常亮，郭宇飞，闫文刚，何丽丽，刘晓敏
(1.佳木斯大学 信息电子技术学院，黑龙江 佳木斯 154007；
2. 佳木斯大学 外国语学院，黑龙江 佳木斯 154007)
目前高校计算机专业硬件类课程教学中，并不是所有的学生都能够积极、按时参加所有的课程和实验练习。例如有些请事假、生病、或意外情况不能到教室（或实验室）上课的学生，对于这样的学生（称为特殊学生）群体，需要利用远程学习的教学环境和虚拟模拟器等方法进行教学。主讲教师提供开放的教学材料、案例研究、课题讨论、课程前沿等内容，并且根据硬件类的课程特点、发展方向和课程进展等知识点，提出创新性的方法促进学生学习[1]。
开放教育资源(OER)能使教师专注于教学，学生专注于学习，而不受时间、地点的影响。这些资源在网上教育平台系统上发布，可以自由访问、重用、修改和共享。OER 对于特殊群体学生的学习有非常大的帮助作用[2]。
在国外，美国麻省理工学院(MIT)通过向学生提供开放式课程(OCW)，在创新教学上取得了很大的成就。还有通过提供大规模开放在线课程(Moodle)，如Udacity或Coursera，以及可汗学院(Khan Academy)等教育资源，成为越来越多人的学习工具。Mikroyannidis等人为重用和共享学习资源设计了社交网络[3]。OpenCourse-Ware(OCW)也在蓬勃发展中，它专注于学习资源的分发，向一个协作的Moodle平台发展。Piedra等人提出并实现了OER-CC本体，以描述知识共享许可下的学习资源，并促进教育机构的数字内容共享和学习[4]。
在国内，开发了中国大学MOOC学习平台。有部分高校使用视觉模拟器提供模拟实验练习，可以提高学生学习硬件的兴趣，从而显著提高平均成绩。但它们的实验和练习通常是预先设定好的，可变性有限，并且建设这样的实验室和购买设备的费用巨大，大多数高校难以承受[5]。
本文通过分析基于硬件的计算机科学课程的特点，针对特殊学生群体，通过进行大量实验并加以分析，提出了基于OER 方法进行硬件类课程的教学改革，实验结果证明这种方法对激发学习积极性和提高成绩的效果显著，且具有很强的可操作性。
电子学习平台旨在提高计算机科学课程的学习效果，但其成功主要体现在基于软件的课程上。基于硬件的课程需要教师和学生在教学和学习过程中付出巨大的努力，尤其是在以软件为导向的课程中，学生们不想学习计算机是如何工作的，大多数学生只是想把它作为一个工具来执行他们的软件程序。然而，计算机科学的这种学习方法并不能培养出伟大的工程师，只有通过了解硬件的工作原理，才可以提高软件程序的效率。
1.1 计算机硬件课程
在计算机科学课程中，计算机体系结构与组织是14 个知识领域之一，它包括指令集体系结构、微体系结构和系统体系结构。这些知识通常包含在多门课程中，如计算机体系结构和组织、微控制器、现代计算机系统、机器人、并行和分布式处理等课程。
1.2 微处理器与微控制器课程
Microprocessors and Microcontrollers(MM)课程的主要目标是让学生掌握硬件工作原理，特别是当代计算机硬件的功能。涵盖的知识包括底层硬件接口、中断处理、处理器、内存、总线和外围设备之间的通信（通过学习处理器及其指令集的基础知识），以及嵌入式系统（通过学习微控制器）等内容。
MM课程通常分为两部分。第一部分介绍了微处理器（汇编程序）的内部结构和指令集、中断处理系统、BIOS 和系统例程，第二部分通常侧重微控制器及其使用。学生将了解各种类型的微控制器，分析它们的组成、指令集和X86微处理器功能，以及外设系统、嵌入式系统等内容。
1.3 课程中的问题
MM课程通常以抽象、枯燥和难以理解而著称，因为它不仅是一门基于硬件的课程，而且它还是一门专业性很强的课程。在多年的教学经验中，发现学生对这类课程有很大的主观厌学的情绪，原因有以下几点：
1) 基于硬件的MM课程与基于软件的课程（如算法与复杂性、编程语言）之间缺乏相关性。学生通常对软件类课程更有兴趣。对他们来说，学习用于微处理器的汇编程序非常困难，而且又不得不学习这种低级语言，导致失去学习兴趣。
2) 过多的编程和仿真环境。图1 展示了原来课程教学中实验室资源和师生交互方式。在实验练习中，学生需要与老师进行大量的互动，并消耗大量的精力。他们的大部分时间都花在运行硬件环境上，而不是专注于学习工作原理。除了必须使用串行端口、一些低级协议和多种微控制器等技术外，学生们还面临着特定硬件的问题，如传感器故障或未连接的引脚等问题。
图1 原MM课程实验资源及师生交互
所有这些问题的共同之处是由于实际的实验练习的设置引起的，这些练习使用过时的图形方法以及对操作系统、文件的低级访问方法，学生们觉得他们在学习过时的技术，很难激发学生的学习兴趣。
根据对上述问题的分析，在MM课程结构、材料和教学方法上做了两个方面的改进：首先，改进教学方法，激发学生对硬件的兴趣。其次，修改课程结构和丰富学习材料，使之能与学生已经熟悉的软件课程相似。
2.1 课程分析
通过对学生硬件类课程成绩分析，发现即使是许多优秀的学生，包括全国软件竞赛的参赛者、优胜者和Java 竞赛的获奖者，成绩都不高，有的甚至刚刚及格。改进的方法是建立一个类似于现有软件课程性质的硬件类课程，使学生熟悉高级编程语言，如C++、Java，使他们使用高级语言去学习硬件类课程，提高学习兴趣和成绩。
2.2 课程的改革
通过分析表明，课程中的大多数问题源于实验室练习的组织，而不是取决于这些练习是在真实的硬件上进行的，还是在视觉模拟器上进行的。因此，改善的第一个目标是实验室练习的结构和组织。方法是把实验讲义做成教程的形式。首先，简要介绍理论课程中教授过的知识内容，并包括代码示例，这些代码示例清楚地展示了理论如何在实践中实现的。使用现代视觉模拟器，学生可以看到寄存器和内存位置的参数值变化，并实时跟踪程序的执行步骤，这使得学生可以通过应用已经学习过的课程知识去调试设备，轻松地排除故障。其次，修改讲义材料以配合理论课的内容。删除以前的“面向硬件”的实验练习（教学生如何处理图形、操作系统、文件等），取而代之的是关于数组和矩阵、字符串、过程和宏等软件知识的练习。然后，设计相对简单的作业，让学生把学到的知识应用到不需要花太多时间的硬件配置和故障排除的任务上。这些简单的练习作为平时成绩，有助于提高学生的期末成绩。最后，用具有单个微控制器的单一开发板代替实验室工作的各种不同组件。经过这些改进，课程变得更加有趣和容易理解，更接近软件类课程。图2 展示了新的MM 课程的简化及学生/教师互动情况。
图2 新MM课程中的硬件及师生交互
自2021 年以来，教学方法、学习材料和实验设备的不断改进，以及增加新颖的动手实验练习内容，极大地改善了MM课程的枯燥、难理解的特点。使该课程有了类似软件课程的形式特点，能够使计算机科学的学生用他们的软件技能来学习硬件类课程，并取得更好的成绩，提高了学习的兴趣和积极性。通过增加硬件项目数量，使期中成绩、期末成绩、总体成绩、实验室练习成绩以及必修实践项目的成绩都显著的提高。这种改进使得学生在通过了这门课程的考试后，仍然愿意参与可选的硬件项目，大大地激发了学习兴趣，甚至部分学生达到了发表研究论文的水平。
经过对于硬件类课程不及格学生调查分析，总结了他们的共同特点是缺乏学习硬件类课程的兴趣和动力，没有把学习此类课程作为主要任务。而在其他（面向软件的）课程中，这些学生的表现并不像他们在基于硬件类课程中表现得那么差。
本研究中有很多学生都参加了ACM 程序设计大赛等国际赛事。通常，这些学生将他们有限的时间和注意力分配到软件类的项目上，导致他们忽视了硬件类的项目和MM课程的学习。分析显示，2021年计算机课程的93 名学生中有23 人是这类“特殊”的学生，他们中只有12人完成了必修项目和实验室练习，被允许参加期末考试，其中9 人通过了考试，3 人不及格。因此，在经常参加这门课程的特殊学生中，有75%通过了期末考试，而那些特殊学生因为没有定期上课，无法完成强制性的项目和练习，因此没有资格参加期末考试。
研究发现如果进一步改变MM 课程教学方法，这14名特殊的学生（占所有MM学生的15%和25%不及格的学生）应该有能力通过这门课程考试，但由于这些学生不能定期参加实验课，这就需要实施一种新的远程学习方法——OER方法来弥补缺失的课程。
计算机硬件类课程的特点是要求学生动手做实验和练习，这意味着学生必须参加每周的实验课，而这种定期出勤的模式并不适合特殊学生群体。因此他们不仅错过了大部分的实验课，而且当他们参加实验课时，因为没有从预先练习中获得的知识而很难进行实验。
大多数高校遵循传统的方法，其中最重要的是需要在整个学期中对学生进行持续的评分。这对大多数普通学生来说都很有效，因为他们的出勤率很高。对于特殊学生群体来说，情况并非如此。如果要求他们能与普通学生同时完成任务和项目练习，而这些任务和项目是与硬件（尤其是昂贵的硬件）相关时，就会产生严重的问题。
为了解决学生在硬件课程学习中对连续性的需求，我们对组织结构进行了一些额外的改变，并引入了新的方法和资源，如图3所示。因为Moodle是易于使用的学习管理系统(LMS)，所以把整个计算机课程都放在Moodle上，通过这个远程学习平台展示所有课程，让没有上课的学生能够随时随地学习。此外，我们鼓励学生使用其他知名大学的OER课程，如中国大学MOOC课程，并使用开放图书馆的书籍。通过使用OER和其他大学的学生及老师互动，使得在实验练习上达到普通学生与老师互动的效果。由于特殊学生群体通常与老师的互动及实验室练习有限，所以鼓励他们使用不受时间、地点限制的OER 方法进行学习，能够达到事半功倍的效果。
图3 新的方法、资源及师生互动
尽管特殊学生群体需要在实际硬件上完成最后的项目，但Moodle 平台使他们能够在任何地方做准备，能够在实验室中演示有效的硬件实验成果。
对于特殊学生群体，需要在实验习题教学方法上进行改进。在每次实际实验练习前一周，在MM OER Moodle 课程上传一个预备实验练习。这种方法不仅使特殊学生更有动力、更容易学习，而且也能明显提高学生的成绩。
对MM 课程的整体改进使计算机专业的学生达到了非常好的学习效果。在2022 学年，对14 名特殊学生群体的实验进行分析，得到了理想的结果。
5.1 考试通过率提高
新的OER 方法的最大成就是特殊学生群体在整个学期都能保持良好的学习状态。图4 显示了2021年（不采用OER方法）和2022年（采用OER方法）的期中和期末考试通过率。在OER 方法下进行的期中考试使特殊学生的通过率增加了两倍多，从13%上升到43%。此外，特殊的学生2022 年期中考试的通过率(42.86%)高于没有使用OER 方法的2021 年期末考试的通过率(39.13%)。
图4 2021年和2022年特殊学生的期末考试成绩
从图4中可以看出，与2021年（不采用OER方法）相比，2022 年（采用OER 方法）的最终通过率也提高了18%。期末考试通过率现在非常接近整个课程的平均水平(65.18%)。
5.2 成绩分布
除了特殊学生群体及格率大大提高之外，尖子生的成绩也明显提高。2021年，最高成绩为8分。2022年，在使用OER方法情况下，有一名学生获得了9分，还有两名学生获得了10分，如图5所示（最低分数为6分，最高分数为10分）。所有学生（包括普通学生和特殊的学生）平均成绩也从6.67提高到8.0，这也非常接近整个课程的平均成绩(8.35)。
图5 2021年与2022年课程成绩分布
5.3 未来的计划
计算机硬件课程经历了从一个非常不受学生欢迎的课程，转变为愿意选择它完成毕业论文的课程。OER方法使硬件课程容易学习，硬件类课程成绩分布改善，并且使学生学习积极性提高。把硬件和实验室为导向的课程转变为可以在随时随地学习的课程，这种课程改革适应了特殊学生群体的需求。它使特殊学生群体接受这种远程教学系统，更喜欢使用OER方法、虚拟模拟器和其他在线辅助工具学习硬件类课程。我们希望通过引入更多的OER理论方法，进一步提高学生学习成绩和兴趣。
使用远程教学和虚拟实验室的新趋势似乎是改善基于硬件类课程教与学的发展方向。远程实验室可以在一个偏远的物理地点建立一个实际的实验，学生从物理设备得到反馈。虚拟实验室通过图形用户界面提供交互式模拟，而不提供与真实设备的链接。根据硬件类课程的性质，对课程的汇编部分使用虚拟实验，对微控制器部分使用远程实验是很好的方法，这两种类型的实验都可以与现有的开源LMS集成。
本文描述了在面向硬件类课程中，针对特殊学生群体，引入了OER 方法作为一种学习工具，提高了他们的及格率和总体成绩，特别是曾经只能勉强及格的两名学生获得了很高分数，取得了优异成绩，激发了学生学习的积极性。
另一个好处是对特殊学生群体教学方法的改进也间接地提高普通学生的成绩。研究证明，使用OER方法、可视化模拟器等工具可以极大地改善面向硬件类课程教学效果，使学生获得最佳的实际硬件体验。另外，根据特殊学生群体的特点制定的课程教学大纲和方法，也使得普通学生群体的成绩得到了提高。
硬件类课程教学方法的每一次迭代改进都带来了成绩分布的改善。例如，重组MM课程是通过模仿软件课程的结构激发了计算机科学学生对硬件的兴趣，因为他们能够将软件技能应用于硬件相关的问题。另外，在实验开始前一周发布实践练习，从而确保学生有备而来，能够有效地提高平均成绩和学习积极性。
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