基于CDIO理念和课程思政的应用型本科院校计算机组成原理教学实践研究

关键词：课程思政；CDIO；教学实践；计算机组成原理

1 背景

计算机组成原理作为应用型本科院校计算机类专业的必修课程，在教学过程中侧重计算机硬件原理的讲授，对学生构建冯·诺依曼计算机知识体系结构，理解计算机从硬件原理到软件运行的关键环节至关重要[1]。由于当下计算机元器件高度集成化以及芯片功能复杂化，硬件原理相关教学内容在教师讲授和学生学习过程中存在直观性较差、抽象程度较高等问题。教师通常从电路原理图入手，采用传统的讲授法授课，而学生在理解基本元器件功能到集成芯片功能方面还存在较大鸿沟。长期以来，计算机组成原理课程面临着教师难教、学生难学的“两难”问题[2]。此外，应用型本科院校的学情还有其特殊性：学生对电阻、电容、电感、二极管、三极管等基本硬件原理掌握不够扎实，在学习或、与、非、异或等逻辑电路时往往需要重新复习基本硬件知识，进而导致学生在学习芯片原理时较为吃力；学生在课程学习过程中深入探索的意愿不足，自主学习能力一般[3]。如果在有限的教学学时中贪大求全，追求面面俱到，只注重严谨的理论讲授而忽视感性的实验验证，势必会造成学生在学习过程中出现畏难情绪，进而导致课程学习效果不佳，学生动手实践能力得不到充分锻炼，应用型教学目标难以达成。本论文作者通过总结多年来计算机组成原理课程的教学经验，结合应用型本科院校的教学目标要求以及学生学情，针对教学过程中存在的“两难”情况，有目的地精简理论教学内容，在理论教学过程中增加硬件原理的验证实验，不断提升学生对硬件原理的感性认知和课堂参与度；结合CDIO（Conceive、De⁃sign、Implement、Operate） 工程教育理念[4]，合理安排综合设计性实验，注重对学生应用能力的培养；为有效将思想政治教育工作贯穿教育教学全过程，结合计算机硬件领域的最新发展成果，深入挖掘课程思政元素，建立了课程思政案例库，明确了各个案例在教学过程中的切入点和切入方式，帮助学生牢固树立爱国主义思想以及正确的世界观、人生观、价值观。

2 具体举措

下面将从课程内容的优化、CDIO理念的实施以及课程思政的融入三个方面介绍计算机组成原理教学实践的改革。

2.1 课程内容的优化

相较于研究型本科院校，应用型本科院校计算机类专业人才培养方案更注重学生对计算机基本原理的理解和基本技能的应用，不盲目追求前沿与精深[5]。因此，有必要对鄂尔多斯应用技术学院计算机组成原理课程中现有的理论内容进行优化。优化的原则有：

1） 对于不能反映当前计算机发展水平的过时内容进行精简，例如CRT 显示器、机械式鼠标原理、Sparc指令系统等内容；增加对计算机前沿知识的介绍，例如超级计算机、量子计算机、DDR-5、国产CPU 和指令系统以及ARM等内容。

2） 对于理论、原理较为复杂，不符合应用型人才培养要求的内容进行精简或弱化，例如乘法器、除法器的硬件原理，超标量、超流水处理机原理，浮点运算器原理等，虚拟内存的硬件实现，时序原理等。

3） 增加验证实验，强化学生对基本元器件、基本芯片原理的认知；例如增加74LS181 ALU 芯片、74LS299移位运算芯片、74LS245寄存器芯片、6264内存芯片以及74LS139片选控制等芯片的基本原理验证实验；合理安排综合性、设计性实验，增强学生对计算机指令系统的分析设计和实现能力，加深学生对计算机各硬件部件协调工作过程的理解。

以上优化措施使得本课程的理论和实践内容更加与时俱进，突出了对基本理论和重要原理的讲授，强调了学生对常用集成芯片功能的理解和应用，符合应用型本科院校对基本理论和实践技能的要求。

2.2 CDIO 理念的实施

围绕应用型人才培养目标，为在计算机组成原理课程中贯彻执行CDIO工程教育理念，不断提升学生对计算机基本原理的理解和基本技能的应用，课程组于2021年引入MH800-CP226型计算机组成原理实验箱（如图1所示）用于鄂尔多斯应用技术学院计算机组成原理课程实验教学环节，有效支撑了CDIO理念在教学过程中的实践。基于该实验平台开设的实验如表1所示。

基于MH800-CP226型计算机组成原理实验箱，共计安排设计了16学时的实验，其中包括8学时的验证型实验和8学时的设计性实验，这些实验基本满足了本课程主要原理的验证和基本技能的实践需求。为了培养学生的团队协作精神（同时受现有实验设备数量不足的限制），实验以小组为单位进行，每组选举产生组长，由组长负责组织本组实验的开展。学生需要记录实验结果，并填写实验报告册，实验环节考核依据为实验过程和实验报告的完成情况，采用百分制计分，并按照课程大纲要求进行折算后计入该课程总分。

CDIO理念主要体现在设计性实验中。例如，在基本模型机的设计与实现过程中，以小组为单位进行，小组选举组长，组长带领组员从微程序分析入手，安排组员合作完成程序设计、代码输入以及运行实现。组长根据各组员对实验的贡献进行评分，作为组内学生个人实验成绩的依据之一；而组长的成绩则由授课教师根据实验报告情况给出，这体现了以学生为主、教师引导的工程教育理念。

2.3 课程思政的融入

深入挖掘专业课程教学方式中蕴含的思想政治教育资源，是实现全员全程全方位育人的重要举措[4]。在我国新时代经济社会快速发展的背景下，计算机组成原理课程作为一门原理性、技术性较强的工科课程，其内在蕴含着丰富的思想政治教育资源[6]。为深入落实“立德树人”的根本任务，课题组结合计算机领域前沿知识，深入挖掘本课程中的思政资源，建立了课程思政案例库。结合课程教学内容，合理设计了每一次课的思政切入点和切入方式，力求使课程思政对学生思想产生潜移默化的影响效果。

基于CDIO理念和课程思政的应用型本科院校计算机组成原理教学实践如图2所示。在该教学实践中，理论教学通过结合案例的讲授式教学开展，个人实践能力训练和团队项目能力训练则通过验证性和设计性实验展开，重点突出学生在课程学习过程中的主体地位。学生在理解计算机基本原理、掌握基本计算机应用技能的同时，授课教师也要充分发挥引导、启发、监控教学的功能。在所有的教学环节中，我们深入结合授课内容，适时开展课程思政教育，充分发挥专业课教师思政育人的职能。例如，在讲授总线通信时，我们指出电磁波可以代表二进制数据，进而介绍了为什么涉密计算机不允许插优盘、涉密计算机的电源插头不能插在普通插座上的原因，从而加深了学生对计算机保密工作的认识。

3 成效及存在问题

自2021年以来，课程组连续三年在计算机组成原理教学实践中采用新的教学实践模式，并取得了较好的效果。为进行对比，选择了2020年未采用新教学实践模式的数据作为参照，如图3所示。

可以看出，由于加入了实验环节的考核，成绩构成更全面地体现了对学生理论和实践环节的考核。实验环节反过来也深化了学生对理论的理解，学生整体及格率也随之逐年递增。在2020年的教学实践过程中，采用软件模拟硬件开展实验教学，但这种方式对学生动手能力的锻炼不足，学生直观体会不深。而2021年至2023年新型教学实践的实施，特别是设计性实验的实施，使得学生动手实践能力得到了较为充分的锻炼，学生课程参与程度随之提升，学生对课程的满意程度、教学督导对课程的评价也逐年提升。

在教学实践中，也发现了一些问题：受限于实验设备的短缺，部分组别的实验不能保证当堂内完成，需要利用课后时间继续实验，这导致学生实验体验较差，且过程性评分存在波动。此外，还缺少对SRAM、DRAM存储原理等内容的演示实验设备，结合理论课程开展的演示实验较少。同时，符合CDIO理念的教学学时偏少，贯彻落实存在不足。

4 结束语

本文基于鄂尔多斯应用技术学院计算机组成原理课程组多年的教学实践，基于CDIO理念和课程思政，针对应用型本科院校学生特点，优化了教学内容，建立了课程思政案例库，改革了教学实践模式，突出了应用型人才培养的基本要求。经过三年的实践，在及格率、学生评价、督导评价等方面取得了一定的成效。受教改项目的推动，课题组已申请建设计算机组成原理实验室，预计将于2024年建设完成并投入使用。该实验室除了能够满足计算机组成原理课程实践环节的需要外，还配备了基本的嵌入式开发环境。届时，它将从根本上解决我校计算机组成原理课程开设过程中面临的主要问题。