摘 要：針對計算機專業(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)狀及國內(nèi)外相關(guān)教改成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合計算機組成原理課程設(shè)計實踐，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。
　　關(guān)鍵詞：工程應(yīng)用型；創(chuàng)新意識；發(fā)散思維；協(xié)同合作
　　
　　
　　在計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)中，計算機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硬件知識的高要求性使得它被公認為是枯燥和難學(xué)的課程。因此，關(guān)于它的教學(xué)改革成為談?wù)摕狳c。截止2011年11月，在“中國知網(wǎng)”中以“計算機組成原理”為關(guān)鍵詞就會檢索到八百六十多條記錄，而發(fā)表在《計算機教育》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)生對計算機原理的理解程度，往往課程學(xué)習(xí)之后，要進行課程設(shè)計活動，從原理理論到具體設(shè)計加深學(xué)生對計算機組成原理的理解，達到理論和實踐相互促進的目的，提高學(xué)生的動手能力和工程應(yīng)用能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和協(xié)同合作的能力。
　　對于計算機組成原理的課程設(shè)計，國外大學(xué)如美國斯坦福大學(xué)的計算機系要求學(xué)生能夠獨立用VHDL語言實現(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)院計算機系統(tǒng)設(shè)計課程也要求學(xué)生自主完成ALU等設(shè)計。在國內(nèi)，大多數(shù)院校對該課程設(shè)計以模型機設(shè)計居多，近年來采用VHDL語言進行設(shè)計成為流行趨勢，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)在計算機組成原理的實驗中直接采用Xilinx ISE集成開發(fā)環(huán)境和
　　
　　ModelSim仿真工具的做法[2]，用設(shè)計性實驗來代替驗證性實驗。
　　在綜合多方面信息和我院學(xué)生實際情況的基礎(chǔ)上，對如何開設(shè)好計算機組成原理課程設(shè)計課進行調(diào)研、分析和論證，為切實提高學(xué)生的實踐應(yīng)用能力，決定采用Xilinx ISE、ModelSim和VHDL語言的設(shè)計性實踐方法。在課程設(shè)計的選題方面，我們擯棄過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)計教學(xué)改革的總目標(biāo)
　　為保證計算機組成原理課程設(shè)計的教學(xué)改革能夠順利實施，現(xiàn)根據(jù)學(xué)科發(fā)展和學(xué)生的實際情況，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)項目的研發(fā)工作都是以團隊的形式來完成的。為使學(xué)生在畢業(yè)后的工作中能夠適應(yīng)團隊合作，需要對學(xué)生進行合作能力的培養(yǎng)和訓(xùn)練，尤其是團隊合作意識和合作素質(zhì)，這一點非常重要。
　　基金項目：黑龍江省智能教育與信息工程重點實驗室；黑龍江省計算機應(yīng)用技術(shù)重點學(xué)科(081203)；哈爾濱師范大學(xué)科技創(chuàng)新團隊建設(shè)計劃。
　　作者簡介：李世明，男，副教授，研究方向為計算機輔助教育、網(wǎng)絡(luò)安全、圖像處理。
　　
　　1.2 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力
　　在工程應(yīng)用或工程實施過程中，技術(shù)人員會經(jīng)常運用一些技巧性方法或思路去解決某些問題。因此，培養(yǎng)學(xué)生用發(fā)散思維和自主創(chuàng)新能力來解決設(shè)計過程中遇到的各種各樣問題尤為重要。
　　1.3 培養(yǎng)學(xué)生的信息檢索與挖掘能力
　　由于工程應(yīng)用過程中所遇到的問題具有多樣性，而快速解決這些問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。一個好的文檔不僅能夠清晰地反映設(shè)計者的思路，更有利于項目組內(nèi)人員之間的交流和合作。設(shè)計課中的設(shè)計內(nèi)容盡管無法與正規(guī)項目相比，但可通過它們來訓(xùn)練和提高學(xué)生的文檔撰寫能力。因此，本課程設(shè)計中學(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)生的溝通和表達能力
　　溝通是合作的基礎(chǔ)，項目組成員之間及時而無歧義的溝通能夠提高合作的質(zhì)量，加快項目的研發(fā)進度。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，中國家庭教育中對子女的溺愛使部分學(xué)生缺乏吃苦精神，甚至個別學(xué)生的心理承受能力也很弱。通過帶有一定強度壓力的課程設(shè)計實踐，讓他們提前感受日后工作的壓力和強度(盡管這種強度無法與企業(yè)的強度相比)，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)社會奠定基礎(chǔ)。
　　1.7 提高學(xué)生分析與解決問題的能力
　　在工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)的過程中，學(xué)生的獨立思考能力和分析解決問題的能力是決定設(shè)計能否按計劃進行的重要因素。在課程設(shè)計中，為提高學(xué)生的系統(tǒng)分析和邏輯推理能力，要求學(xué)生對問題先提出自己的解決方法并通過論證，然后幾個人在一起研討，無法解決的問題則由技術(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)計教學(xué)改革的具體實施步驟
　　2.1 學(xué)生的分組
　　為便于管理和了解學(xué)生的課程設(shè)計過程，對學(xué)生按每組10人進行分組；每組選出組長和副組長各1名，由組織能力強、技術(shù)好的同學(xué)擔(dān)任。
　　組長和副組長分別負責(zé)小組的人員管理(人力資源管理)、設(shè)計過程中的組織(如技術(shù)研討會等)、各組成員表現(xiàn)的評測(計入學(xué)生的總成績)等。為避免技術(shù)“強”“弱”兩極分化性分組，也為實現(xiàn)以“強”帶“弱”(讓學(xué)習(xí)和能力等方面強的同學(xué)“帶”相對較弱的同學(xué))，各組技術(shù)實力要均衡。這樣做也打破了過去學(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)計過程中的難關(guān)。
　　2.2 課程設(shè)計的選題和立意
　　為激發(fā)學(xué)生的興趣和動力，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)全體成員圍繞計算機組成原理內(nèi)容，利用信息檢索工具進行網(wǎng)絡(luò)調(diào)研，每人提交一個題目，并附題目介紹(提出的設(shè)計題目要注重基礎(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告，并交給全組學(xué)生去閱讀、研究和完善，同時讓全組學(xué)生理解該課程設(shè)計題目。
　　2.3 課程設(shè)計的主要過程
　　2.3.1 相關(guān)軟件的學(xué)習(xí)
　　由于在計算機組成原理課程中采用的是驗證性實驗，學(xué)生沒有學(xué)習(xí)過Xilinx ISE、ModelSim仿真工具和VHDL語言，故學(xué)生需要利用業(yè)余時間學(xué)習(xí)它們。為提高學(xué)習(xí)效率，實際中做法是每組指定2名自學(xué)能力強的學(xué)生先學(xué)習(xí)上述軟件及語言，其他同學(xué)則集中精力去做設(shè)計中的其他工作；然后，利用業(yè)余時間，這2名學(xué)生對各組內(nèi)沒有學(xué)習(xí)該軟件的同學(xué)進行快速培訓(xùn)，也讓他們對該軟件有所了解，培訓(xùn)程序能夠達到滿足本課程設(shè)計即可。
　　2.3.2 設(shè)計任務(wù)的分解
　　
　　由于設(shè)計任務(wù)對于學(xué)生而言較重，需要將任務(wù)按功能進行分解并分配給相應(yīng)成員。這些活動任務(wù)由兩位組長與技術(shù)骨干共同完成。在分配任務(wù)時，重點考慮了學(xué)生的動手能力、知識水平和自學(xué)能力對設(shè)計任務(wù)的影響。
　　在分解任務(wù)前，組長、副組長和技術(shù)骨干負責(zé)集中設(shè)計任務(wù)的總體規(guī)劃，組內(nèi)技術(shù)骨干圍繞核心問題進行深入剖析和研究，確定課題中的關(guān)鍵技術(shù)問題和難關(guān)，制訂進度報告，撰寫技術(shù)路線；一周后，組長組織召開組內(nèi)會議，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；然后組長分配任務(wù)給成員，并對每個任務(wù)采取任務(wù)驅(qū)動法，規(guī)定完成時間及要求。
　　2.3.3 定期舉行經(jīng)驗交流會
　　項目組定期在組內(nèi)進行交流活動，學(xué)生間相互介紹自己的研究內(nèi)容和心得，以利于大家共同提高和改進。對于在解決問題過程中產(chǎn)生的諸多問題，小組內(nèi)可隨時交流、尋找?guī)椭?可到組外尋求幫助)，定期對設(shè)計內(nèi)容進行檢查和總結(jié)。
　　2.3.4 撰寫工作日志
　　課程設(shè)計中要求每個學(xué)生都要撰寫工作日志，用來記錄自己在設(shè)計過程中產(chǎn)生的新穎的想法、遇到的新問題及其解決方案、尚未解決的問題、任務(wù)完成的情況和個人的經(jīng)驗體會等，以利于組內(nèi)人員之間的查詢和研發(fā)交流等；組長及核心技術(shù)骨干根據(jù)日志也能夠及時了解項目進展情況和相關(guān)技術(shù)問題的解決情況。
　　2.3.5 文檔規(guī)范與整理
　　在設(shè)計過程中，學(xué)生基本能夠做到規(guī)范撰寫文檔，并對文件能夠按樹型結(jié)構(gòu)科學(xué)合理地分類。每個組都能夠用工程應(yīng)用的思路撰寫課程設(shè)計的各種文檔，如需求分析、可行性分析、設(shè)計難點分析、系統(tǒng)框架、功能描述、實現(xiàn)方法、進度預(yù)估報告等，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)計的質(zhì)量保證
　　為保證課程設(shè)計的順利進行，確保設(shè)計內(nèi)容達到預(yù)期目標(biāo)，由老師和組長共同檢查項目進展情況，如研發(fā)進度、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題(包括產(chǎn)生的新問題)；此時，暫時放棄非必要的問題(在學(xué)術(shù)方面有意義問題可留待日后研究)，轉(zhuǎn)而圍繞課題設(shè)計進行，從而保證在有限時間內(nèi)完成設(shè)計任務(wù)。
　　2.3.7 成果匯總
　　在課程設(shè)計基本完成后，由技術(shù)骨干核查文檔的完備性等。當(dāng)對整個課題核查后，相關(guān)人員按技術(shù)骨干提出的核查結(jié)果和修改意見進行修改和完善。在最后一次實踐課中，每組各派1名代表在全體同學(xué)面前展示自己的設(shè)計成果，同學(xué)可以質(zhì)疑并提出一些問
　　
　　題并相互研討各項目的特點等。
　　2.4 評分標(biāo)準
　　由于此次課程設(shè)計改革成份很多，時間較短，按教學(xué)大綱安排于本學(xué)期前5周(共計20學(xué)時)；所以，本著鼓勵學(xué)生、激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新熱情為出發(fā)點，制訂如表1所示的評分指標(biāo)。
　　由上表中可以看出，組長對組員打分所占的比例是很高的，因為組長最了解學(xué)生的狀態(tài)，尤其是學(xué)生在業(yè)余時間所做的工作是教師不能直接觀察到的，同時便于組長調(diào)動組員工作。
　　3 實踐改革效果分析
　　在本教學(xué)改革方案實施后，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)在以下幾個方面。
　　3.1 學(xué)生學(xué)習(xí)由“被動”變?yōu)椤爸鲃印?br/>　　由于學(xué)生能夠親身體驗團隊合作帶來的益處，不僅能夠主動去學(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)動學(xué)生的積極性。另外，在設(shè)計過程中，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，例如，當(dāng)教師當(dāng)眾演示文檔編寫技巧后，部分學(xué)生能夠主動去學(xué)習(xí)這方面的技術(shù)以彌補自己的不足。
　　3.2 提高了合作能力
　　由于課程設(shè)計任務(wù)量大，學(xué)時少，學(xué)生僅憑個人力量無法完成，所以必須通過合作。因此，設(shè)計任務(wù)會使學(xué)生向合作方向發(fā)展。此外，當(dāng)學(xué)生遇到問題時，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，并且每個學(xué)生的工作日志中記錄了學(xué)生在設(shè)計過程中的重要細節(jié)，是學(xué)生和教師共同走過的痕跡，使學(xué)生無法去抄襲他人成果。
　　3.4 提高了對學(xué)生評價的客觀性
　　采用不同于傳統(tǒng)試卷定成績的做法，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)向為“應(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，引領(lǐng)學(xué)生突破思維定勢，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。
　　4 存在的問題及進一步改進措施
　　由于本方案實施時間短、次數(shù)少，還存在一些不足：評斷標(biāo)準需要進一步科學(xué)化，更能反映學(xué)生的綜合評測；學(xué)生選題用時控制需要加強，需要提高信息
　　
　　檢索能力和相關(guān)領(lǐng)域知識；存在個別學(xué)生不會合作，交流和溝通能力較弱；個別學(xué)習(xí)成績優(yōu)等的學(xué)生在合作方面表現(xiàn)得不如有些成績中等的學(xué)生；因時間關(guān)系導(dǎo)致在學(xué)術(shù)方面有意義的問題只能留待日后研究解決，等等。
　　對上述問題的解決方法是增加該教改模式的運用次數(shù)，向其他課程推廣，讓多門課程設(shè)計共同來提高學(xué)生的應(yīng)用型綜合能力。
　　5 結(jié)語
　　通過對“計算機組成原理課程設(shè)計”教學(xué)實踐改革的探索，總結(jié)了改革過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)計質(zhì)量奠定經(jīng)驗和基礎(chǔ)，也為在本科層次中培養(yǎng)出專業(yè)知識基礎(chǔ)扎實、創(chuàng)新意識強、善于自主學(xué)習(xí)和實踐動手能力強的計算機應(yīng)用型人才進行探索性實驗。隨著改革經(jīng)驗的不斷積累，本課程設(shè)計中的教改活動會做得越來越好。當(dāng)然，上述工作中也有很多亟待改進和提高的地方，只要將改革堅持下去，一定會在工程應(yīng)用型人才方面取得更好的培養(yǎng)效果。
　　
　　參考文獻：
　　[1] 張亮. 應(yīng)用EDA技術(shù)改革“計算機組成原理”課程設(shè)計[J]. 計算