留學生計算機專業硬件綜合實踐課程的設計與探索

祝家鈺 肖丹

摘要：基于新工科教育理念，從留學生的學習能力和性格特點出發，以計算機專業硬件綜合實踐課程為例，在教學內容、教學方案、實踐方法、教材及資源建設等方面對該實踐課程的體系進行設計。教學內容多方向、分層次，課堂上進行翻轉、體驗式教學，實踐中采取任務模塊分解法，分階段、按步驟進行，強調軟硬件協同設計。以學習產出作為導向，探索滿足國際需求的、注重工程實踐能力的全英文課程建設模式。

關鍵詞：新工科；硬件實踐；教學體系；多維度；任務模塊化；全英文

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）13-0178-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID） ：

1 引言

隨著我國經濟的發展和國際影響力的提高，近年來華留學生大量增加。大數據、虛擬現實、人工智能等計算機技術的蓬勃發展，也讓計算機專業成為留學生的熱門選擇。硬件綜合實踐是計算機專業的必修核心實踐類課程，基于新工科教育理念[1]，目的在于培養學生軟硬件協同設計能力、工程實踐能力、研究創新能力，以及團隊合作能力。留學生漢語水平薄弱，不具備漢語讀寫能力，聽說能力也不行，因此只能采用全英文教學方式。經過調查研究后發現，此類涉及硬件的實踐課程，其英文教學資源比較匱乏，教學經驗也不足。因此，有必要開展針對該全英文課程的教學研究，全面建設并不斷完善課程的教學體系，為后續其他計算機類實踐課程的全英文教學探索道路。

2 全英文實踐課程存在的問題

2.1 留學生現狀

留學生在本國普遍接受英語教育，英語水平較高。由于各國基礎教育側重點的不同，留學生數理化能力偏弱，學習能力也參差不齊。計算機專業硬件課程理論性和系統性強，實踐課程又要求較強的動手能力，這就導致大部分留學生在學習此類課程時存在較多困難。但留學生具有較好的課堂互動能力，自我表現欲強。

2.2 課程現狀

計算機專業的課程體系已經教學運行多年，教學資料完備，教師經驗豐富。但從培養方案、教學大綱、教材到學習資源，以及最終的實施都采用了中文及中文思維方式，缺乏這些教學材料對應的英文版本。硬件類實踐課程專業性強，強調可操作性，這也為全英文課程的建設增加了難度。此外，教學內容不夠豐富，難度層次劃分不明顯，課堂組織方形式也比較單一。必須針對留學生自身情況和學習需求，改革原中文課程體系，建設全套英文課程體系。

3 留學生硬件綜合實踐課程建設

3.1 教學實踐體系

1） 課程背景

硬件綜合實踐課程在工程認證中具有重要地位。課程基于OBE（Outcomes-based Education） 成果導向教育理念[2]，任務是利用所學的計算機系統體系知識，選擇合適的技術手段及硬件平臺進行軟件設計，最終實現一個功能完善的系統級應用。該課程基于嵌入式系統設計、計算機組織結構、微機原理與接口技術、操作系統、C語言程序設計、匯編語言等多門前序課程知識。硬件綜合實踐課程的主要特點是多學科交叉、理論性強和實踐性高。該課程屬于專業實踐課，一般在大學三年級第2學期開設，課程集中安排在一周內。除了學生在實驗室集中實踐20個學時外，還需要大量的課下時間進行相關知識的獲取和拓展。

2） 教學實踐內容

留學生與中國學生在文化背景、學習能力、性格等方面均存在不同，因此需要構建差異化的教學方案。以培養多元化、復合型工程人才的新工科教育理念為指導，進行教學實踐內容的組織，構造實踐課程的基本框架，突出課程的工程實踐性主旨。

留學生硬件綜合課程的實踐內容設計包含嵌入式系統、微機接口和計算機系統結構三個方向，每一個方向下的選題難度均有差異。要求學生任選其中一個方向下的一個項目，自行選擇、組織硬件模塊，進行程序設計、實現，使之構成一個完整的、具有一定創新功能的應用系統。實踐項目的具體內容見表1：

嵌入式系統方向基于ARM核心板，主要開發結合外部設備的應用系統。外設包含音視頻、傳感器、無線通信模塊等，它們的正常運行需要驅動程序的配合，因此課題難度與選用外設模塊的數量相關。微機接口方向采用80×86處理器，接口芯片包含中斷控制器、定時/計數器、串/并行接口等，在實踐中首先要求學生掌握芯片的引腳功能和工作方式。本方向選題難度也不同，例如電梯模擬用LED燈就可以實現，而電子密碼鎖需要整合鍵盤輸入模塊和數碼管顯示模塊。計算機系統結構方向的基本能力點是微程序控制器、運算器和存儲器的軟件設計，項目選題難度隨CPU是否具備流水線設計和緩存而遞增。

硬件綜合實踐包括了計算機專業主要硬件課程，具有很強的綜合性。以項目為驅動，項目選題多方向，難度分層次，體現了差異化的設計，能夠滿足學生不同的需求和學習水平，促進每個留學生最大限度的能力鍛煉和發展。

3） 教學方案

硬件綜合實踐課程涉及知識范圍廣、概念抽象，留學生難以理解，因此在課堂授課中采取體驗式教學法。選取知識結構完整和貼近實際生活的項目案例，讓學生進行觀摩和實踐。例如智能家居的項目實踐，在項目運行過程中，教師講授傳感器函數調用，數碼管和點陣顯示原理等知識點，學生操作實驗平臺。可觀察到的實驗結果是：硬件設備上的數碼管顯示當前溫濕度的數值；光敏電阻檢測到的環境光照度顯示在16×16點陣上；當光照過低時，LED燈依次亮起；用打火機在燃氣傳感器旁打火，蜂鳴器會報警。體驗式教學具備直觀性、生動性，能夠快速吸引學生注意力，活躍課堂氣氛，激發學生的學習興趣。同時將理論與實踐相結合，深化學生對知識點的理解掌握。

4） 實踐方法、步驟

硬件綜合實踐實踐內容涉及知識點眾多，對于留學生來說尤為困難。因此采用任務模塊化的實踐方法[3]。根據實踐重點、難點，將大型實踐任務分解為多個小型項目模塊。這些模塊相互關聯，但又相對獨立。要求學生由小漸大的進行項目開發，避免突然接觸到大型問題后無從下手的問題。引導學生進行問題分析，并逐次解決其中的小型關鍵問題，然后進行多模塊整合，最終完成大型實踐任務。

圖1以嵌入式系統方向的智能家居模擬項目為例，將該任務分解為多個小型任務模塊。教師向學生提供每個模塊的目標任務書和參考資料，根據教學情況適當提示問題的解決思路，講解程序框架。任務分解方法使知識點、能力點更為清晰明了，降低了項目實踐的難度，更適合應用于留學生的實踐教學中。

同時，硬件綜合的實踐過程也按照軟件工程理論，分階段、按步驟進行，重點在于軟硬件綜合設計。具體步驟如下：需求分析→整體功能描述→硬件設計→軟件設計編碼→系統級合成→系統功能測試。

3.2 教材及教學資源建設

1） 教材設計

硬件綜合實踐課程設計包括多門硬件相關課程的實驗實踐內容，綜合性強，沒有辦法指定某一本已有的英文教材，只能采用自編教材的方式。留學生的學習基礎與中國學生存在較大差異，需要進行教材內容的篩選[4]。原則是既要難易適中、知識點全面，又要突出重點。刪除難度比較高的教學內容，例如Opencv移植、嵌入式圖像處理。其次，對中文教材進一步改編和重組，列舉典型項目，對任務、解決方案、實踐步驟進行更加完整、詳細地說明。通過查閱相關專業文獻，力求英語表達深入淺出、通俗易懂，并輔助一些生動形象的圖表，使學生理解起來更直觀、容易。結合新工科理念，在教材中增加一些互聯網、工業智能相關的實際應用案例的說明和演示，以提升學生的學習興趣，進一步明確實踐方向和目標。

2） 教學資源

充分利用互聯網在教學實踐中的優勢，提供豐富的線上學習資源，是對傳統線下教學的有益補充。由于計算機硬件綜合實踐課程涉及眾多前序課程，課堂上無法回顧所有知識點，因此必須建立結構清晰、內容完備的網絡資源，整合課程知識點[5]。資源建設分為三個層次：第一層次按照前序課程類型分類，如軟件類、硬件類；第二層次按某門課程下的主要知識點進行構建；第三層次為具體知識點對應的實驗資料，如實驗內容、操作指南等。合理使用圖文、音視頻、和虛擬仿真等素材，力求線上資源豐富多樣。留學生在本課程開課之前，能夠進行自主學習，打好課程基礎，更好地參與到后面的動手實踐中去。除此之外，還可以整合外網相關的優秀課程資源，拓寬學生知識面。

3.3 課堂形式及考核方式

1）? 課堂組織形式

實踐課程以學生動手實踐為主體。教師利用2～3個學時進行任務下達、重點難點講解和案例演示，其余時間是學生自行學習實踐，教師進行巡查指導、答疑[6]。教師的授課采用多媒體手段，主要進行典型案例的分析，為學生梳理任務目標、方案設計到具體實現這一全過程。考慮到留學生普遍活潑，喜歡提問題的特點，偏重發展學生在課堂上的主導地位。將重點問題作為研討主題，鼓勵學生就技術細節發表意見，并通過反復討論和資料查閱找到解決方法。從這些方面培養留學生分析問題、解決問題的能力。

此外，安排線上互動、答疑時間，向留學生介紹一些模擬仿真平臺，例如 Proteus、IAR embedded workbench 或Keil MDK-ARM集成開發環境[7]。這些實驗平臺支持ARM、Cortex、AVR等處理器，幫助學生進一步理解硬件程序開發的全過程。

硬件綜合實踐課程是用工程項目的方法和規范來進行系統開發和維護，目標是培養學生的計算機專業能力、工程素養、團隊協作意識和創新精神。因此，課程實踐采用分組形式進行，每組2～3人，并設立小組長總體負責，以保障項目按進度實施，培養和提升學生的項目協作及系統綜合能力。

2）? 考核方式

構建多維考核體系，對強化實踐動手能力的培養、開發學習潛能具有非常關鍵的作用[8]。課程設計將部分考核點放在平時的課堂表現上。項目任務完成后，采取翻轉課堂的形式，讓學生上臺展示成果并答辯。一方面滿足留學生的表現欲，另一方面能夠更好地進行教學效果評測。課后要求學生按照軟件工程的思維方法，進行報告的撰寫。總評成績由平時表現、匯報答辯、系統實現、實踐報告成績四部分構成。考核方式注重過程，融入了工程教育的思想。

4 結束語

針對留學生文化差異、學習情況及性格特點，探討全英文的、計算機專業硬件綜合實踐課程體系的設計和實踐。教學內容多維度，且選取切合實際工程、生活應用的項目。在教學實踐中發現，多樣化的選擇有利于留學生揚長避短，能夠較好地激發他們的學習動力。采用體驗式教學、翻轉課堂、小組討論等多種學習方式，堅持以學生為中心。實踐方法采取任務模塊分解法，分階段、按步驟進行。基于新工科理念，以成果為導向，以面向未來和國際水平為目標，通過工程項目和多學科交叉融合，培養學生的實踐能力和創新能力。期待在教學實踐中持續改進，以深化課程建設，切實提高留學生教育培養質量。

參考文獻：

[1] 孫大為，張玉清.新工科背景下計算機系統思維能力培養模式探析[J].計算機教育，2020（7）：94-97.

[2] 邵云飛， 周湘蓉， 陳濤. 基于OBE理論工科研究生創新思維能力培養方案研究[J]. 高等理科教育， 2022（2）：40-47.

[3] 汪曉妍，黃鮮萍，夏明，等.任務模塊化的留學生大型實驗教學探索與實踐[J].計算機教育，2018（1）：151-154，158.

[4] 魏曉敏.基于無人機系統的嵌入式系統與網絡設備原理教學改革探索[J].軟件導刊，2021，20（12）：216-220.

[5] 黃鶴，趙祥模，黃鶯，等.多學科交叉融合構建新工科創新實踐教學體系[J].實驗科學與技術，2022，20（2）：43-46.

[6] 代宇，鄒洋.本科留學生計算機實踐課程教學模式探索與研究[J].吉林化工學院學報，2019，36（8）：52-56.

[7] 趙明波，林浩，韓慧.來華留學生 “計算機組成原理” 課程建設探索[J].電腦知識與技術，2021，17（4）： 168-169，172.

[8] 李向群，王新，許新征，等.混合教學模式下提高留學生教學質量的探討[J].現代計算機，2021，27（31）： 77-81.

【通聯編輯：王力】