留学生计算机专业硬件综合实践课程的设计与探索

祝家钰 肖丹

摘要：基于新工科教育理念，从留学生的学习能力和性格特点出发，以计算机专业硬件综合实践课程为例，在教学内容、教学方案、实践方法、教材及资源建设等方面对该实践课程的体系进行设计。教学内容多方向、分层次，课堂上进行翻转、体验式教学，实践中采取任务模块分解法，分阶段、按步骤进行，强调软硬件协同设计。以学习产出作为导向，探索满足国际需求的、注重工程实践能力的全英文课程建设模式。

关键词：新工科；硬件实践；教学体系；多维度；任务模块化；全英文

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）13-0178-03

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1 引言

随着我国经济的发展和国际影响力的提高，近年来华留学生大量增加。大数据、虚拟现实、人工智能等计算机技术的蓬勃发展，也让计算机专业成为留学生的热门选择。硬件综合实践是计算机专业的必修核心实践类课程，基于新工科教育理念[1]，目的在于培养学生软硬件协同设计能力、工程实践能力、研究创新能力，以及团队合作能力。留学生汉语水平薄弱，不具备汉语读写能力，听说能力也不行，因此只能采用全英文教学方式。经过调查研究后发现，此类涉及硬件的实践课程，其英文教学资源比较匮乏，教学经验也不足。因此，有必要开展针对该全英文课程的教学研究，全面建设并不断完善课程的教学体系，为后续其他计算机类实践课程的全英文教学探索道路。

2 全英文实践课程存在的问题

2.1 留学生现状

留学生在本国普遍接受英语教育，英语水平较高。由于各国基础教育侧重点的不同，留学生数理化能力偏弱，学习能力也参差不齐。计算机专业硬件课程理论性和系统性强，实践课程又要求较强的动手能力，这就导致大部分留学生在学习此类课程时存在较多困难。但留学生具有较好的课堂互动能力，自我表现欲强。

2.2 课程现状

计算机专业的课程体系已经教学运行多年，教学资料完备，教师经验丰富。但从培养方案、教学大纲、教材到学习资源，以及最终的实施都采用了中文及中文思维方式，缺乏这些教学材料对应的英文版本。硬件类实践课程专业性强，强调可操作性，这也为全英文课程的建设增加了难度。此外，教学内容不够丰富，难度层次划分不明显，课堂组织方形式也比较单一。必须针对留学生自身情况和学习需求，改革原中文课程体系，建设全套英文课程体系。

3 留学生硬件综合实践课程建设

3.1 教学实践体系

1） 课程背景

硬件综合实践课程在工程认证中具有重要地位。课程基于OBE（Outcomes-based Education） 成果导向教育理念[2]，任务是利用所学的计算机系统体系知识，选择合适的技术手段及硬件平台进行软件设计，最终实现一个功能完善的系统级应用。该课程基于嵌入式系统设计、计算机组织结构、微机原理与接口技术、操作系统、C语言程序设计、汇编语言等多门前序课程知识。硬件综合实践课程的主要特点是多学科交叉、理论性强和实践性高。该课程属于专业实践课，一般在大学三年级第2学期开设，课程集中安排在一周内。除了学生在实验室集中实践20个学时外，还需要大量的课下时间进行相关知识的获取和拓展。

2） 教学实践内容

留学生与中国学生在文化背景、学习能力、性格等方面均存在不同，因此需要构建差异化的教学方案。以培养多元化、复合型工程人才的新工科教育理念为指导，进行教学实践内容的组织，构造实践课程的基本框架，突出课程的工程实践性主旨。

留学生硬件综合课程的实践内容设计包含嵌入式系统、微机接口和计算机系统结构三个方向，每一个方向下的选题难度均有差异。要求学生任选其中一个方向下的一个项目，自行选择、组织硬件模块，进行程序设计、实现，使之构成一个完整的、具有一定创新功能的应用系统。实践项目的具体内容见表1：

嵌入式系统方向基于ARM核心板，主要开发结合外部设备的应用系统。外设包含音视频、传感器、无线通信模块等，它们的正常运行需要驱动程序的配合，因此课题难度与选用外设模块的数量相关。微机接口方向采用80×86处理器，接口芯片包含中断控制器、定时/计数器、串/并行接口等，在实践中首先要求学生掌握芯片的引脚功能和工作方式。本方向选题难度也不同，例如电梯模拟用LED灯就可以实现，而电子密码锁需要整合键盘输入模块和数码管显示模块。计算机系统结构方向的基本能力点是微程序控制器、运算器和存储器的软件设计，项目选题难度随CPU是否具备流水线设计和缓存而递增。

硬件综合实践包括了计算机专业主要硬件课程，具有很强的综合性。以项目为驱动，项目选题多方向，难度分层次，体现了差异化的设计，能够满足学生不同的需求和学习水平，促进每个留学生最大限度的能力锻炼和发展。

3） 教学方案

硬件综合实践课程涉及知识范围广、概念抽象，留学生难以理解，因此在课堂授课中采取体验式教学法。选取知识结构完整和贴近实际生活的项目案例，让学生进行观摩和实践。例如智能家居的项目实践，在项目运行过程中，教师讲授传感器函数调用，数码管和点阵显示原理等知识点，学生操作實验平台。可观察到的实验结果是：硬件设备上的数码管显示当前温湿度的数值；光敏电阻检测到的环境光照度显示在16×16点阵上；当光照过低时，LED灯依次亮起；用打火机在燃气传感器旁打火，蜂鸣器会报警。体验式教学具备直观性、生动性，能够快速吸引学生注意力，活跃课堂气氛，激发学生的学习兴趣。同时将理论与实践相结合，深化学生对知识点的理解掌握。

4） 实践方法、步骤

硬件综合实践实践内容涉及知识点众多，对于留学生来说尤为困难。因此采用任务模块化的实践方法[3]。根据实践重点、难点，将大型实践任务分解为多个小型项目模块。这些模块相互关联，但又相对独立。要求学生由小渐大的进行项目开发，避免突然接触到大型问题后无从下手的问题。引导学生进行问题分析，并逐次解决其中的小型关键问题，然后进行多模块整合，最终完成大型实践任务。

图1以嵌入式系统方向的智能家居模拟项目为例，将该任务分解为多个小型任务模块。教师向学生提供每个模块的目标任务书和参考资料，根据教学情况适当提示问题的解决思路，讲解程序框架。任务分解方法使知识点、能力点更为清晰明了，降低了项目实践的难度，更适合应用于留学生的实践教学中。

同时，硬件综合的实践过程也按照软件工程理论，分阶段、按步骤进行，重点在于软硬件综合设计。具体步骤如下：需求分析→整体功能描述→硬件设计→软件设计编码→系统级合成→系统功能测试。

3.2 教材及教学资源建设

1） 教材设计

硬件综合实践课程设计包括多门硬件相关课程的实验实践内容，综合性强，没有办法指定某一本已有的英文教材，只能采用自编教材的方式。留学生的学习基础与中国学生存在较大差异，需要进行教材内容的筛选[4]。原则是既要难易适中、知识点全面，又要突出重点。删除难度比较高的教学内容，例如Opencv移植、嵌入式图像处理。其次，对中文教材进一步改编和重组，列举典型项目，对任务、解决方案、实践步骤进行更加完整、详细地说明。通过查阅相关专业文献，力求英语表达深入浅出、通俗易懂，并辅助一些生动形象的图表，使学生理解起来更直观、容易。结合新工科理念，在教材中增加一些互联网、工业智能相关的实际应用案例的说明和演示，以提升学生的学习兴趣，进一步明确实践方向和目标。

2） 教学资源

充分利用互聯网在教学实践中的优势，提供丰富的线上学习资源，是对传统线下教学的有益补充。由于计算机硬件综合实践课程涉及众多前序课程，课堂上无法回顾所有知识点，因此必须建立结构清晰、内容完备的网络资源，整合课程知识点[5]。资源建设分为三个层次：第一层次按照前序课程类型分类，如软件类、硬件类；第二层次按某门课程下的主要知识点进行构建；第三层次为具体知识点对应的实验资料，如实验内容、操作指南等。合理使用图文、音视频、和虚拟仿真等素材，力求线上资源丰富多样。留学生在本课程开课之前，能够进行自主学习，打好课程基础，更好地参与到后面的动手实践中去。除此之外，还可以整合外网相关的优秀课程资源，拓宽学生知识面。

3.3 课堂形式及考核方式

1）  课堂组织形式

实践课程以学生动手实践为主体。教师利用2～3个学时进行任务下达、重点难点讲解和案例演示，其余时间是学生自行学习实践，教师进行巡查指导、答疑[6]。教师的授课采用多媒体手段，主要进行典型案例的分析，为学生梳理任务目标、方案设计到具体实现这一全过程。考虑到留学生普遍活泼，喜欢提问题的特点，偏重发展学生在课堂上的主导地位。将重点问题作为研讨主题，鼓励学生就技术细节发表意见，并通过反复讨论和资料查阅找到解决方法。从这些方面培养留学生分析问题、解决问题的能力。

此外，安排线上互动、答疑时间，向留学生介绍一些模拟仿真平台，例如 Proteus、IAR embedded workbench 或Keil MDK-ARM集成开发环境[7]。这些实验平台支持ARM、Cortex、AVR等处理器，帮助学生进一步理解硬件程序开发的全过程。

硬件综合实践课程是用工程项目的方法和规范来进行系统开发和维护，目标是培养学生的计算机专业能力、工程素养、团队协作意识和创新精神。因此，课程实践采用分组形式进行，每组2～3人，并设立小组长总体负责，以保障项目按进度实施，培养和提升学生的项目协作及系统综合能力。

2）  考核方式

构建多维考核体系，对强化实践动手能力的培养、开发学习潜能具有非常关键的作用[8]。课程设计将部分考核点放在平时的课堂表现上。项目任务完成后，采取翻转课堂的形式，让学生上台展示成果并答辩。一方面满足留学生的表现欲，另一方面能够更好地进行教学效果评测。课后要求学生按照软件工程的思维方法，进行报告的撰写。总评成绩由平时表现、汇报答辩、系统实现、实践报告成绩四部分构成。考核方式注重过程，融入了工程教育的思想。

4 结束语

针对留学生文化差异、学习情况及性格特点，探讨全英文的、计算机专业硬件综合实践课程体系的设计和实践。教学内容多维度，且选取切合实际工程、生活应用的项目。在教学实践中发现，多样化的选择有利于留学生扬长避短，能够较好地激发他们的学习动力。采用体验式教学、翻转课堂、小组讨论等多种学习方式，坚持以学生为中心。实践方法采取任务模块分解法，分阶段、按步骤进行。基于新工科理念，以成果为导向，以面向未来和国际水平为目标，通过工程项目和多学科交叉融合，培养学生的实践能力和创新能力。期待在教学实践中持续改进，以深化课程建设，切实提高留学生教育培养质量。

参考文献：

[1] 孙大为，张玉清.新工科背景下计算机系统思维能力培养模式探析[J].计算机教育，2020（7）：94-97.

[2] 邵云飞， 周湘蓉， 陈涛. 基于OBE理论工科研究生创新思维能力培养方案研究[J]. 高等理科教育， 2022（2）：40-47.

[3] 汪晓妍，黄鲜萍，夏明，等.任务模块化的留学生大型实验教学探索与实践[J].计算机教育，2018（1）：151-154，158.

[4] 魏晓敏.基于无人机系统的嵌入式系统与网络设备原理教学改革探索[J].软件导刊，2021，20（12）：216-220.

[5] 黄鹤，赵祥模，黄莺，等.多学科交叉融合构建新工科创新实践教学体系[J].实验科学与技术，2022，20（2）：43-46.

[6] 代宇，邹洋.本科留学生计算机实践课程教学模式探索与研究[J].吉林化工学院学报，2019，36（8）：52-56.

[7] 赵明波，林浩，韩慧.来华留学生 “计算机组成原理” 课程建设探索[J].电脑知识与技术，2021，17（4）： 168-169，172.

[8] 李向群，王新，许新征，等.混合教学模式下提高留学生教学质量的探讨[J].现代计算机，2021，27（31）： 77-81.

【通联编辑：王力】