刘二林，刘 宁，王玉锋

（济宁医学院 医学信息工程学院，山东 济宁 272068）

0 引 言

计算机组成原理作为计算机专业开设的一门专业核心课程，在现行传统的培养模式下，重理论、轻实践，授课模式单一，学生主体地位缺失，学生在学习过程中，团队合作精神、专业实践能力、综合素质（能力）未得到锻炼，造成学生能力与企业需求脱节，一方面企业求贤若渴，另一方面学生无法胜任岗位能力，造成就业难[1]。根据社会需求，结合学生的认知规律，在授课过程中引入CDIO 工程教育理念，并在此基础上，加入诚信教育元素，引入HCDIOR 教学模式，以具体真实的项目为驱动，以能力大纲为基础，以CDIO 的12 条标准[2]为纲领，以组建计算机组成原理为核心的课程群为依据，开放实验为辅助，双导师为保障，实现学生以主动的、实践的、课程之间有联系的方式参与学习，实现知识的获取与能力培养。

1 CDIO理念引入教学

CDIO[3]工程教育模式是2006 年引入我国的先进的教育理念和方法，CDIO 代表构思（conceive）－设计（design）－实现（implement）—运作（operate）和项目式教学实施方式，旨在培养学生的工程实践能力，以CDIO 的12 条标准实现能力与课程的衔接，在实践中提高技能，使学生的技术知识和推理能力、个人职业能力、团队交流能力、系统工程能力得到显著提高。CDIO 模式与我国现行的高等教育对计算机专业学生的培养目标（知识、技能、能力和素质4 部分）高度契合，更以其可行性、可操作性，得到众多高校的响应。通过学生的各种“做”——观察、实验、探究、体验组织实施，通过项目活动获取知识经验，再将经验根据自身原有的知识进行改造，提升能力[4]。实施后，通过学生及业界的反馈，进一步调整能力大纲，实现良性循环，制订培养计划，构建硬件课程群，创新教学模式，开放实验项目，提高学生的工程实践能力和创新意识。

2 CDIO的传承发展

2.1 能力大纲

通过实习、就业单位及校友的问卷调查反馈发现，学生理论知识扎实，诚实守信，但项目的解读能力、团队协作能力、实践能力较弱，因此，针对工科学生毕业时应学到的全部知识、能力、态度和掌握水平组织教学，并设计能力大纲（如图1 所示）。改变过去由学校一方制订培养方案的做法，经由企业、校友反馈，通过需求分析，反向设计能力大纲[5]，正向课程群实施，实现企业所需求的技术能力即为应传授的知识技能，做到学以致用。

图1 CDIO 能力大纲分解

2.2 教学模式

传统的以教师为主模式下，教师为课堂的主体（授课内容过于精细化），学生被动接受知识，只是按部就班地完成教学任务，缺少积极思考，创造性并未得到充分展现，转变为以学生中心的教学模式后，以具体事例驱动培养学生主动学习、主动思考、学会学习的能力，在HCDIOR模式下，教师的职责在教学中以结合具体案例贯穿CDIO 的实施为抓手（如图2、图3 所示）。教学活动中师生各司其职，共同参与，构建学习共同体。在案例讲解环节[6]，严格按照构思—设计—实施—运作的流程展示给学生，而不是针对已经做好的项目或系统为学生分析每句代码、每个器件的功能，而更多关注如何选择所需器件，如何连接、如何测试、如何纠错、如何完善。以需求分析—构建各功能模块—解读所需硬件知识和技术，搭建平台，将方案予以实施—对硬件进行验证为流程进行实施。

图2 案例教学活动流程

图3 CDIO模式下的教学活动的实施

2.3 课程群

应以课程群的知识点融入具体项目，而不是以单独的课程形式呈现，打破课程间的壁垒，实现课程内容重组与优化，并调整内容和时序，以整体思路把计算机组成原理向前与数电、模电延伸，向后与接口技术、汇编语言、体系结构等以课程群方式组建[7]，实现以课程间有机联系的方式学习，融合课程群内知识，采用自上而下的设计理念，由整体到局部，项目需要什么知识点，就针对性地传授相关知识。为学生提供各个项目的构思—设计—实施—运行的流程，把课程所需的知识能力、能力培养目标融入教学形成一个整体。以计算机组成原理为基础，把内容紧密、有联系的不同课程以课程群形式展现，打破传统教学内容的屏障，实现从内容分配、学时、先后顺序重组、整合、优化，“串联”各知识点，融会贯通。具体项目实施时，淡化硬件内部工作原理，注重实效性，强调芯片、器件、设备的外部特性和接口。

2.4 HCDIOR 的实施

在具体项目的实施过程中，学生不再是被动地接受知识，而是主动地思考，积极地表达，师生之间相互促进，共筑学习共同体[8]，并把HCDIOR 各环节贯穿项目实施过程中（如图4 所示）。

1）H（honesty）诚信阶段。

当代大学生需要担负起社会赋予的光荣历史使命，成为同龄人的表率。理应表现出阳光、自信、坚强、成熟。我们在开学之初就开设专业思想课，秉承立德树人的理念，开设孔子、孟子大讲堂，大学生青年论坛等活动宣扬传统文化和传统美德，树立诚实守信，诚信代码，开设诚信考场，并签署诚信承诺书，对失信学生，将在评奖、评优时一票否决。

图4 基于CDIO 的师生活动

2）C（conceive）构思阶段。

教师结合自身工程实践经验，以软件开发、软件测试专业学生为对象，选取计算机组成原理中基于微程序控制器的简单计算机系统设计与实现——即小型CPU 的设计实现为例进行教学。此项目贯穿计算机组成原理所有章节内容，并涉及部分数字电子技术、微机接口技术，是一个综合型项目，能较好地体现HCDIOR 的流程。首先通过微信公众号提前下达任务书，学生利用前期实验和所学知识，选择适当的芯片，设计简单的计算机系统；然后完成数据通路设计；以自己所设计的计算机系统为硬件环境，设计出完成指定功能的各指令周期流程图。具体要求：①支持算术运算、逻辑运算、存储器读写、寄存器间数据传送；②支持立即数寻址、直接寻址、隐含寻址、寄存器寻址等寻址方式；③运行自己设计的指令系统构成的程序，程序执行功能正确；④画出模型计算机系统的原理框图和器件连接图；⑤布线、调试、验收。

根据提示用到的技术、知识点，明确步骤、方法，整个项目以学生为主，根据学生能力情况进行分组，7 人组成一个团队，其中选派一名惠普实训中心高年级有实训经验的学长为组长，在组长的引领下小组成员分工合作，根据项目任务书查阅资料，进行头脑风暴和构思，制订初步方案，把项目分为运算通路模块、存储模块、选择电路模块、时序电路模块、机器指令模块，据此确定所需芯片、器件，整个构思过程以学生为主，每天制订明确的任务，第二天的内容是前一天内容的扩展和延伸。教师以项目组织者、指导者、协作者的身份深入其中，实现共同学习、共同进步，改变传统的师生关系，成为学习共同体。

3）D（design）设计阶段。

教师对各小组提交的构思方案进行审阅，对方案中的亮点予以肯定，对方案存在的问题予以集中答疑；学生根据教师反馈，小组成员集体协商，讨论并予以修改、完善。方案中提倡模块化设计，使各小模块功能相对简单。

4）I（implement）实施阶段。

根据设计方案，按方案逐步实施，选择硬件设备和所需芯片，实现硬件设备的安装、搭建，在实施阶段遇到问题，共同探讨解决，教师予以指导，引导学生从课程群中找到知识点原型，通过此阶段的实施，拓展学生知识的深度、广度，使其对课程群中的知识点有更深刻的认识和理解，实现由抽象理论—具体项目—理论指导实践的良性循环。

5）O（operate）运行阶段。

此阶段主要就搭建CPU 的硬件平台予以测试、验证，解决调试过程中遇到的问题并形成阶段性成果，以适当的形式予以展示，接受教师、学生的评议。

6）R（recycle）再循环阶段。

项目实施过程中，为学生建立学生画像——电子档案，记录学生在项目中知识运用、能力体现情况，同时结合项目开展情况，要求学生提交自评报告和团队总结报告，以便教师掌握学生的知识变化规律，提高项目设计能力，同时，随着学生专业素养和综合能力的提升，驾驭项目的能力更强，师生形成良性循环，为后续开展的医工结合项目——健康物联网和CPU 的设计积累经验。

2.5 考核

CDIO 理念下的考核方式采用有别于传统的期末笔试成绩+实验报告成绩方式，采用了淡化笔试成绩、强化过程的考核方式，且考核过程贯穿整个项目实施过程。在布置任务阶段，通过公众号推送项目任务书，学生预习、查阅并对实验知识储备进行测试，通过测试方能进入项目环节。采用多样化的考试方式，强化过程考核[9]，如口试（10%）+差别化答辩（基础较好学生，着重考查设计创新点；基础水平一般学生，观察学生在项目中的平时表现）（20%）+实习报告（10%）+团队小组成绩（15%）+课堂汇报中的表现（5%）+期末成绩（40%），以了解学生知识掌握情况。

3 保障措施

3.1 提升教师能力

CDIO 教学理念的实施，部分改变了教师的身份，教师不再仅仅是知识的传授者，更应是项目的指导者、协调者、共同参与者，与学生一起成为学习共同体，因此，教师除具有渊博的理论知识外，还应具备丰富的实践项目经验，为此，应鼓励教师利用假期去校企合作企业学习，提升项目实践能力，并利用与企业联合申请项目的机会，深入企业了解岗位能力需求。针对学生培养方案中的不足之处，重新整合教学资源，适时调整培养方案和能力大纲，与此同时，邀请校内具有工程实践经验的教师利用假期对理论课教师进行培训，针对校内的设备、培养要求和培养标准制订专门的培训内容，提高教师的专业技能水平。

3.2 为学生配备专业导师

为全面了解学生专业学习动态，及时准确予以“精准帮扶”，可为每名学生配备校内校外导师，实现校内校外共同培育，弥补校内教师工程能力的不足。

3.3 开放实验室

为扩展项目及实现科研反哺教学，使学生了解最前沿的学科动态、技术，应为学有余力、有兴趣的学生提供开放实验项目，延伸实验室功能。学生可以通过学分教务系统进行开放实验预约，开放实验项目一般是教师申报项目的子课题，同时开放项目也是教师课题项目结题验收的重要因素，这从制度层面密切了教师与学生关系。经过开放实验的洗礼，学生的视野更开阔，综合能力得到提高，可以提升下阶段设计项目的起点，实现项目（实践技能）难度的提升。

3.4 强化校企合作，注重实战

1）顶岗实习。

以济宁医学院为例，软件开发、软件测试专业采用了3+1 培养模式，即3 年在校内学习，1年在企业（惠普）顶岗实习，综合运用所学理论知识和技能完成一定具体的任务。为督促企业积极响应并提供顶岗实习岗位，对学生实习进行考核的同时，也加强了对企业的监管。

2）引企入校。

把企业的实训、项目的研发中心引入学校。济宁医学院成立了惠普工作室、纬库工作室、秒视工作室、双惠医疗器械工作室，在校内实现了理论与实训的结合，为学生提供便利实训机会的同时，使得教师与企业交流、沟通更加便捷。

3）以赛代练。

在开放实验的基础上，完善实验项目的功能，组建参赛团队，促进HCDIOR 理念开花结果。2015—2018 年以来，我校获齐鲁软件设计大赛二等奖3 次、ACM 三等奖2 次、机器人大赛二等奖3 次、信息安全大赛二等奖2 次、全国高校物联网应用创新大赛二等奖、山东省互联网+大学生创业大赛金奖、中国互联网+大学生创新创业银奖，申请大学生国家创新项目23项。通过大赛的洗礼，学生能力得以锻炼，团队合作能力得以加强，自信心显著提升，形成了良好的学习风气，对实验教学的开展起到良好的促进作用。

4 结 语

济宁医学院在计算机专业具体CDIO 的实施过程中，结合医工特色，以综合素质能力为基础，以社会需求为抓手，以强化实践能力为目标的“四项原则[10]”为基础，并结合专业思想教育进行诚信教育，通过具体项目的构思、设计、实现、运作，在引入CDIO 模式的基础上，加入诚信、循环元素，构建了HCDIOR 的模式，以具体项目为载体，全面培育了学生的构思—设计—实施—运作的能力，做到学思联系、知行统一，提升了学生的工程实践能力。通过对2014—2016 级每级两个班学生（其中2014 级120 人、2015 级118 人、2016 级120 人）进行的调查问卷及业界反馈数据的分析（如图5 所示），证明了HCDIOR 教学模式的有效性和实用性。

图5 HCDIOR 教学效果分析