基于CDIO模式的计算机硬件课程群实验教学

李珍香

摘要：针对目前计算机硬件实验教学中存在的问题，以培养具有工程实践和创新能力的实用人才为目标，提出基于CDIO教学模式的“2+4+5+4”实验教学思路，即通过“项目”教学、“一体化综合实验平台”和“实验考核与评价”方面实践CDIO中的“做中学”与“一体化”标准。

关键词：CDIO；计算机硬件；实验教学；一体化

1.背景

计算机硬件类课程是计算机专业的重要组成部分，实践性强是其主要特点之一。提升硬件类课程实验教学质量对于提高学生的实际操作能力、树立工程意识、培养创新能力、增强就业竞争力起着很重要的作用。但从目前高校培养的硬件类人才看还相对匮乏，主要原因如下：

（1）对实验教学仍没有引起足够的重视。很多高校仍存有“重理论、轻实践”观念，表现在教学计划的制定上（理论时数基本上是实验时数的2倍多）及给教师的工作量算法上（理论课时数为1×1.x，实验课时数为1或1×0.x）。

（2）实验教学内容缺乏系统性和科学性，不具备现代化的实验教学环境。硬件类课程内容之间具有很强的交叉性和相关性，通过学习，学生应当能建立起整个计算机系统设计的概念，并具有系统设计的技术。但因目前大多实验箱的硬件线路相对固定、扩展性受限等原因，形成了各门课程的实验内容相对孤立，课程之间无法建立起内在联系。另外，实验类型和手段也较单一，验证性实验为主，基本没有涉及应用系统的整体设计，无法对多门硬件课程的知识进行融合，从而达到贯通和一脉相承。在设备上，部分学校因资金短缺而存在实验设备落后或数量不足的现象，甚至还有学校对于应该开设有实验的课程因为没有设备而开不起来的情况。

（3）实验考核机制不健全。实验教学的考核上措施不得力，忽视了对应用能力和实践能力的考查；考核方法也单调，主要侧重于对实验结果的考核，缺乏对实验过程的综合考核。

加大计算机硬件人才培养力度、强化计算机硬件实验教学和工程训练是当务之急。我国部分高校已经认识到了这种重要性和紧迫性，并已在研发和改革。中国民航大学于2009年实施CDIO试点工程改革；所属计算机专业的计算机综合实验中心于2013年获批为天津市实验教学示范中心加以建设，其中的“硬件子实验室”是重点建设内容。CDIO教学模式注重实践教学，能让学生以主动的、实践的、课程之间具有有机联系的方式学习和获得应有的知识、能力和态度。按照这种模式，不仅能培养学生掌握基础工程技术知识和动手操作的能力，而且在新产品的开发过程中还能引导学生创新，并理解研究和技术发展对社会的重要影响，与社会所需的计算机硬件人才培养高度吻合。

2.CDIO实验教学实施

2.1“2+4+5+4”的实验教学思路

计算机硬件课程组以实验教学改革为突破口，提出了“2+4+5+4”的实验教学思路。其中的“2”为“计算机综合实验室”与“计算机硬件实验管理系统”两个平台；第一个“4”为“四性原则”，即基础性、层次性、自主性和开放性；“5”为“五个突出”，即突出早（安排）、突出课内外一体、突出开放、突出综合和突出创新；第二个“4”为“四种能力”，即综合认知能力、实践动手能力、工程设计能力和思维创新能力，实验教学思路流程如图1所示。

按照这样的实验教学思路，可有效整合理论与实践，联系学习与应用，融合科技培养与认识发展，贯通课内教学与课外活动，覆盖校内外时空资源。

2.2“做中学”实践

计算机硬件课程群中的各门课相对来说都较抽象，理论学习较枯燥，对学生的实际操作能力要求很高，传统的“教师讲、学生听”是行不通的。为了变学生被动学习为主动学习，变无目标学习为有目标学习，变枯燥乏味的学习为充满兴趣的学习，我们践行了CDIO中的“做中学”教学模式。

2.2.1硬件实验4年不断线

从新生入学到毕业离校，以“工程应用能力培养4年不间断”为原则，对实践教学环节进行总体设计，把4年的实践教学作为一个整体来考虑，建立实践教学四年一体化独立运行机制，把“知、会、是”三者有机结合，整合教学内容，使实验、实践、设计、制作、调试相互结合。制定、编写出一套行之有效的教学系列文件，并开发成“计算机硬件实验管理系统”电子平台，主要内容见表1。

通过“计算机硬件实验管理系统”平台，新生在第一学期就可以了解到4年中的所有实践安排。具体包括每个学期要开设的每门实验课（课内必修和选修实验有详细的实验内容、实验预习资料、实验学时和学分、必做还是选做、通过登录相应界面查看往届的相关信息等，实验大纲、实验指导书、考核评分标准与方法、实验教学各项管理规章制度以及安全操作规程和安全管理制度等）；每门课程的不同层次实验，实验软件与仿真实验工具，演示实验示例，实验PPT教学课件，新技术与新开发工具，所有自主性实验、开放性实验和各种大赛；有关的各种资料和链接；往届学生的优秀作品与获得的各种奖励，计算机综合实验室管理和开放制度等。可方便地进行实验预习资料下载与浏览，这便于不同层次、不同年级的学生根据社会需求、计算机发展和专业自身的实际情况进行具体的实施和操作。

2.2.2以“项目”为中心组织实验教学

对于自主性、开放性实验，教师的科研项目或各种大赛等实践项目，要涉及多门课程或很多课外知识，这些课程有可能还没有开设或者学生还没有接触过这些理论知识而要以“项目”形式进行实际研发。这时，教师只是以“项目”形式列出题目来，学生需通过查阅资料设计实验方案和拟出操作步骤并独立完成。学生也可自拟实验题目，并拟出实验方案和准备器件最后完成。这种基于项目的“主动学习”就是“做中学”。通过这种形式，学生自己规划学习、主动查找资料，发现问题、分析问题、主动提出解决方案，直至解决问题。这可以有效转换学生的学习态度，从被动操作转为主动实践，能降低学生学习的盲目性。

另外，由于项目较大，学生需分组形成团队一起完成，并需有一名组长。在项目的实施、完成过程中，组长负责跟进项目的进度并带领整个团队共同解决项目中所遇到的各种问题，这可以不断提升组长的领导能力；组员通过相互沟通和有效协作，可以不断提升各自的沟通能力、团队合作能力。这种以项目为中心的实践教学对于培养学生的工程能力和辩证思维能力都具有重要的作用。

2.3“课内外一体化”实践

为了弥补课堂教学的不足，充分发挥学生的个性特长、培养兴趣爱好、增强综合素质和能力，我们重视并充分利用了课外（第二课堂）。课外是人才培养的重要组成部分，是学生实践专业理论知识和培养创新能力、实践能力的重要途径，是提高学生就业竞争力的有效手段。因此，利用课外开展了一系列融知识性、学术性、娱乐性于一体的各种活动，譬如与硬件有关的各种知识讲座、兴趣小组、科技制作、创新创业、竞赛等。

2.3.1一体化原则

课外活动的整体设计立足于“三寓”：寓专业人才培养方案、CDIO模式下的目标、教学管理、科研活动于一体；寓学生个性化培养和养成教育于一体；寓社会、学生个性需求于一体，实现课外活动与专业教育、教师和学生、课内和课外的有机统一。

2.3.2一体化综合实验平台

计算机硬件课程体系自身是完整的，各门课程之间联系非常紧密，但实际教学效果并不是这样的。学生在全部修完课程之后并没有真正建立起这些课程之间的联系。譬如我们所熟知的CPU，在数字逻辑课程中，寄存器、加法器、译码器等逻辑电路内容是构成CPU的基本部件，这些内容是课程的重点，在教学中也安排有较多学时的验证性实验；在计算机组成原理课程中，CPU的工作原理和设计思想是重点内容之一，其中还给出了CPU内部各组成部件的电路结构框图，以CPU为核心的基本模型机实验是课程中最重要的实验；在微机原理与接口技术课程中，所有的内容主要围绕对CPU的编程展开，因此可以看出硬件类课程之间的这种内在联系。但在各门课程中因讲解的侧重点不同，而且是在不同学期授课，这样就造成了很多学生无法建立起它们之间的内在联系，以至于所学知识出现零碎化。

应用EDA先进技术，结合社会需求，通过Xilinx公司的Spartan-3系列FPGA技术，配合多种外围接口部件研制开发一体化综合实验平台可有效解决以上问题。以VHDL或Verilog为实验设计语言，在其上主要完成数字逻辑、计算机组成原理、计算机体系结构等多门核心课程的实验，同时支持FPGA设计、SoPC、嵌人式系统、接口与通信等课程的实验，学生也可通过此平台自主设计和实现各种硬件方面的综合设计。这使得原本分散在不同类型实验平台上的课程实验得到统一，既实现了“软硬结合”，也完全打通了硬件课程之间的壁垒和“相互脱节”的局面。

2.3.3一体化考核与评价

对于开放性实验，如何很好地检验学生的实验情况以保证实验的实施效果，是实验教学改革的关键问题。为此，我们采取了多段、多方位的实验教学考核方式，其中多段指总的实验考核成绩来自于整门课程进行中的各个阶段成绩，多方位指每个阶段的成绩来自实验过程中的多个方面。课程总成绩考核评价方式见表2。

表2中的期末实验考试是较关键的一环，其中要考查的内容包括：①学生对理论内容的理解与应用能力；②仪器设备的熟练使用能力；③实验操作的动手能力；④综合设计与创新能力。

对于参加学校的创新创业、学生科协、教师科研、天津市或全国的有关竞赛等的学生，在政策上给予实验免试的激励。因为学生实验技能与创新思维的培养，不仅仅通过课堂的实验教学来完成，同时还要通过实际操练来巩固和提高。这些形式的活动正是学生练手的最好机会。

这种考核方式既体现了综合能力，又加强了过程考核；既能充分发挥学生的主观能动性，更能充分调动学生的学习积极性，加强学生的创新能力培养，是培养学生的知识应用能力、信息获取和选择能力、动手实践能力和创新能力的很好手段。

3.结语

CDIO中“做中学”“课内外一体化”的实践，将课内实验延展至课外自主研学，将所学理论知识与课外科技创新训练等融为一体，形成了以学生自主探索、开发设计、创新实践为主，教师引导，深层次交流互动的实验教学模式，有效促进了学生实践能力、工程意识和创新素质的全面提升。我们在2013年参加的全国“博创杯”竞赛中获2项二等奖，“2013年天津市大学生物联网创新与工程应用设计竞赛”中获1项二等奖，1项三等奖。

（编辑：郭田珍）