工程应用型人才培养看计算机组成原理课程设计

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摘 要:针对计算机专业本科生存在的应用能力弱、工程研发能力不足、科研创新意识匮乏、重视软件而轻视硬件的状况,在分析学生现状及国内外相关教改成果的基础上,结合计算机组成原理课程设计实践,阐述了以工程研发为背景的应用型本科人才培养的观点.


关 键 词:工程应用型;创新意识;发散思维;协同合作

在计算机科学与技术专业中,计算机组成原理一直作为核心基础课而备受重视,有些专业(如嵌入式)也将它作为必修课;但是,课程自身的难度及其对硬件知识的高要求性使得它被公认为是枯燥和难学的课程.因此,关于它的教学改革成为谈论热点.截止2011年11月,在“中国知网”中以“计算机组成原理”为关 键 词就会检索到八百六十多条记录,而发表在《计算机教育》的文章就有一百多篇,可见该课程极受大家的关注.

为了提高学生对计算机原理的理解程度,往往课程学习之后,要进行课程设计活动,从原理理论到具体设计加深学生对计算机组成原理的理解,达到理论和实践相互促进的目的,提高学生的动手能力和工程应用能力,培养学生的创新意识和协同合作的能力.

对于计算机组成原理的课程设计,国外大学如美国斯坦福大学的计算机系要求学生能够独立用VHDL语言实现CPU或VGA显示控制模块等,并最终在FPGA中完成软硬件调试[1].此外,麻省理工学院计算机系统设计课程也要求学生自主完成ALU等设计.在国内,大多数院校对该课程设计以模型机设计居多,近年来采用VHDL语言进行设计成为流行趋势,如哈尔滨工业大学在计算机组成原理的实验中直接采用XilinxISE集成开发环境和

ModelSim仿真工具的做法[2],用设计性实验来代替验证性实验.

在综合多方面信息和我院学生实际情况的基础上,对如何开设好计算机组成原理课程设计课进行调研、分析和论证,为切实提高学生的实践应用能力,决定采用XilinxISE、ModelSim和VHDL语言的设计性实践方法.在课程设计的选题方面,我们摈弃过去老师指定题目的做法,采用学生自主选题、老师把关的办法,让学生做自己感兴趣的题目,充分发挥学生的自主性、创造性和积极性,培养学生的创新意识并向具有良好合作能力的工程应用型人才[3]方向发展.

1课程设计教学改革的总目标

为保证计算机组成原理课程设计的教学改革能够顺利实施,现根据学科发展和学生的实际情况,我们制订了本次教学改革的总目标,如图1所示,以确保改革实施具有明确的目的性和方向性.

1.1培养学生的协同合作能力

目前,众多的企业项目的研发工作都是以团队的形式来完成的.为使学生在毕业后的工作中能够适应团队合作,需要对学生进行合作能力的培养和训练,尤其是团队合作意识和合作素质,这一点非常重要.

基金项目:黑龙江省智能教育与信息工程重点实验室;黑龙江省计算机应用技术重点学科(081203);哈尔滨师范大学科技创新团队建设计划.

作者简介:李世明,男,副教授,研究方向为计算机辅助教育、网络安全、图像处理.

1.2培养学生的创新意识和创新能力

在工程应用或工程实施过程中,技术人员会经常运用一些技巧性方法或思路去解决某些问题.因此,培养学生用发散思维和自主创新能力来解决设计过程中遇到的各种各样问题尤为重要.

1.3培养学生的信息检索与挖掘能力

由于工程应用过程中所遇到的问题具有多样性,而快速解决这些问题的方法之一就是利用目前常用的搜索引擎工具搜索他人关于该问题的解决方法或思路.在检索信息方面,不同检索能力的人会得到不同的检索结果,检索能力弱的人搜索到的信息不够全面或深入.所以,要培养学生具有较强的信息搜索技术和能力.在检索中,学生的创新思想和发散思维会提高检索质量,获得与众不同的检索结果;反之,这些与众不同的检索结果又会启发学生产生新的灵感.

1.4培养学生规范的文档撰写能力

项目研发中文档的重要性是不言而喻的,撰写文档自然成为工程技术人员或研发人员的必备能力.一个好的文档不仅能够清晰地反映设计者的思路,更有利于项目组内人员之间的交流和合作.设计课中的设计内容尽管无法与正规项目相比,但可通过它们来训练和提高学生的文档撰写能力.因此,本课程设计中学生必须上交所有的开发文档,并且文档要符合规范.

1.5培养学生的沟通和表达能力

沟通是合作的基础,项目组成员之间及时而无歧义的沟通能够提高合作的质量,加快项目的研发进度.所以,激发学生在交流和沟通中的灵感和创意,培养大学生良好的沟通能力,改变其“死读书”和“读死书”的习惯,将促进学生更加努力地研究课题.

1.6培养学生吃苦精神和抗压心理素质

目前,大学生普遍为80后或90后,中国家庭教育中对子女的溺爱使部分学生缺乏吃苦精神,甚至个别学生的心理承受能力也很弱.通过带有一定强度压力的课程设计实践,让他们提前感受日后工作的压力和强度(尽管这种强度无法与企业的强度相比),锻炼和提高他们的心理素质,为他们大学毕业后能够适应社会奠定基础.

1.7提高学生分析与解决问题的能力

在工程应用型人才培养的过程中,学生的独立思考能力和分析解决问题的能力是决定设计能否按计划进行的重要因素.在课程设计中,为提高学生的系统分析和逻辑推理能力,要求学生对问题先提出自己的解决方法并通过论证,然后几个人在一起研讨,无法解决的问题则由技术骨干及教师在一起研讨,然后将解决方案讲解给大家听.

2课程设计教学改革的具体实施步骤

2.1学生的分组

为便于管理和了解学生的课程设计过程,对学生按每组10人进行分组;每组选出组长和副组长各1名,由组织能力强、技术好的同学担任.

组长和副组长分别负责小组的人员管理(人力资源管理)、设计过程中的组织(如技术研讨会等)、各组成员表现的评测(计入学生的总成绩)等.为避免技术“强”“弱”两极分化性分组,也为实现以“强”带“弱”(让学习和能力等方面强的同学“带”相对较弱的同学),各组技术实力要均衡.这样做也打破了过去学生“单兵作战”的局面.除上述角色外,要确定组内核心骨干力量,专门攻克设计过程中的难关.

2.2课程设计的选题和立意

为激发学生的兴趣和动力,采取学生自主选题与指导教师把关相结合的办法.当各组成员确定后,组内全体成员围绕计算机组成原理内容,利用信息检索工具进行网络调研,每人提交一个题目,并附题目介绍(提出的设计题目要注重基础性、工程性、可操作性、可行性);然后组内研讨并确定三个备选题目,再由组内骨干力量与指导教师共同把关确定课程设计题目(题目确定后,不得更改),组织学生撰写课题的可行性研究报告,并交给全组学生去阅读、研究和完善,同时让全组学生理解该课程设计题目.

2.3课程设计的主要过程

2.3.1相关软件的学习

由于在计算机组成原理课程中采用的是验证性实验,学生没有学习过XilinxISE、ModelSim仿真工具和VHDL语言,故学生需要利用业余时间学习它们.为提高学习效率,实际中做法是每组指定2名自学能力强的学生先学习上述软件及语言,其他同学则集中精力去做设计中的其他工作;然后,利用业余时间,这2名学生对各组内没有学习该软件的同学进行快速培训,也让他们对该软件有所了解,培训程序能够达到满课程设计即可.

2.3.2设计任务的分解

由于设计任务对于学生而言较重,需要将任务按功能进行分解并分配给相应成员.这些活动任务由两位组长与技术骨干共同完成.在分配任务时,重点考虑了学生的动手能力、知识水平和自学能力对设计任务的影响.

在分解任务前,组长、副组长和技术骨干负责集中设计任务的总体规划,组内技术骨干围绕核心问题进行深入剖析和研究,确定课题中的关键技术问题和难关,制订进度报告,撰写技术路线;一周后,组长组织召开组内会议,组内技术代表介绍课题的总体规划、任务分解情况;然后组长分配任务给成员,并对每个任务采取任务驱动法,规定完成时间及要求.

2.3.3定期举行经验交流会

项目组定期在组内进行交流活动,学生间相互介绍自己的研究内容和心得,以利于大家共同提高和改进.对于在解决问题过程中产生的诸多问题,小组内可随时交流、寻找帮助(可到组外寻求帮助),定期对设计内容进行检查和总结.

2.3.4撰写工作日志

课程设计中要求每个学生都要撰写工作日志,用来记录自己在设计过程中产生的新颖的想法、遇到的新问题及其解决方案、尚未解决的问题、任务完成的情况和个人的经验体会等,以利于组内人员之间的查询和研发交流等;组长及核心技术骨干根据日志也能够及时了解项目进展情况和相关技术问题的解决情况.

2.3.5文档规范与整理

在设计过程中,学生基本能够做到规范撰写文档,并对文件能够按树型结构科学合理地分类.每个组都能够用工程应用的思路撰写课程设计的各种文档,如需求分析、可行性分析、设计难点分析、系统框架、功能描述、实现方法、进度预估报告等,基本做到了思路清晰、任务明确和结构合理.

2.3.6课题设计的质量保证

为保证课程设计的顺利进行,确保设计内容达到预期目标,由老师和组长共同检查项目进展情况,如研发进度、任务完成情况、是否偏题、完成质量、文档是否完备等.除此之外,也注意到各组都存在一些没有解决的问题(包括产生的新问题);此时,暂时放弃非必要的问题(在学术方面有意义问题可留待日后研究),转而围绕课题设计进行,从而保证在有限时间内完成设计任务.

2.3.7成果汇总

在课程设计基本完成后,由技术骨干核查文档的完备性等.当对整个课题核查后,相关人员按技术骨干提出的核查结果和修改意见进行修改和完善.在最后一次实践课中,每组各派1名代表在全体同学面前展示自己的设计成果,同学可以质疑并提出一些问

题并相互研讨各项目的特点等.

2.4评分标准

由于此次课程设计改革成份很多,时间较短,按教学大纲安排于本学期前5周(共计20学时);所以,本着鼓励学生、激发学生创新热情为出发点,制订如表1所示的评分指标.

由上表中可以看出,组长对组员打分所占的比例是很高的,因为组长最了解学生的状态,尤其是学生在业余时间所做的工作是教师不能直接观察到的,同时便于组长调动组员工作.

3实践改革效果分析

在本教学改革方案实施后,很受学生的欢迎,基本上收到了改革预期的效果,主要体现在以下几个方面.

3.1学生学习由“被动”变为“主动”

由于学生能够亲身体验团队合作带来的益处,不仅能够主动去学习、查阅资料,而且锻炼和提高其他方面的基本技能,从根本上调动学生的积极性.另外,在设计过程中,学生也看到自己在基本专业技术方

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面的欠缺并着手弥补,例如,当教师当众演示文档编写技巧后,部分学生能够主动去学习这方面的技术以弥补自己的不足.

3.2提高了合作能力

由于课程设计任务量大,学时少,学生仅凭个人力量无法完成,所以必须通过合作.因此,设计任务会使学生向合作方向发展.此外,当学生遇到问题时,相互之间的研讨也提高了他们的沟通、交流和合作能力.

3.3减少了抄袭现象

由于各组题目不同,并且每个学生的工作日志中记录了学生在设计过程中的重要细节,是学生和教师共同走过的痕迹,使学生无法去抄袭他人成果.

3.4提高了对学生评价的客观性

采用不同于传统试卷定成绩的做法,能够从多种角度反映学生的综合素质,能够让学生摆脱过去的“背诵”学习方式,转而采用研讨学习,有利于提高学生的创新能力.

3.5小结

总之,采用这种教学改革模式,将学生从“做题型”转向为“应用型”;而教师也由施教者变成学生的辅导者、合作者和顾问,引领学生突破思维定势,培养学生的创新意识.

4存在的问题及进一步改进措施

由于本方案实施时间短、次数少,还存在一些不足:评断标准需要进一步科学化,更能反映学生的综合评测;学生选题用时控制需要加强,需要提高信息

检索能力和相关领域知识;存在个别学生不会合作,交流和沟通能力较弱;个别学习成绩优等的学生在合作方面表现得不如有些成绩中等的学生;因时间关系导致在学术方面有意义的问题只能留待日后研究解决,等等.

对上述问题的解决方法是增加该教改模式的运用次数,向其他课程推广,让多门课程设计共同来提高学生的应用型综合能力.

5结语

通过对“计算机组成原理课程设计”教学实践改革的探索,总结了改革过程中的成功与不足之处,明确了改革的方向,确定了一些改革措施,为提高下一次课程设计质量奠定经验和基础,也为在本科层次中培养出专业知识基础扎实、创新意识强、善于自主学习和实践动手能力强的计算机应用型人才进行探索性实验.随着改革经验的不断积累,本课程设计中的教改活动会做得越来越好.当然,上述工作中也有很多亟待改进和提高的地方,只要将改革坚持下去,一定会在工程应用型人才方面取得更好的培养效果.

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