關(guān)鍵詞：課程思政；CDIO；教學(xué)實踐；計算機(jī)組成原理

1 背景

計算機(jī)組成原理作為應(yīng)用型本科院校計算機(jī)類專業(yè)的必修課程，在教學(xué)過程中側(cè)重計算機(jī)硬件原理的講授，對學(xué)生構(gòu)建馮·諾依曼計算機(jī)知識體系結(jié)構(gòu)，理解計算機(jī)從硬件原理到軟件運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)至關(guān)重要[1]。由于當(dāng)下計算機(jī)元器件高度集成化以及芯片功能復(fù)雜化，硬件原理相關(guān)教學(xué)內(nèi)容在教師講授和學(xué)生學(xué)習(xí)過程中存在直觀性較差、抽象程度較高等問題。教師通常從電路原理圖入手，采用傳統(tǒng)的講授法授課，而學(xué)生在理解基本元器件功能到集成芯片功能方面還存在較大鴻溝。長期以來，計算機(jī)組成原理課程面臨著教師難教、學(xué)生難學(xué)的“兩難”問題[2]。此外，應(yīng)用型本科院校的學(xué)情還有其特殊性：學(xué)生對電阻、電容、電感、二極管、三極管等基本硬件原理掌握不夠扎實，在學(xué)習(xí)或、與、非、異或等邏輯電路時往往需要重新復(fù)習(xí)基本硬件知識，進(jìn)而導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)芯片原理時較為吃力；學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過程中深入探索的意愿不足，自主學(xué)習(xí)能力一般[3]。如果在有限的教學(xué)學(xué)時中貪大求全，追求面面俱到，只注重嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撝v授而忽視感性的實驗驗證，勢必會造成學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)畏難情緒，進(jìn)而導(dǎo)致課程學(xué)習(xí)效果不佳，學(xué)生動手實踐能力得不到充分鍛煉，應(yīng)用型教學(xué)目標(biāo)難以達(dá)成。本論文作者通過總結(jié)多年來計算機(jī)組成原理課程的教學(xué)經(jīng)驗，結(jié)合應(yīng)用型本科院校的教學(xué)目標(biāo)要求以及學(xué)生學(xué)情，針對教學(xué)過程中存在的“兩難”情況，有目的地精簡理論教學(xué)內(nèi)容，在理論教學(xué)過程中增加硬件原理的驗證實驗，不斷提升學(xué)生對硬件原理的感性認(rèn)知和課堂參與度；結(jié)合CDIO（Conceive、De?sign、Implement、Operate） 工程教育理念[4]，合理安排綜合設(shè)計性實驗，注重對學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)；為有效將思想政治教育工作貫穿教育教學(xué)全過程，結(jié)合計算機(jī)硬件領(lǐng)域的最新發(fā)展成果，深入挖掘課程思政元素，建立了課程思政案例庫，明確了各個案例在教學(xué)過程中的切入點和切入方式，幫助學(xué)生牢固樹立愛國主義思想以及正確的世界觀、人生觀、價值觀。

2 具體舉措

下面將從課程內(nèi)容的優(yōu)化、CDIO理念的實施以及課程思政的融入三個方面介紹計算機(jī)組成原理教學(xué)實踐的改革。

2.1 課程內(nèi)容的優(yōu)化

相較于研究型本科院校，應(yīng)用型本科院校計算機(jī)類專業(yè)人才培養(yǎng)方案更注重學(xué)生對計算機(jī)基本原理的理解和基本技能的應(yīng)用，不盲目追求前沿與精深[5]。因此，有必要對鄂爾多斯應(yīng)用技術(shù)學(xué)院計算機(jī)組成原理課程中現(xiàn)有的理論內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化的原則有：

1） 對于不能反映當(dāng)前計算機(jī)發(fā)展水平的過時內(nèi)容進(jìn)行精簡，例如CRT 顯示器、機(jī)械式鼠標(biāo)原理、Sparc指令系統(tǒng)等內(nèi)容；增加對計算機(jī)前沿知識的介紹，例如超級計算機(jī)、量子計算機(jī)、DDR-5、國產(chǎn)CPU 和指令系統(tǒng)以及ARM等內(nèi)容。

2） 對于理論、原理較為復(fù)雜，不符合應(yīng)用型人才培養(yǎng)要求的內(nèi)容進(jìn)行精簡或弱化，例如乘法器、除法器的硬件原理，超標(biāo)量、超流水處理機(jī)原理，浮點運算器原理等，虛擬內(nèi)存的硬件實現(xiàn)，時序原理等。

3） 增加驗證實驗，強(qiáng)化學(xué)生對基本元器件、基本芯片原理的認(rèn)知；例如增加74LS181 ALU 芯片、74LS299移位運算芯片、74LS245寄存器芯片、6264內(nèi)存芯片以及74LS139片選控制等芯片的基本原理驗證實驗；合理安排綜合性、設(shè)計性實驗，增強(qiáng)學(xué)生對計算機(jī)指令系統(tǒng)的分析設(shè)計和實現(xiàn)能力，加深學(xué)生對計算機(jī)各硬件部件協(xié)調(diào)工作過程的理解。

以上優(yōu)化措施使得本課程的理論和實踐內(nèi)容更加與時俱進(jìn)，突出了對基本理論和重要原理的講授，強(qiáng)調(diào)了學(xué)生對常用集成芯片功能的理解和應(yīng)用，符合應(yīng)用型本科院校對基本理論和實踐技能的要求。

2.2 CDIO 理念的實施

圍繞應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，為在計算機(jī)組成原理課程中貫徹執(zhí)行CDIO工程教育理念，不斷提升學(xué)生對計算機(jī)基本原理的理解和基本技能的應(yīng)用，課程組于2021年引入MH800-CP226型計算機(jī)組成原理實驗箱（如圖1所示）用于鄂爾多斯應(yīng)用技術(shù)學(xué)院計算機(jī)組成原理課程實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，有效支撐了CDIO理念在教學(xué)過程中的實踐?；谠搶嶒炂脚_開設(shè)的實驗如表1所示。

基于MH800-CP226型計算機(jī)組成原理實驗箱，共計安排設(shè)計了16學(xué)時的實驗，其中包括8學(xué)時的驗證型實驗和8學(xué)時的設(shè)計性實驗，這些實驗基本滿足了本課程主要原理的驗證和基本技能的實踐需求。為了培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作精神（同時受現(xiàn)有實驗設(shè)備數(shù)量不足的限制），實驗以小組為單位進(jìn)行，每組選舉產(chǎn)生組長，由組長負(fù)責(zé)組織本組實驗的開展。學(xué)生需要記錄實驗結(jié)果，并填寫實驗報告冊，實驗環(huán)節(jié)考核依據(jù)為實驗過程和實驗報告的完成情況，采用百分制計分，并按照課程大綱要求進(jìn)行折算后計入該課程總分。

CDIO理念主要體現(xiàn)在設(shè)計性實驗中。例如，在基本模型機(jī)的設(shè)計與實現(xiàn)過程中，以小組為單位進(jìn)行，小組選舉組長，組長帶領(lǐng)組員從微程序分析入手，安排組員合作完成程序設(shè)計、代碼輸入以及運行實現(xiàn)。組長根據(jù)各組員對實驗的貢獻(xiàn)進(jìn)行評分，作為組內(nèi)學(xué)生個人實驗成績的依據(jù)之一；而組長的成績則由授課教師根據(jù)實驗報告情況給出，這體現(xiàn)了以學(xué)生為主、教師引導(dǎo)的工程教育理念。

2.3 課程思政的融入

深入挖掘?qū)I(yè)課程教學(xué)方式中蘊(yùn)含的思想政治教育資源，是實現(xiàn)全員全程全方位育人的重要舉措[4]。在我國新時代經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展的背景下，計算機(jī)組成原理課程作為一門原理性、技術(shù)性較強(qiáng)的工科課程，其內(nèi)在蘊(yùn)含著豐富的思想政治教育資源[6]。為深入落實“立德樹人”的根本任務(wù)，課題組結(jié)合計算機(jī)領(lǐng)域前沿知識，深入挖掘本課程中的思政資源，建立了課程思政案例庫。結(jié)合課程教學(xué)內(nèi)容，合理設(shè)計了每一次課的思政切入點和切入方式，力求使課程思政對學(xué)生思想產(chǎn)生潛移默化的影響效果。

基于CDIO理念和課程思政的應(yīng)用型本科院校計算機(jī)組成原理教學(xué)實踐如圖2所示。在該教學(xué)實踐中，理論教學(xué)通過結(jié)合案例的講授式教學(xué)開展，個人實踐能力訓(xùn)練和團(tuán)隊項目能力訓(xùn)練則通過驗證性和設(shè)計性實驗展開，重點突出學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過程中的主體地位。學(xué)生在理解計算機(jī)基本原理、掌握基本計算機(jī)應(yīng)用技能的同時，授課教師也要充分發(fā)揮引導(dǎo)、啟發(fā)、監(jiān)控教學(xué)的功能。在所有的教學(xué)環(huán)節(jié)中，我們深入結(jié)合授課內(nèi)容，適時開展課程思政教育，充分發(fā)揮專業(yè)課教師思政育人的職能。例如，在講授總線通信時，我們指出電磁波可以代表二進(jìn)制數(shù)據(jù)，進(jìn)而介紹了為什么涉密計算機(jī)不允許插優(yōu)盤、涉密計算機(jī)的電源插頭不能插在普通插座上的原因，從而加深了學(xué)生對計算機(jī)保密工作的認(rèn)識。

3 成效及存在問題

自2021年以來，課程組連續(xù)三年在計算機(jī)組成原理教學(xué)實踐中采用新的教學(xué)實踐模式，并取得了較好的效果。為進(jìn)行對比，選擇了2020年未采用新教學(xué)實踐模式的數(shù)據(jù)作為參照，如圖3所示。

可以看出，由于加入了實驗環(huán)節(jié)的考核，成績構(gòu)成更全面地體現(xiàn)了對學(xué)生理論和實踐環(huán)節(jié)的考核。實驗環(huán)節(jié)反過來也深化了學(xué)生對理論的理解，學(xué)生整體及格率也隨之逐年遞增。在2020年的教學(xué)實踐過程中，采用軟件模擬硬件開展實驗教學(xué)，但這種方式對學(xué)生動手能力的鍛煉不足，學(xué)生直觀體會不深。而2021年至2023年新型教學(xué)實踐的實施，特別是設(shè)計性實驗的實施，使得學(xué)生動手實踐能力得到了較為充分的鍛煉，學(xué)生課程參與程度隨之提升，學(xué)生對課程的滿意程度、教學(xué)督導(dǎo)對課程的評價也逐年提升。

在教學(xué)實踐中，也發(fā)現(xiàn)了一些問題：受限于實驗設(shè)備的短缺，部分組別的實驗不能保證當(dāng)堂內(nèi)完成，需要利用課后時間繼續(xù)實驗，這導(dǎo)致學(xué)生實驗體驗較差，且過程性評分存在波動。此外，還缺少對SRAM、DRAM存儲原理等內(nèi)容的演示實驗設(shè)備，結(jié)合理論課程開展的演示實驗較少。同時，符合CDIO理念的教學(xué)學(xué)時偏少，貫徹落實存在不足。

4 結(jié)束語

本文基于鄂爾多斯應(yīng)用技術(shù)學(xué)院計算機(jī)組成原理課程組多年的教學(xué)實踐，基于CDIO理念和課程思政，針對應(yīng)用型本科院校學(xué)生特點，優(yōu)化了教學(xué)內(nèi)容，建立了課程思政案例庫，改革了教學(xué)實踐模式，突出了應(yīng)用型人才培養(yǎng)的基本要求。經(jīng)過三年的實踐，在及格率、學(xué)生評價、督導(dǎo)評價等方面取得了一定的成效。受教改項目的推動，課題組已申請建設(shè)計算機(jī)組成原理實驗室，預(yù)計將于2024年建設(shè)完成并投入使用。該實驗室除了能夠滿足計算機(jī)組成原理課程實踐環(huán)節(jié)的需要外，還配備了基本的嵌入式開發(fā)環(huán)境。屆時，它將從根本上解決我校計算機(jī)組成原理課程開設(shè)過程中面臨的主要問題。