培養(yǎng)學(xué)生掌握基礎(chǔ)工程技術(shù)知識和動(dòng)手操作的能力，而且在新產(chǎn)品的開發(fā)過程中還能引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新，并理解研究和技術(shù)發(fā)展對社會(huì)的重要影響，與社會(huì)所需的計(jì)算機(jī)硬件人才培養(yǎng)高度吻合。

2.CDIO實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施

2.1“2+4+5+4”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)思路

計(jì)算機(jī)硬件課程組以實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革為突破口，提出了“2+4+5+4”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)思路。其中的“2”為“計(jì)算機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)室”與“計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)”兩個(gè)平臺；第一個(gè)“4”為“四性原則”，即基礎(chǔ)性、層次性、自主性和開放性；“5”為“五個(gè)突出”，即突出早（安排）、突出課內(nèi)外一體、突出開放、突出綜合和突出創(chuàng)新；第二個(gè)“4”為“四種能力”，即綜合認(rèn)知能力、實(shí)踐動(dòng)手能力、工程設(shè)計(jì)能力和思維創(chuàng)新能力，實(shí)驗(yàn)教學(xué)思路流程如圖1所示。

按照這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)思路，可有效整合理論與實(shí)踐，聯(lián)系學(xué)習(xí)與應(yīng)用，融合科技培養(yǎng)與認(rèn)識發(fā)展，貫通課內(nèi)教學(xué)與課外活動(dòng)，覆蓋校內(nèi)外時(shí)空資源。

2.2“做中學(xué)”實(shí)踐

計(jì)算機(jī)硬件課程群中的各門課相對來說都較抽象，理論學(xué)習(xí)較枯燥，對學(xué)生的實(shí)際操作能力要求很高，傳統(tǒng)的“教師講、學(xué)生聽”是行不通的。為了變學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，變無目標(biāo)學(xué)習(xí)為有目標(biāo)學(xué)習(xí)，變枯燥乏味的學(xué)習(xí)為充滿興趣的學(xué)習(xí)，我們踐行了CDIO中的“做中學(xué)”教學(xué)模式。

2.2.1硬件實(shí)驗(yàn)4年不斷線

從新生入學(xué)到畢業(yè)離校，以“工程應(yīng)用能力培養(yǎng)4年不間斷”為原則，對實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，把4年的實(shí)踐教學(xué)作為一個(gè)整體來考慮，建立實(shí)踐教學(xué)四年一體化獨(dú)立運(yùn)行機(jī)制，把“知、會(huì)、是”三者有機(jī)結(jié)合，整合教學(xué)內(nèi)容，使實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐、設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試相互結(jié)合。制定、編寫出一套行之有效的教學(xué)系列文件，并開發(fā)成“計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)”電子平臺，主要內(nèi)容見表1。

通過“計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)”平臺，新生在第一學(xué)期就可以了解到4年中的所有實(shí)踐安排。具體包括每個(gè)學(xué)期要開設(shè)的每門實(shí)驗(yàn)課（課內(nèi)必修和選修實(shí)驗(yàn)有詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)資料、實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)和學(xué)分、必做還是選做、通過登錄相應(yīng)界面查看往屆的相關(guān)信息等，實(shí)驗(yàn)大綱、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、考核評分標(biāo)準(zhǔn)與方法、實(shí)驗(yàn)教學(xué)各項(xiàng)管理規(guī)章制度以及安全操作規(guī)程和安全管理制度等）；每門課程的不同層次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)軟件與仿真實(shí)驗(yàn)工具，演示實(shí)驗(yàn)示例，實(shí)驗(yàn)PPT教學(xué)課件，新技術(shù)與新開發(fā)工具，所有自主性實(shí)驗(yàn)、開放性實(shí)驗(yàn)和各種大賽；有關(guān)的各種資料和鏈接；往屆學(xué)生的優(yōu)秀作品與獲得的各種獎(jiǎng)勵(lì)，計(jì)算機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)室管理和開放制度等?？煞奖愕剡M(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)資料下載與瀏覽，這便于不同層次、不同年級的學(xué)生根據(jù)社會(huì)需求、計(jì)算機(jī)發(fā)展和專業(yè)自身的實(shí)際情況進(jìn)行具體的實(shí)施和操作。

2.2.2以“項(xiàng)目”為中心組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)

對于自主性、開放性實(shí)驗(yàn)，教師的科研項(xiàng)目或各種大賽等實(shí)踐項(xiàng)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(shè)或者學(xué)生還沒有接觸過這些理論知識而要以“項(xiàng)目”形式進(jìn)行實(shí)際研發(fā)。這時(shí)，教師只是以“項(xiàng)目”形式列出題目來，學(xué)生需通過查閱資料設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和擬出操作步驟并獨(dú)立完成。學(xué)生也可自擬實(shí)驗(yàn)題目，并擬出實(shí)驗(yàn)方案和準(zhǔn)備器件最后完成。這種基于項(xiàng)目的“主動(dòng)學(xué)習(xí)”就是“做中學(xué)”。通過這種形式，學(xué)生自己規(guī)劃學(xué)習(xí)、主動(dòng)查找資料，發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、主動(dòng)提出解決方案，直至解決問題。這可以有效轉(zhuǎn)換學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度，從被動(dòng)操作轉(zhuǎn)為主動(dòng)實(shí)踐，能降低學(xué)生學(xué)習(xí)的盲目性。

另外，由于項(xiàng)目較大，學(xué)生需分組形成團(tuán)隊(duì)一起完成，并需有一名組長。在項(xiàng)目的實(shí)施、完成過程中，組長負(fù)責(zé)跟進(jìn)項(xiàng)目的進(jìn)度并帶領(lǐng)整個(gè)團(tuán)隊(duì)共同解決項(xiàng)目中所遇到的各種問題，這可以不斷提升組長的領(lǐng)導(dǎo)能力；組員通過相互溝通和有效協(xié)作，可以不斷提升各自的溝通能力、團(tuán)隊(duì)合作能力。這種以項(xiàng)目為中心的實(shí)踐教學(xué)對于培養(yǎng)學(xué)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(nèi)外一體化”實(shí)踐

為了彌補(bǔ)課堂教學(xué)的不足，充分發(fā)揮學(xué)生的個(gè)性特長、培養(yǎng)興趣愛好、增強(qiáng)綜合素質(zhì)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(yǎng)的重要組成部分，是學(xué)生實(shí)踐專業(yè)理論知識和培養(yǎng)創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力的重要途徑，是提高學(xué)生就業(yè)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(xué)術(shù)性、娛樂性于一體的各種活動(dòng)，譬如與硬件有關(guān)的各種知識講座、興趣小組、科技制作、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、競賽等。

2.3.1一體化原則

課外活動(dòng)的整體設(shè)計(jì)立足于“三寓”：寓專業(yè)人才培養(yǎng)方案、CDIO模式下的目標(biāo)、教學(xué)管理、科研活動(dòng)于一體；寓學(xué)生個(gè)性化培養(yǎng)和養(yǎng)成教育于一體；寓社會(huì)、學(xué)生個(gè)性需求于一體，實(shí)現(xiàn)課外活動(dòng)與專業(yè)教育、教師和學(xué)生、課內(nèi)和課外的有機(jī)統(tǒng)一。

2.3.2一體化綜合實(shí)驗(yàn)平臺

計(jì)算機(jī)硬件課程體系自身是完整的，各門課程之間聯(lián)系非常緊密，但實(shí)際教學(xué)效果并不是這樣的。學(xué)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(lián)系。譬如我們所熟知的CPU，在數(shù)字邏輯課程中，寄存器、加法器、譯碼器等邏輯電路內(nèi)容是構(gòu)成CPU的基本部件，這些內(nèi)容是課程的重點(diǎn)，在教學(xué)中也安排有較多學(xué)時(shí)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)；在計(jì)算機(jī)組成原理課程中，CPU的工作原理和設(shè)計(jì)思想是重點(diǎn)內(nèi)容之一，其中還給出了CPU內(nèi)部各組成部件的電路結(jié)構(gòu)框圖，以CPU為核心的基本模型機(jī)實(shí)驗(yàn)是課程中最重要的實(shí)驗(yàn)；在微機(jī)原理與接口技術(shù)課程中，所有的內(nèi)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(nèi)在聯(lián)系。但在各門課程中因講解的側(cè)重點(diǎn)不同，而且是在不同學(xué)期授課，這樣就造成了很多學(xué)生無法建立起它們之間的內(nèi)在聯(lián)系，以至于所學(xué)知識出現(xiàn)零碎化。

應(yīng)用EDA先進(jìn)技術(shù)，結(jié)合社會(huì)需求，通過Xilinx公司的Spartan-3系列FPGA技術(shù)，配合多種外圍接口部件研制開發(fā)一體化綜合實(shí)驗(yàn)平臺可有效解決以上問題。以VHDL或Verilog為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)語言，在其上主要完成數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)等多門核心課程的實(shí)驗(yàn)，同時(shí)支持FPGA設(shè)計(jì)、SoPC、嵌人式系統(tǒng)、接口與通信等課程的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生也可通過此平臺自主設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)各種硬件方面的綜合設(shè)計(jì)。這使得原本分散在不同類型實(shí)驗(yàn)平臺上的課程實(shí)驗(yàn)得到統(tǒng)一，既實(shí)現(xiàn)了“軟硬結(jié)合”，也完全打通了硬件課程之間的壁壘和“相互脫節(jié)”的局面。

2.3.3一體化考核與評價(jià)

對于開放性實(shí)驗(yàn)，如何很好地檢驗(yàn)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況以保證實(shí)驗(yàn)的實(shí)施效果，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的關(guān)鍵問題。為此，我們采取了多段、多方位的實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核方式，其中多段指總的實(shí)驗(yàn)考核成績來自于整門課程進(jìn)行中的各個(gè)階段成績，多方位指每個(gè)階段的成績來自實(shí)驗(yàn)過程中的多個(gè)方面。課程總成績考核評價(jià)方式見表2。

表2中的期末實(shí)驗(yàn)考試是較關(guān)鍵的一環(huán)，其中要考查的內(nèi)容包括：①學(xué)生對理論內(nèi)容的理解與應(yīng)用能力；②儀器設(shè)備的熟練使用能力；③實(shí)驗(yàn)操作的動(dòng)手能力；④綜合設(shè)計(jì)與創(chuàng)新能力。

對于參加學(xué)校的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、學(xué)生科協(xié)、教師科研、天津市或全國的有關(guān)競賽等的學(xué)生，在政策上給予實(shí)驗(yàn)免試的激勵(lì)。因?yàn)閷W(xué)生實(shí)驗(yàn)技能與創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，不僅僅通過課堂的實(shí)驗(yàn)教學(xué)來完成，同時(shí)還要通過實(shí)際操練來鞏固和提高。這些形式的活動(dòng)正是學(xué)生練手的最好機(jī)會(huì)。

這種考核方式既體現(xiàn)了綜合能力，又加強(qiáng)了過程考核；既能充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，更能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，加強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)，是培養(yǎng)學(xué)生的知識應(yīng)用能力、信息獲取和選擇能力、動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的很好手段。

3.結(jié)語

CDIO中“做中學(xué)”“課內(nèi)外一體化”的實(shí)踐，將課內(nèi)實(shí)驗(yàn)延展至課外自主研學(xué)，將所學(xué)理論知識與課外科技創(chuàng)新訓(xùn)練等融為一體，形成了以學(xué)生自主探索、開發(fā)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新實(shí)踐為主，教師引導(dǎo)，深層次交流互動(dòng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，有效促進(jìn)了學(xué)生實(shí)踐能力、工程意識和創(chuàng)新素質(zhì)的全面提升。我們在2013年參加的全國“博創(chuàng)杯”競賽中獲2項(xiàng)二等獎(jiǎng)，“2013年天津市大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新與工程應(yīng)用設(shè)計(jì)競賽”中獲1項(xiàng)二等獎(jiǎng)，1項(xiàng)三等獎(jiǎng)。

（編輯：郭田珍）