基于OER的特殊學生群體硬件課程學習方法研究

常亮，郭宇飛，閆文剛，何麗麗，劉曉敏

(1.佳木斯大學 信息電子技術學院，黑龍江 佳木斯 154007；2. 佳木斯大學 外國語學院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引言

目前高校計算機專業硬件類課程教學中，并不是所有的學生都能夠積極、按時參加所有的課程和實驗練習。例如有些請事假、生病、或意外情況不能到教室（或實驗室）上課的學生，對于這樣的學生（稱為特殊學生）群體，需要利用遠程學習的教學環境和虛擬模擬器等方法進行教學。主講教師提供開放的教學材料、案例研究、課題討論、課程前沿等內容，并且根據硬件類的課程特點、發展方向和課程進展等知識點，提出創新性的方法促進學生學習[1]。

開放教育資源(OER)能使教師專注于教學，學生專注于學習，而不受時間、地點的影響。這些資源在網上教育平臺系統上發布，可以自由訪問、重用、修改和共享。OER 對于特殊群體學生的學習有非常大的幫助作用[2]。

在國外，美國麻省理工學院(MIT)通過向學生提供開放式課程(OCW)，在創新教學上取得了很大的成就。還有通過提供大規模開放在線課程(Moodle)，如Udacity或Coursera，以及可汗學院(Khan Academy)等教育資源，成為越來越多人的學習工具。Mikroyannidis等人為重用和共享學習資源設計了社交網絡[3]。OpenCourse-Ware(OCW)也在蓬勃發展中，它專注于學習資源的分發，向一個協作的Moodle平臺發展。Piedra等人提出并實現了OER-CC本體，以描述知識共享許可下的學習資源，并促進教育機構的數字內容共享和學習[4]。

在國內，開發了中國大學MOOC學習平臺。有部分高校使用視覺模擬器提供模擬實驗練習，可以提高學生學習硬件的興趣，從而顯著提高平均成績。但它們的實驗和練習通常是預先設定好的，可變性有限，并且建設這樣的實驗室和購買設備的費用巨大，大多數高校難以承受[5]。

本文通過分析基于硬件的計算機科學課程的特點，針對特殊學生群體，通過進行大量實驗并加以分析，提出了基于OER 方法進行硬件類課程的教學改革，實驗結果證明這種方法對激發學習積極性和提高成績的效果顯著，且具有很強的可操作性。

1 硬件類課程教學

電子學習平臺旨在提高計算機科學課程的學習效果，但其成功主要體現在基于軟件的課程上。基于硬件的課程需要教師和學生在教學和學習過程中付出巨大的努力，尤其是在以軟件為導向的課程中，學生們不想學習計算機是如何工作的，大多數學生只是想把它作為一個工具來執行他們的軟件程序。然而，計算機科學的這種學習方法并不能培養出偉大的工程師，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 計算機硬件課程

在計算機科學課程中，計算機體系結構與組織是14 個知識領域之一，它包括指令集體系結構、微體系結構和系統體系結構。這些知識通常包含在多門課程中，如計算機體系結構和組織、微控制器、現代計算機系統、機器人、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)課程的主要目標是讓學生掌握硬件工作原理，特別是當代計算機硬件的功能。涵蓋的知識包括底層硬件接口、中斷處理、處理器、內存、總線和外圍設備之間的通信（通過學習處理器及其指令集的基礎知識），以及嵌入式系統（通過學習微控制器）等內容。

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）的內部結構和指令集、中斷處理系統、BIOS 和系統例程，第二部分通常側重微控制器及其使用。學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，以及外設系統、嵌入式系統等內容。

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，因為它不僅是一門基于硬件的課程，而且它還是一門專業性很強的課程。在多年的教學經驗中，發現學生對這類課程有很大的主觀厭學的情緒，原因有以下幾點：

1) 基于硬件的MM課程與基于軟件的課程（如算法與復雜性、編程語言）之間缺乏相關性。學生通常對軟件類課程更有興趣。對他們來說，學習用于微處理器的匯編程序非常困難，而且又不得不學習這種低級語言，導致失去學習興趣。

2) 過多的編程和仿真環境。圖1 展示了原來課程教學中實驗室資源和師生交互方式。在實驗練習中，學生需要與老師進行大量的互動，并消耗大量的精力。他們的大部分時間都花在運行硬件環境上，而不是專注于學習工作原理。除了必須使用串行端口、一些低級協議和多種微控制器等技術外，學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課程實驗資源及師生交互

所有這些問題的共同之處是由于實際的實驗練習的設置引起的，這些練習使用過時的圖形方法以及對操作系統、文件的低級訪問方法，學生們覺得他們在學習過時的技術，很難激發學生的學習興趣。

2 課程變革和改進

根據對上述問題的分析，在MM課程結構、材料和教學方法上做了兩個方面的改進：首先，改進教學方法，激發學生對硬件的興趣。其次，修改課程結構和豐富學習材料，使之能與學生已經熟悉的軟件課程相似。

2.1 課程分析

通過對學生硬件類課程成績分析，發現即使是許多優秀的學生，包括全國軟件競賽的參賽者、優勝者和Java 競賽的獲獎者，成績都不高，有的甚至剛剛及格。改進的方法是建立一個類似于現有軟件課程性質的硬件類課程，使學生熟悉高級編程語言，如C++、Java，使他們使用高級語言去學習硬件類課程，提高學習興趣和成績。

2.2 課程的改革

通過分析表明，課程中的大多數問題源于實驗室練習的組織，而不是取決于這些練習是在真實的硬件上進行的，還是在視覺模擬器上進行的。因此，改善的第一個目標是實驗室練習的結構和組織。方法是把實驗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內容，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踐中實現的。使用現代視覺模擬器，學生可以看到寄存器和內存位置的參數值變化，并實時跟蹤程序的執行步驟，這使得學生可以通過應用已經學習過的課程知識去調試設備，輕松地排除故障。其次，修改講義材料以配合理論課的內容。刪除以前的“面向硬件”的實驗練習（教學生如何處理圖形、操作系統、文件等），取而代之的是關于數組和矩陣、字符串、過程和宏等軟件知識的練習。然后，設計相對簡單的作業，讓學生把學到的知識應用到不需要花太多時間的硬件配置和故障排除的任務上。這些簡單的練習作為平時成績，有助于提高學生的期末成績。最后，用具有單個微控制器的單一開發板代替實驗室工作的各種不同組件。經過這些改進，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 課程的簡化及學生/教師互動情況。

圖2 新MM課程中的硬件及師生交互

自2021 年以來，教學方法、學習材料和實驗設備的不斷改進，以及增加新穎的動手實驗練習內容，極大地改善了MM課程的枯燥、難理解的特點。使該課程有了類似軟件課程的形式特點，能夠使計算機科學的學生用他們的軟件技能來學習硬件類課程，并取得更好的成績，提高了學習的興趣和積極性。通過增加硬件項目數量，使期中成績、期末成績、總體成績、實驗室練習成績以及必修實踐項目的成績都顯著的提高。這種改進使得學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目，大大地激發了學習興趣，甚至部分學生達到了發表研究論文的水平。

3 特殊學生群體

經過對于硬件類課程不及格學生調查分析，總結了他們的共同特點是缺乏學習硬件類課程的興趣和動力，沒有把學習此類課程作為主要任務。而在其他（面向軟件的）課程中，這些學生的表現并不像他們在基于硬件類課程中表現得那么差。

本研究中有很多學生都參加了ACM 程序設計大賽等國際賽事。通常，這些學生將他們有限的時間和注意力分配到軟件類的項目上，導致他們忽視了硬件類的項目和MM課程的學習。分析顯示，2021年計算機課程的93 名學生中有23 人是這類“特殊”的學生，他們中只有12人完成了必修項目和實驗室練習，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，在經常參加這門課程的特殊學生中，有75%通過了期末考試，而那些特殊學生因為沒有定期上課，無法完成強制性的項目和練習，因此沒有資格參加期末考試。

研究發現如果進一步改變MM 課程教學方法，這14名特殊的學生（占所有MM學生的15%和25%不及格的學生）應該有能力通過這門課程考試，但由于這些學生不能定期參加實驗課，這就需要實施一種新的遠程學習方法——OER方法來彌補缺失的課程。

4 特殊學生學習方法

計算機硬件類課程的特點是要求學生動手做實驗和練習，這意味著學生必須參加每周的實驗課，而這種定期出勤的模式并不適合特殊學生群體。因此他們不僅錯過了大部分的實驗課，而且當他們參加實驗課時，因為沒有從預先練習中獲得的知識而很難進行實驗。

大多數高校遵循傳統的方法，其中最重要的是需要在整個學期中對學生進行持續的評分。這對大多數普通學生來說都很有效，因為他們的出勤率很高。對于特殊學生群體來說，情況并非如此。如果要求他們能與普通學生同時完成任務和項目練習，而這些任務和項目是與硬件（尤其是昂貴的硬件）相關時，就會產生嚴重的問題。

為了解決學生在硬件課程學習中對連續性的需求，我們對組織結構進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。因為Moodle是易于使用的學習管理系統(LMS)，所以把整個計算機課程都放在Moodle上，通過這個遠程學習平臺展示所有課程，讓沒有上課的學生能夠隨時隨地學習。此外，我們鼓勵學生使用其他知名大學的OER課程，如中國大學MOOC課程，并使用開放圖書館的書籍。通過使用OER和其他大學的學生及老師互動，使得在實驗練習上達到普通學生與老師互動的效果。由于特殊學生群體通常與老師的互動及實驗室練習有限，所以鼓勵他們使用不受時間、地點限制的OER 方法進行學習，能夠達到事半功倍的效果。

圖3 新的方法、資源及師生互動

盡管特殊學生群體需要在實際硬件上完成最后的項目，但Moodle 平臺使他們能夠在任何地方做準備，能夠在實驗室中演示有效的硬件實驗成果。

對于特殊學生群體，需要在實驗習題教學方法上進行改進。在每次實際實驗練習前一周，在MM OER Moodle 課程上傳一個預備實驗練習。這種方法不僅使特殊學生更有動力、更容易學習，而且也能明顯提高學生的成績。

5 OER模型方法

對MM 課程的整體改進使計算機專業的學生達到了非常好的學習效果。在2022 學年，對14 名特殊學生群體的實驗進行分析，得到了理想的結果。

5.1 考試通過率提高

新的OER 方法的最大成就是特殊學生群體在整個學期都能保持良好的學習狀態。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 方法下進行的期中考試使特殊學生的通過率增加了兩倍多，從13%上升到43%。此外，特殊的學生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%。期末考試通過率現在非常接近整個課程的平均水平(65.18%)。

5.2 成績分布

除了特殊學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，最高成績為8分。2022年，在使用OER方法情況下，有一名學生獲得了9分，還有兩名學生獲得了10分，如圖5所示（最低分數為6分，最高分數為10分）。所有學生（包括普通學生和特殊的學生）平均成績也從6.67提高到8.0，這也非常接近整個課程的平均成績(8.35)。

圖5 2021年與2022年課程成績分布

5.3 未來的計劃

計算機硬件課程經歷了從一個非常不受學生歡迎的課程，轉變為愿意選擇它完成畢業論文的課程。OER方法使硬件課程容易學習，硬件類課程成績分布改善，并且使學生學習積極性提高。把硬件和實驗室為導向的課程轉變為可以在隨時隨地學習的課程，這種課程改革適應了特殊學生群體的需求。它使特殊學生群體接受這種遠程教學系統，更喜歡使用OER方法、虛擬模擬器和其他在線輔助工具學習硬件類課程。我們希望通過引入更多的OER理論方法，進一步提高學生學習成績和興趣。

使用遠程教學和虛擬實驗室的新趨勢似乎是改善基于硬件類課程教與學的發展方向。遠程實驗室可以在一個偏遠的物理地點建立一個實際的實驗，學生從物理設備得到反饋。虛擬實驗室通過圖形用戶界面提供交互式模擬，而不提供與真實設備的鏈接。根據硬件類課程的性質，對課程的匯編部分使用虛擬實驗，對微控制器部分使用遠程實驗是很好的方法，這兩種類型的實驗都可以與現有的開源LMS集成。

6 結論

本文描述了在面向硬件類課程中，針對特殊學生群體，引入了OER 方法作為一種學習工具，提高了他們的及格率和總體成績，特別是曾經只能勉強及格的兩名學生獲得了很高分數，取得了優異成績，激發了學生學習的積極性。

另一個好處是對特殊學生群體教學方法的改進也間接地提高普通學生的成績。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效果，使學生獲得最佳的實際硬件體驗。另外，根據特殊學生群體的特點制定的課程教學大綱和方法，也使得普通學生群體的成績得到了提高。

硬件類課程教學方法的每一次迭代改進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構激發了計算機科學學生對硬件的興趣，因為他們能夠將軟件技能應用于硬件相關的問題。另外，在實驗開始前一周發布實踐練習，從而確保學生有備而來，能夠有效地提高平均成績和學習積極性。