留學(xué)生計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)硬件綜合實(shí)踐課程的設(shè)計(jì)與探索

祝家鈺 肖丹

摘要：基于新工科教育理念，從留學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和性格特點(diǎn)出發(fā)，以計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)硬件綜合實(shí)踐課程為例，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方案、實(shí)踐方法、教材及資源建設(shè)等方面對(duì)該實(shí)踐課程的體系進(jìn)行設(shè)計(jì)。教學(xué)內(nèi)容多方向、分層次，課堂上進(jìn)行翻轉(zhuǎn)、體驗(yàn)式教學(xué)，實(shí)踐中采取任務(wù)模塊分解法，分階段、按步驟進(jìn)行，強(qiáng)調(diào)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)。以學(xué)習(xí)產(chǎn)出作為導(dǎo)向，探索滿足國(guó)際需求的、注重工程實(shí)踐能力的全英文課程建設(shè)模式。

關(guān)鍵詞：新工科；硬件實(shí)踐；教學(xué)體系；多維度；任務(wù)模塊化；全英文

中圖分類(lèi)號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）13-0178-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID） ：

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國(guó)際影響力的提高，近年來(lái)華留學(xué)生大量增加。大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能等計(jì)算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，也讓計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)成為留學(xué)生的熱門(mén)選擇。硬件綜合實(shí)踐是計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的必修核心實(shí)踐類(lèi)課程，基于新工科教育理念[1]，目的在于培養(yǎng)學(xué)生軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)能力、工程實(shí)踐能力、研究創(chuàng)新能力，以及團(tuán)隊(duì)合作能力。留學(xué)生漢語(yǔ)水平薄弱，不具備漢語(yǔ)讀寫(xiě)能力，聽(tīng)說(shuō)能力也不行，因此只能采用全英文教學(xué)方式。經(jīng)過(guò)調(diào)查研究后發(fā)現(xiàn)，此類(lèi)涉及硬件的實(shí)踐課程，其英文教學(xué)資源比較匱乏，教學(xué)經(jīng)驗(yàn)也不足。因此，有必要開(kāi)展針對(duì)該全英文課程的教學(xué)研究，全面建設(shè)并不斷完善課程的教學(xué)體系，為后續(xù)其他計(jì)算機(jī)類(lèi)實(shí)踐課程的全英文教學(xué)探索道路。

2 全英文實(shí)踐課程存在的問(wèn)題

2.1 留學(xué)生現(xiàn)狀

留學(xué)生在本國(guó)普遍接受英語(yǔ)教育，英語(yǔ)水平較高。由于各國(guó)基礎(chǔ)教育側(cè)重點(diǎn)的不同，留學(xué)生數(shù)理化能力偏弱，學(xué)習(xí)能力也參差不齊。計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)硬件課程理論性和系統(tǒng)性強(qiáng)，實(shí)踐課程又要求較強(qiáng)的動(dòng)手能力，這就導(dǎo)致大部分留學(xué)生在學(xué)習(xí)此類(lèi)課程時(shí)存在較多困難。但留學(xué)生具有較好的課堂互動(dòng)能力，自我表現(xiàn)欲強(qiáng)。

2.2 課程現(xiàn)狀

計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的課程體系已經(jīng)教學(xué)運(yùn)行多年，教學(xué)資料完備，教師經(jīng)驗(yàn)豐富。但從培養(yǎng)方案、教學(xué)大綱、教材到學(xué)習(xí)資源，以及最終的實(shí)施都采用了中文及中文思維方式，缺乏這些教學(xué)材料對(duì)應(yīng)的英文版本。硬件類(lèi)實(shí)踐課程專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)，強(qiáng)調(diào)可操作性，這也為全英文課程的建設(shè)增加了難度。此外，教學(xué)內(nèi)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(duì)留學(xué)生自身情況和學(xué)習(xí)需求，改革原中文課程體系，建設(shè)全套英文課程體系。

3 留學(xué)生硬件綜合實(shí)踐課程建設(shè)

3.1 教學(xué)實(shí)踐體系

1） 課程背景

硬件綜合實(shí)踐課程在工程認(rèn)證中具有重要地位。課程基于OBE（Outcomes-based Education） 成果導(dǎo)向教育理念[2]，任務(wù)是利用所學(xué)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)體系知識(shí)，選擇合適的技術(shù)手段及硬件平臺(tái)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能完善的系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用。該課程基于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)組織結(jié)構(gòu)、微機(jī)原理與接口技術(shù)、操作系統(tǒng)、C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、匯編語(yǔ)言等多門(mén)前序課程知識(shí)。硬件綜合實(shí)踐課程的主要特點(diǎn)是多學(xué)科交叉、理論性強(qiáng)和實(shí)踐性高。該課程屬于專(zhuān)業(yè)實(shí)踐課，一般在大學(xué)三年級(jí)第2學(xué)期開(kāi)設(shè)，課程集中安排在一周內(nèi)。除了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室集中實(shí)踐20個(gè)學(xué)時(shí)外，還需要大量的課下時(shí)間進(jìn)行相關(guān)知識(shí)的獲取和拓展。

2） 教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容

留學(xué)生與中國(guó)學(xué)生在文化背景、學(xué)習(xí)能力、性格等方面均存在不同，因此需要構(gòu)建差異化的教學(xué)方案。以培養(yǎng)多元化、復(fù)合型工程人才的新工科教育理念為指導(dǎo)，進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容的組織，構(gòu)造實(shí)踐課程的基本框架，突出課程的工程實(shí)踐性主旨。

留學(xué)生硬件綜合課程的實(shí)踐內(nèi)容設(shè)計(jì)包含嵌入式系統(tǒng)、微機(jī)接口和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三個(gè)方向，每一個(gè)方向下的選題難度均有差異。要求學(xué)生任選其中一個(gè)方向下的一個(gè)項(xiàng)目，自行選擇、組織硬件模塊，進(jìn)行程序設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)，使之構(gòu)成一個(gè)完整的、具有一定創(chuàng)新功能的應(yīng)用系統(tǒng)。實(shí)踐項(xiàng)目的具體內(nèi)容見(jiàn)表1：

嵌入式系統(tǒng)方向基于ARM核心板，主要開(kāi)發(fā)結(jié)合外部設(shè)備的應(yīng)用系統(tǒng)。外設(shè)包含音視頻、傳感器、無(wú)線通信模塊等，它們的正常運(yùn)行需要驅(qū)動(dòng)程序的配合，因此課題難度與選用外設(shè)模塊的數(shù)量相關(guān)。微機(jī)接口方向采用80×86處理器，接口芯片包含中斷控制器、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串/并行接口等，在實(shí)踐中首先要求學(xué)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(shí)現(xiàn)，而電子密碼鎖需要整合鍵盤(pán)輸入模塊和數(shù)碼管顯示模塊。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方向的基本能力點(diǎn)是微程序控制器、運(yùn)算器和存儲(chǔ)器的軟件設(shè)計(jì)，項(xiàng)目選題難度隨CPU是否具備流水線設(shè)計(jì)和緩存而遞增。

硬件綜合實(shí)踐包括了計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)主要硬件課程，具有很強(qiáng)的綜合性。以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)，項(xiàng)目選題多方向，難度分層次，體現(xiàn)了差異化的設(shè)計(jì)，能夠滿足學(xué)生不同的需求和學(xué)習(xí)水平，促進(jìn)每個(gè)留學(xué)生最大限度的能力鍛煉和發(fā)展。

3） 教學(xué)方案

硬件綜合實(shí)踐課程涉及知識(shí)范圍廣、概念抽象，留學(xué)生難以理解，因此在課堂授課中采取體驗(yàn)式教學(xué)法。選取知識(shí)結(jié)構(gòu)完整和貼近實(shí)際生活的項(xiàng)目案例，讓學(xué)生進(jìn)行觀摩和實(shí)踐。例如智能家居的項(xiàng)目實(shí)踐，在項(xiàng)目運(yùn)行過(guò)程中，教師講授傳感器函數(shù)調(diào)用，數(shù)碼管和點(diǎn)陣顯示原理等知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生操作實(shí)驗(yàn)平臺(tái)?？捎^察到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是：硬件設(shè)備上的數(shù)碼管顯示當(dāng)前溫濕度的數(shù)值；光敏電阻檢測(cè)到的環(huán)境光照度顯示在16×16點(diǎn)陣上；當(dāng)光照過(guò)低時(shí)，LED燈依次亮起；用打火機(jī)在燃?xì)鈧鞲衅髋源蚧?，蜂鳴器會(huì)報(bào)警。體驗(yàn)式教學(xué)具備直觀性、生動(dòng)性，能夠快速吸引學(xué)生注意力，活躍課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)將理論與實(shí)踐相結(jié)合，深化學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解掌握。

4） 實(shí)踐方法、步驟

硬件綜合實(shí)踐實(shí)踐內(nèi)容涉及知識(shí)點(diǎn)眾多，對(duì)于留學(xué)生來(lái)說(shuō)尤為困難。因此采用任務(wù)模塊化的實(shí)踐方法[3]。根據(jù)實(shí)踐重點(diǎn)、難點(diǎn)，將大型實(shí)踐任務(wù)分解為多個(gè)小型項(xiàng)目模塊。這些模塊相互關(guān)聯(lián)，但又相對(duì)獨(dú)立。要求學(xué)生由小漸大的進(jìn)行項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，避免突然接觸到大型問(wèn)題后無(wú)從下手的問(wèn)題。引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行問(wèn)題分析，并逐次解決其中的小型關(guān)鍵問(wèn)題，然后進(jìn)行多模塊整合，最終完成大型實(shí)踐任務(wù)。

圖1以嵌入式系統(tǒng)方向的智能家居模擬項(xiàng)目為例，將該任務(wù)分解為多個(gè)小型任務(wù)模塊。教師向?qū)W生提供每個(gè)模塊的目標(biāo)任務(wù)書(shū)和參考資料，根據(jù)教學(xué)情況適當(dāng)提示問(wèn)題的解決思路，講解程序框架。任務(wù)分解方法使知識(shí)點(diǎn)、能力點(diǎn)更為清晰明了，降低了項(xiàng)目實(shí)踐的難度，更適合應(yīng)用于留學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)中。

同時(shí)，硬件綜合的實(shí)踐過(guò)程也按照軟件工程理論，分階段、按步驟進(jìn)行，重點(diǎn)在于軟硬件綜合設(shè)計(jì)。具體步驟如下：需求分析→整體功能描述→硬件設(shè)計(jì)→軟件設(shè)計(jì)編碼→系統(tǒng)級(jí)合成→系統(tǒng)功能測(cè)試。

3.2 教材及教學(xué)資源建設(shè)

1） 教材設(shè)計(jì)

硬件綜合實(shí)踐課程設(shè)計(jì)包括多門(mén)硬件相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐內(nèi)容，綜合性強(qiáng)，沒(méi)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(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)與中國(guó)學(xué)生存在較大差異，需要進(jìn)行教材內(nèi)容的篩選[4]。原則是既要難易適中、知識(shí)點(diǎn)全面，又要突出重點(diǎn)。刪除難度比較高的教學(xué)內(nèi)容，例如Opencv移植、嵌入式圖像處理。其次，對(duì)中文教材進(jìn)一步改編和重組，列舉典型項(xiàng)目，對(duì)任務(wù)、解決方案、實(shí)踐步驟進(jìn)行更加完整、詳細(xì)地說(shuō)明。通過(guò)查閱相關(guān)專(zhuān)業(yè)文獻(xiàn)，力求英語(yǔ)表達(dá)深入淺出、通俗易懂，并輔助一些生動(dòng)形象的圖表，使學(xué)生理解起來(lái)更直觀、容易。結(jié)合新工科理念，在教材中增加一些互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)智能相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用案例的說(shuō)明和演示，以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)一步明確實(shí)踐方向和目標(biāo)。

2） 教學(xué)資源

充分利用互聯(lián)網(wǎng)在教學(xué)實(shí)踐中的優(yōu)勢(shì)，提供豐富的線上學(xué)習(xí)資源，是對(duì)傳統(tǒng)線下教學(xué)的有益補(bǔ)充。由于計(jì)算機(jī)硬件綜合實(shí)踐課程涉及眾多前序課程，課堂上無(wú)法回顧所有知識(shí)點(diǎn)，因此必須建立結(jié)構(gòu)清晰、內(nèi)容完備的網(wǎng)絡(luò)資源，整合課程知識(shí)點(diǎn)[5]。資源建設(shè)分為三個(gè)層次：第一層次按照前序課程類(lèi)型分類(lèi)，如軟件類(lèi)、硬件類(lèi)；第二層次按某門(mén)課程下的主要知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行構(gòu)建；第三層次為具體知識(shí)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)資料，如實(shí)驗(yàn)內(nèi)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(xué)生在本課程開(kāi)課之前，能夠進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，打好課程基礎(chǔ)，更好地參與到后面的動(dòng)手實(shí)踐中去。除此之外，還可以整合外網(wǎng)相關(guān)的優(yōu)秀課程資源，拓寬學(xué)生知識(shí)面。

3.3 課堂形式及考核方式

1）? 課堂組織形式

實(shí)踐課程以學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐為主體。教師利用2～3個(gè)學(xué)時(shí)進(jìn)行任務(wù)下達(dá)、重點(diǎn)難點(diǎn)講解和案例演示，其余時(shí)間是學(xué)生自行學(xué)習(xí)實(shí)踐，教師進(jìn)行巡查指導(dǎo)、答疑[6]。教師的授課采用多媒體手段，主要進(jìn)行典型案例的分析，為學(xué)生梳理任務(wù)目標(biāo)、方案設(shè)計(jì)到具體實(shí)現(xiàn)這一全過(guò)程?？紤]到留學(xué)生普遍活潑，喜歡提問(wèn)題的特點(diǎn)，偏重發(fā)展學(xué)生在課堂上的主導(dǎo)地位。將重點(diǎn)問(wèn)題作為研討主題，鼓勵(lì)學(xué)生就技術(shù)細(xì)節(jié)發(fā)表意見(jiàn)，并通過(guò)反復(fù)討論和資料查閱找到解決方法。從這些方面培養(yǎng)留學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

此外，安排線上互動(dòng)、答疑時(shí)間，向留學(xué)生介紹一些模擬仿真平臺(tái)，例如 Proteus、IAR embedded workbench 或Keil MDK-ARM集成開(kāi)發(fā)環(huán)境[7]。這些實(shí)驗(yàn)平臺(tái)支持ARM、Cortex、AVR等處理器，幫助學(xué)生進(jìn)一步理解硬件程序開(kāi)發(fā)的全過(guò)程。

硬件綜合實(shí)踐課程是用工程項(xiàng)目的方法和規(guī)范來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和維護(hù)，目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)能力、工程素養(yǎng)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)和創(chuàng)新精神。因此，課程實(shí)踐采用分組形式進(jìn)行，每組2～3人，并設(shè)立小組長(zhǎng)總體負(fù)責(zé)，以保障項(xiàng)目按進(jìn)度實(shí)施，培養(yǎng)和提升學(xué)生的項(xiàng)目協(xié)作及系統(tǒng)綜合能力。

2）? 考核方式

構(gòu)建多維考核體系，對(duì)強(qiáng)化實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)、開(kāi)發(fā)學(xué)習(xí)潛能具有非常關(guān)鍵的作用[8]。課程設(shè)計(jì)將部分考核點(diǎn)放在平時(shí)的課堂表現(xiàn)上。項(xiàng)目任務(wù)完成后，采取翻轉(zhuǎn)課堂的形式，讓學(xué)生上臺(tái)展示成果并答辯。一方面滿足留學(xué)生的表現(xiàn)欲，另一方面能夠更好地進(jìn)行教學(xué)效果評(píng)測(cè)。課后要求學(xué)生按照軟件工程的思維方法，進(jìn)行報(bào)告的撰寫(xiě)?？傇u(píng)成績(jī)由平時(shí)表現(xiàn)、匯報(bào)答辯、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、實(shí)踐報(bào)告成績(jī)四部分構(gòu)成?？己朔绞阶⒅剡^(guò)程，融入了工程教育的思想。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)留學(xué)生文化差異、學(xué)習(xí)情況及性格特點(diǎn)，探討全英文的、計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)硬件綜合實(shí)踐課程體系的設(shè)計(jì)和實(shí)踐。教學(xué)內(nèi)容多維度，且選取切合實(shí)際工程、生活應(yīng)用的項(xiàng)目。在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，多樣化的選擇有利于留學(xué)生揚(yáng)長(zhǎng)避短，能夠較好地激發(fā)他們的學(xué)習(xí)動(dòng)力。采用體驗(yàn)式教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂、小組討論等多種學(xué)習(xí)方式，堅(jiān)持以學(xué)生為中心。實(shí)踐方法采取任務(wù)模塊分解法，分階段、按步驟進(jìn)行。基于新工科理念，以成果為導(dǎo)向，以面向未來(lái)和國(guó)際水平為目標(biāo)，通過(guò)工程項(xiàng)目和多學(xué)科交叉融合，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。期待在教學(xué)實(shí)踐中持續(xù)改進(jìn)，以深化課程建設(shè)，切實(shí)提高留學(xué)生教育培養(yǎng)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫大為，張玉清.新工科背景下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)思維能力培養(yǎng)模式探析[J].計(jì)算機(jī)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(chuàng)新思維能力培養(yǎng)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(wù)模塊化的留學(xué)生大型實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)教育，2018（1）：151-154，158.

[4] 魏曉敏.基于無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備原理教學(xué)改革探索[J].軟件導(dǎo)刊，2021，20（12）：216-220.

[5] 黃鶴，趙祥模，黃鶯，等.多學(xué)科交叉融合構(gòu)建新工科創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)體系[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2022，20（2）：43-46.

[6] 代宇，鄒洋.本科留學(xué)生計(jì)算機(jī)實(shí)踐課程教學(xué)模式探索與研究[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，36（8）：52-56.

[7] 趙明波，林浩，韓慧.來(lái)華留學(xué)生 “計(jì)算機(jī)組成原理” 課程建設(shè)探索[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2021，17（4）： 168-169，172.

[8] 李向群，王新，許新征，等.混合教學(xué)模式下提高留學(xué)生教學(xué)質(zhì)量的探討[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2021，27（31）： 77-81.

【通聯(lián)編輯：王力】