基于OER的特殊學(xué)生群體硬件課程學(xué)習(xí)方法研究

常亮，郭宇飛，閆文剛，何麗麗，劉曉敏

(1.佳木斯大學(xué) 信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007；2. 佳木斯大學(xué) 外國語學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引言

目前高校計(jì)算機(jī)專業(yè)硬件類課程教學(xué)中，并不是所有的學(xué)生都能夠積極、按時(shí)參加所有的課程和實(shí)驗(yàn)練習(xí)。例如有些請(qǐng)事假、生病、或意外情況不能到教室（或?qū)嶒?yàn)室）上課的學(xué)生，對(duì)于這樣的學(xué)生（稱為特殊學(xué)生）群體，需要利用遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)的教學(xué)環(huán)境和虛擬模擬器等方法進(jìn)行教學(xué)。主講教師提供開放的教學(xué)材料、案例研究、課題討論、課程前沿等內(nèi)容，并且根據(jù)硬件類的課程特點(diǎn)、發(fā)展方向和課程進(jìn)展等知識(shí)點(diǎn)，提出創(chuàng)新性的方法促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)[1]。

開放教育資源(OER)能使教師專注于教學(xué)，學(xué)生專注于學(xué)習(xí)，而不受時(shí)間、地點(diǎn)的影響。這些資源在網(wǎng)上教育平臺(tái)系統(tǒng)上發(fā)布，可以自由訪問、重用、修改和共享。OER 對(duì)于特殊群體學(xué)生的學(xué)習(xí)有非常大的幫助作用[2]。

在國外，美國麻省理工學(xué)院(MIT)通過向?qū)W生提供開放式課程(OCW)，在創(chuàng)新教學(xué)上取得了很大的成就。還有通過提供大規(guī)模開放在線課程(Moodle)，如Udacity或Coursera，以及可汗學(xué)院(Khan Academy)等教育資源，成為越來越多人的學(xué)習(xí)工具。Mikroyannidis等人為重用和共享學(xué)習(xí)資源設(shè)計(jì)了社交網(wǎng)絡(luò)[3]。OpenCourse-Ware(OCW)也在蓬勃發(fā)展中，它專注于學(xué)習(xí)資源的分發(fā)，向一個(gè)協(xié)作的Moodle平臺(tái)發(fā)展。Piedra等人提出并實(shí)現(xiàn)了OER-CC本體，以描述知識(shí)共享許可下的學(xué)習(xí)資源，并促進(jìn)教育機(jī)構(gòu)的數(shù)字內(nèi)容共享和學(xué)習(xí)[4]。

在國內(nèi)，開發(fā)了中國大學(xué)MOOC學(xué)習(xí)平臺(tái)。有部分高校使用視覺模擬器提供模擬實(shí)驗(yàn)練習(xí)，可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)硬件的興趣，從而顯著提高平均成績。但它們的實(shí)驗(yàn)和練習(xí)通常是預(yù)先設(shè)定好的，可變性有限，并且建設(shè)這樣的實(shí)驗(yàn)室和購買設(shè)備的費(fèi)用巨大，大多數(shù)高校難以承受[5]。

本文通過分析基于硬件的計(jì)算機(jī)科學(xué)課程的特點(diǎn)，針對(duì)特殊學(xué)生群體，通過進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)并加以分析，提出了基于OER 方法進(jìn)行硬件類課程的教學(xué)改革，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明這種方法對(duì)激發(fā)學(xué)習(xí)積極性和提高成績的效果顯著，且具有很強(qiáng)的可操作性。

1 硬件類課程教學(xué)

電子學(xué)習(xí)平臺(tái)旨在提高計(jì)算機(jī)科學(xué)課程的學(xué)習(xí)效果，但其成功主要體現(xiàn)在基于軟件的課程上?；谟布恼n程需要教師和學(xué)生在教學(xué)和學(xué)習(xí)過程中付出巨大的努力，尤其是在以軟件為導(dǎo)向的課程中，學(xué)生們不想學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)是如何工作的，大多數(shù)學(xué)生只是想把它作為一個(gè)工具來執(zhí)行他們的軟件程序。然而，計(jì)算機(jī)科學(xué)的這種學(xué)習(xí)方法并不能培養(yǎng)出偉大的工程師，只有通過了解硬件的工作原理，才可以提高軟件程序的效率。

1.1 計(jì)算機(jī)硬件課程

在計(jì)算機(jī)科學(xué)課程中，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)與組織是14 個(gè)知識(shí)領(lǐng)域之一，它包括指令集體系結(jié)構(gòu)、微體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。這些知識(shí)通常包含在多門課程中，如計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和組織、微控制器、現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、機(jī)器人、并行和分布式處理等課程。

1.2 微處理器與微控制器課程

Microprocessors and Microcontrollers(MM)課程的主要目標(biāo)是讓學(xué)生掌握硬件工作原理，特別是當(dāng)代計(jì)算機(jī)硬件的功能。涵蓋的知識(shí)包括底層硬件接口、中斷處理、處理器、內(nèi)存、總線和外圍設(shè)備之間的通信（通過學(xué)習(xí)處理器及其指令集的基礎(chǔ)知識(shí)），以及嵌入式系統(tǒng)（通過學(xué)習(xí)微控制器）等內(nèi)容。

MM課程通常分為兩部分。第一部分介紹了微處理器（匯編程序）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和指令集、中斷處理系統(tǒng)、BIOS 和系統(tǒng)例程，第二部分通常側(cè)重微控制器及其使用。學(xué)生將了解各種類型的微控制器，分析它們的組成、指令集和X86微處理器功能，以及外設(shè)系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)等內(nèi)容。

1.3 課程中的問題

MM課程通常以抽象、枯燥和難以理解而著稱，因?yàn)樗粌H是一門基于硬件的課程，而且它還是一門專業(yè)性很強(qiáng)的課程。在多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)這類課程有很大的主觀厭學(xué)的情緒，原因有以下幾點(diǎn)：

1) 基于硬件的MM課程與基于軟件的課程（如算法與復(fù)雜性、編程語言）之間缺乏相關(guān)性。學(xué)生通常對(duì)軟件類課程更有興趣。對(duì)他們來說，學(xué)習(xí)用于微處理器的匯編程序非常困難，而且又不得不學(xué)習(xí)這種低級(jí)語言，導(dǎo)致失去學(xué)習(xí)興趣。

2) 過多的編程和仿真環(huán)境。圖1 展示了原來課程教學(xué)中實(shí)驗(yàn)室資源和師生交互方式。在實(shí)驗(yàn)練習(xí)中，學(xué)生需要與老師進(jìn)行大量的互動(dòng)，并消耗大量的精力。他們的大部分時(shí)間都花在運(yùn)行硬件環(huán)境上，而不是專注于學(xué)習(xí)工作原理。除了必須使用串行端口、一些低級(jí)協(xié)議和多種微控制器等技術(shù)外，學(xué)生們還面臨著特定硬件的問題，如傳感器故障或未連接的引腳等問題。

圖1 原MM課程實(shí)驗(yàn)資源及師生交互

所有這些問題的共同之處是由于實(shí)際的實(shí)驗(yàn)練習(xí)的設(shè)置引起的，這些練習(xí)使用過時(shí)的圖形方法以及對(duì)操作系統(tǒng)、文件的低級(jí)訪問方法，學(xué)生們覺得他們?cè)趯W(xué)習(xí)過時(shí)的技術(shù)，很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2 課程變革和改進(jìn)

根據(jù)對(duì)上述問題的分析，在MM課程結(jié)構(gòu)、材料和教學(xué)方法上做了兩個(gè)方面的改進(jìn)：首先，改進(jìn)教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生對(duì)硬件的興趣。其次，修改課程結(jié)構(gòu)和豐富學(xué)習(xí)材料，使之能與學(xué)生已經(jīng)熟悉的軟件課程相似。

2.1 課程分析

通過對(duì)學(xué)生硬件類課程成績分析，發(fā)現(xiàn)即使是許多優(yōu)秀的學(xué)生，包括全國軟件競賽的參賽者、優(yōu)勝者和Java 競賽的獲獎(jiǎng)?wù)?，成績都不高，有的甚至剛剛及格。改進(jìn)的方法是建立一個(gè)類似于現(xiàn)有軟件課程性質(zhì)的硬件類課程，使學(xué)生熟悉高級(jí)編程語言，如C++、Java，使他們使用高級(jí)語言去學(xué)習(xí)硬件類課程，提高學(xué)習(xí)興趣和成績。

2.2 課程的改革

通過分析表明，課程中的大多數(shù)問題源于實(shí)驗(yàn)室練習(xí)的組織，而不是取決于這些練習(xí)是在真實(shí)的硬件上進(jìn)行的，還是在視覺模擬器上進(jìn)行的。因此，改善的第一個(gè)目標(biāo)是實(shí)驗(yàn)室練習(xí)的結(jié)構(gòu)和組織。方法是把實(shí)驗(yàn)講義做成教程的形式。首先，簡要介紹理論課程中教授過的知識(shí)內(nèi)容，并包括代碼示例，這些代碼示例清楚地展示了理論如何在實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)的。使用現(xiàn)代視覺模擬器，學(xué)生可以看到寄存器和內(nèi)存位置的參數(shù)值變化，并實(shí)時(shí)跟蹤程序的執(zhí)行步驟，這使得學(xué)生可以通過應(yīng)用已經(jīng)學(xué)習(xí)過的課程知識(shí)去調(diào)試設(shè)備，輕松地排除故障。其次，修改講義材料以配合理論課的內(nèi)容。刪除以前的“面向硬件”的實(shí)驗(yàn)練習(xí)（教學(xué)生如何處理圖形、操作系統(tǒng)、文件等），取而代之的是關(guān)于數(shù)組和矩陣、字符串、過程和宏等軟件知識(shí)的練習(xí)。然后，設(shè)計(jì)相對(duì)簡單的作業(yè)，讓學(xué)生把學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用到不需要花太多時(shí)間的硬件配置和故障排除的任務(wù)上。這些簡單的練習(xí)作為平時(shí)成績，有助于提高學(xué)生的期末成績。最后，用具有單個(gè)微控制器的單一開發(fā)板代替實(shí)驗(yàn)室工作的各種不同組件。經(jīng)過這些改進(jìn)，課程變得更加有趣和容易理解，更接近軟件類課程。圖2 展示了新的MM 課程的簡化及學(xué)生/教師互動(dòng)情況。

圖2 新MM課程中的硬件及師生交互

自2021 年以來，教學(xué)方法、學(xué)習(xí)材料和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不斷改進(jìn)，以及增加新穎的動(dòng)手實(shí)驗(yàn)練習(xí)內(nèi)容，極大地改善了MM課程的枯燥、難理解的特點(diǎn)。使該課程有了類似軟件課程的形式特點(diǎn)，能夠使計(jì)算機(jī)科學(xué)的學(xué)生用他們的軟件技能來學(xué)習(xí)硬件類課程，并取得更好的成績，提高了學(xué)習(xí)的興趣和積極性。通過增加硬件項(xiàng)目數(shù)量，使期中成績、期末成績、總體成績、實(shí)驗(yàn)室練習(xí)成績以及必修實(shí)踐項(xiàng)目的成績都顯著的提高。這種改進(jìn)使得學(xué)生在通過了這門課程的考試后，仍然愿意參與可選的硬件項(xiàng)目，大大地激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，甚至部分學(xué)生達(dá)到了發(fā)表研究論文的水平。

3 特殊學(xué)生群體

經(jīng)過對(duì)于硬件類課程不及格學(xué)生調(diào)查分析，總結(jié)了他們的共同特點(diǎn)是缺乏學(xué)習(xí)硬件類課程的興趣和動(dòng)力，沒有把學(xué)習(xí)此類課程作為主要任務(wù)。而在其他（面向軟件的）課程中，這些學(xué)生的表現(xiàn)并不像他們?cè)诨谟布愓n程中表現(xiàn)得那么差。

本研究中有很多學(xué)生都參加了ACM 程序設(shè)計(jì)大賽等國際賽事。通常，這些學(xué)生將他們有限的時(shí)間和注意力分配到軟件類的項(xiàng)目上，導(dǎo)致他們忽視了硬件類的項(xiàng)目和MM課程的學(xué)習(xí)。分析顯示，2021年計(jì)算機(jī)課程的93 名學(xué)生中有23 人是這類“特殊”的學(xué)生，他們中只有12人完成了必修項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)室練習(xí)，被允許參加期末考試，其中9 人通過了考試，3 人不及格。因此，在經(jīng)常參加這門課程的特殊學(xué)生中，有75%通過了期末考試，而那些特殊學(xué)生因?yàn)闆]有定期上課，無法完成強(qiáng)制性的項(xiàng)目和練習(xí)，因此沒有資格參加期末考試。

研究發(fā)現(xiàn)如果進(jìn)一步改變MM 課程教學(xué)方法，這14名特殊的學(xué)生（占所有MM學(xué)生的15%和25%不及格的學(xué)生）應(yīng)該有能力通過這門課程考試，但由于這些學(xué)生不能定期參加實(shí)驗(yàn)課，這就需要實(shí)施一種新的遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)方法——OER方法來彌補(bǔ)缺失的課程。

4 特殊學(xué)生學(xué)習(xí)方法

計(jì)算機(jī)硬件類課程的特點(diǎn)是要求學(xué)生動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)和練習(xí)，這意味著學(xué)生必須參加每周的實(shí)驗(yàn)課，而這種定期出勤的模式并不適合特殊學(xué)生群體。因此他們不僅錯(cuò)過了大部分的實(shí)驗(yàn)課，而且當(dāng)他們參加實(shí)驗(yàn)課時(shí)，因?yàn)闆]有從預(yù)先練習(xí)中獲得的知識(shí)而很難進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

大多數(shù)高校遵循傳統(tǒng)的方法，其中最重要的是需要在整個(gè)學(xué)期中對(duì)學(xué)生進(jìn)行持續(xù)的評(píng)分。這對(duì)大多數(shù)普通學(xué)生來說都很有效，因?yàn)樗麄兊某銮诼屎芨?。?duì)于特殊學(xué)生群體來說，情況并非如此。如果要求他們能與普通學(xué)生同時(shí)完成任務(wù)和項(xiàng)目練習(xí)，而這些任務(wù)和項(xiàng)目是與硬件（尤其是昂貴的硬件）相關(guān)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的問題。

為了解決學(xué)生在硬件課程學(xué)習(xí)中對(duì)連續(xù)性的需求，我們對(duì)組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一些額外的改變，并引入了新的方法和資源，如圖3所示。因?yàn)镸oodle是易于使用的學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)(LMS)，所以把整個(gè)計(jì)算機(jī)課程都放在Moodle上，通過這個(gè)遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)平臺(tái)展示所有課程，讓沒有上課的學(xué)生能夠隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)。此外，我們鼓勵(lì)學(xué)生使用其他知名大學(xué)的OER課程，如中國大學(xué)MOOC課程，并使用開放圖書館的書籍。通過使用OER和其他大學(xué)的學(xué)生及老師互動(dòng)，使得在實(shí)驗(yàn)練習(xí)上達(dá)到普通學(xué)生與老師互動(dòng)的效果。由于特殊學(xué)生群體通常與老師的互動(dòng)及實(shí)驗(yàn)室練習(xí)有限，所以鼓勵(lì)他們使用不受時(shí)間、地點(diǎn)限制的OER 方法進(jìn)行學(xué)習(xí)，能夠達(dá)到事半功倍的效果。

圖3 新的方法、資源及師生互動(dòng)

盡管特殊學(xué)生群體需要在實(shí)際硬件上完成最后的項(xiàng)目，但Moodle 平臺(tái)使他們能夠在任何地方做準(zhǔn)備，能夠在實(shí)驗(yàn)室中演示有效的硬件實(shí)驗(yàn)成果。

對(duì)于特殊學(xué)生群體，需要在實(shí)驗(yàn)習(xí)題教學(xué)方法上進(jìn)行改進(jìn)。在每次實(shí)際實(shí)驗(yàn)練習(xí)前一周，在MM OER Moodle 課程上傳一個(gè)預(yù)備實(shí)驗(yàn)練習(xí)。這種方法不僅使特殊學(xué)生更有動(dòng)力、更容易學(xué)習(xí)，而且也能明顯提高學(xué)生的成績。

5 OER模型方法

對(duì)MM 課程的整體改進(jìn)使計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生達(dá)到了非常好的學(xué)習(xí)效果。在2022 學(xué)年，對(duì)14 名特殊學(xué)生群體的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，得到了理想的結(jié)果。

5.1 考試通過率提高

新的OER 方法的最大成就是特殊學(xué)生群體在整個(gè)學(xué)期都能保持良好的學(xué)習(xí)狀態(tài)。圖4 顯示了2021年（不采用OER方法）和2022年（采用OER方法）的期中和期末考試通過率。在OER 方法下進(jìn)行的期中考試使特殊學(xué)生的通過率增加了兩倍多，從13%上升到43%。此外，特殊的學(xué)生2022 年期中考試的通過率(42.86%)高于沒有使用OER 方法的2021 年期末考試的通過率(39.13%)。

圖4 2021年和2022年特殊學(xué)生的期末考試成績

從圖4中可以看出，與2021年（不采用OER方法）相比，2022 年（采用OER 方法）的最終通過率也提高了18%。期末考試通過率現(xiàn)在非常接近整個(gè)課程的平均水平(65.18%)。

5.2 成績分布

除了特殊學(xué)生群體及格率大大提高之外，尖子生的成績也明顯提高。2021年，最高成績?yōu)?分。2022年，在使用OER方法情況下，有一名學(xué)生獲得了9分，還有兩名學(xué)生獲得了10分，如圖5所示（最低分?jǐn)?shù)為6分，最高分?jǐn)?shù)為10分）。所有學(xué)生（包括普通學(xué)生和特殊的學(xué)生）平均成績也從6.67提高到8.0，這也非常接近整個(gè)課程的平均成績(8.35)。

圖5 2021年與2022年課程成績分布

5.3 未來的計(jì)劃

計(jì)算機(jī)硬件課程經(jīng)歷了從一個(gè)非常不受學(xué)生歡迎的課程，轉(zhuǎn)變?yōu)樵敢膺x擇它完成畢業(yè)論文的課程。OER方法使硬件課程容易學(xué)習(xí)，硬件類課程成績分布改善，并且使學(xué)生學(xué)習(xí)積極性提高。把硬件和實(shí)驗(yàn)室為導(dǎo)向的課程轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢栽陔S時(shí)隨地學(xué)習(xí)的課程，這種課程改革適應(yīng)了特殊學(xué)生群體的需求。它使特殊學(xué)生群體接受這種遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)，更喜歡使用OER方法、虛擬模擬器和其他在線輔助工具學(xué)習(xí)硬件類課程。我們希望通過引入更多的OER理論方法，進(jìn)一步提高學(xué)生學(xué)習(xí)成績和興趣。

使用遠(yuǎn)程教學(xué)和虛擬實(shí)驗(yàn)室的新趨勢(shì)似乎是改善基于硬件類課程教與學(xué)的發(fā)展方向。遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室可以在一個(gè)偏遠(yuǎn)的物理地點(diǎn)建立一個(gè)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生從物理設(shè)備得到反饋。虛擬實(shí)驗(yàn)室通過圖形用戶界面提供交互式模擬，而不提供與真實(shí)設(shè)備的鏈接。根據(jù)硬件類課程的性質(zhì)，對(duì)課程的匯編部分使用虛擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)微控制器部分使用遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)是很好的方法，這兩種類型的實(shí)驗(yàn)都可以與現(xiàn)有的開源LMS集成。

6 結(jié)論

本文描述了在面向硬件類課程中，針對(duì)特殊學(xué)生群體，引入了OER 方法作為一種學(xué)習(xí)工具，提高了他們的及格率和總體成績，特別是曾經(jīng)只能勉強(qiáng)及格的兩名學(xué)生獲得了很高分?jǐn)?shù)，取得了優(yōu)異成績，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

另一個(gè)好處是對(duì)特殊學(xué)生群體教學(xué)方法的改進(jìn)也間接地提高普通學(xué)生的成績。研究證明，使用OER方法、可視化模擬器等工具可以極大地改善面向硬件類課程教學(xué)效果，使學(xué)生獲得最佳的實(shí)際硬件體驗(yàn)。另外，根據(jù)特殊學(xué)生群體的特點(diǎn)制定的課程教學(xué)大綱和方法，也使得普通學(xué)生群體的成績得到了提高。

硬件類課程教學(xué)方法的每一次迭代改進(jìn)都帶來了成績分布的改善。例如，重組MM課程是通過模仿軟件課程的結(jié)構(gòu)激發(fā)了計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)生對(duì)硬件的興趣，因?yàn)樗麄兡軌驅(qū)④浖寄軕?yīng)用于硬件相關(guān)的問題。另外，在實(shí)驗(yàn)開始前一周發(fā)布實(shí)踐練習(xí)，從而確保學(xué)生有備而來，能夠有效地提高平均成績和學(xué)習(xí)積極性。