李江昊，劉 豐，王 偉

（燕山大學 信息科學與工程學院，河北 秦皇島 066004）

0 引言

知行合一是明朝思想家王陽明所創(chuàng)立的心學的核心觀點。知是指知識、認識等，行指行為、實踐。以王陽明為代表的中國古代哲學家認為，不僅要認知學識，還應當去踐行。通俗來講就是不可死讀書，而是要在實踐中檢驗并獲取新的知識。

目前，工科院校在課程規(guī)劃設計方面仍多缺陷，比重上以理論為主、實踐為輔，排序上理論在先、實踐隨后，知行時間脫節(jié)、空間分離現(xiàn)象普遍存在。課堂教學本身很多仍停留在教師單方面灌輸，課程安排的實驗、項目、課設等環(huán)節(jié)拖后，特別對于實踐性強的課程，如微機原理、單片機、嵌入式系統(tǒng)等，單就課堂本身而言仍是教師講述為主，內(nèi)容晦澀難懂，導致學生缺乏感性認識，學習積極性不高，最后考試成績?nèi)俊氨扯喾帧?。對于課后安排的實驗，往往與教學內(nèi)容在時間上脫節(jié)，再加上監(jiān)督、考核機制的欠缺，到了實驗室不少學生應付了事。如果能將實踐環(huán)節(jié)引入課堂，知識就地轉化為可看見的成果，那么課程的意義就大不相同。知行合一的提法在教學文獻中出現(xiàn)過幾次，理解和應用各有不同。有教學者在工程實訓中應用知行合一的理念，但教學和實踐是兩塊場地，仍不能解決知行在空間上的割裂問題[1-2]；有學者高屋建瓴提出知行合一的宏觀大課程觀，力圖再造整個工程教育教學系統(tǒng)[3]。

1 知行合一教學模式構建

理論構建包括知行內(nèi)容層級劃分與映射、知行合一模型構建以及融合實施方案設計3 個核心內(nèi)容。

1.1 知行內(nèi)容層級劃分與映射

知即知識點，包括理論知識和技術知識；行即實踐、行動。將課程內(nèi)容中涉及的知識進行分層設計，同時設計出對應的實踐行動層，并建立映射關系，如圖1 所示，知識層和行動層均分為3 級，由淺入深層層推進。初級層為基礎知識點，通過便捷的隨堂紙測練方式來讓學生理解和掌握；中級層涉及硬件模塊原理及驅動程序設計等重要內(nèi)容，所以著重安排漸進式的上機調(diào)試來掌握，難度逐漸增加，進程逐步推進。高級層為理念知識，以往不被重視，看似簡單但恰恰是最重要的，它相當于課程綱領，理解透徹有醍醐灌頂?shù)淖饔?。此級可以通過對等的三級項目實踐來讓學生深入體會和掌握。

圖1 還描述了多點映射的情況，除了主要知行映射，還配合以輔助映射。知行分級和映射有助于更好地實施課程內(nèi)容，做到有所側重，有所取舍，有的放矢。

圖1 知與行分級設計及映射關系（實線主映射虛線輔映射）

1.2 知行合一模型構建

模型尤為重要，它決定了上述知行映射采用何種方式實施，簡單地將實踐引入課程并不能稱為知行合一，必須進行很好的設計。知行合一模型如圖2 所示，設計有3 種不同的融合模型，以適用于不同層次的知識類型。

圖2（a）為分布·交融式，知識點成點云狀分布于課程學習過程之中，相應地行動環(huán)節(jié)也跟隨成點云分布，并與知識點糅合到一起。該模型適用教學前期階段，針對零散基礎知識點和隨堂紙的知行映射，實施較為靈活。

圖（b）為矩陣· 集中式，知識多為整體塊狀，即矩形形式，實踐環(huán)節(jié)也給予較長的整塊時間，知與行各自環(huán)節(jié)分塊集中進行，前后銜接。此模型適用于教學中期階段，知識主要涉及各種硬件模塊原理、功能與程序控制，需集中整塊時間講解，而后進入上機調(diào)試實踐。

圖（c）為輻射· 自主式，用一個能夠以點概面的“大知識”去輻射一個系統(tǒng)化的需較長時間的實踐活動，行動過程有很強的自主性，允許自由發(fā)揮和創(chuàng)造。此模型適用于后期階段的三級項目，用所教課程的設計理念這一大知識的輻射下，學生自主開展項目設計，鍛煉創(chuàng)新實踐能力。三級項目也是對前期、中期所學理論知識和實踐能力的一個綜合檢驗。

1.3 知行合一實施方案設計

一門課程的不同階段所側重的知識層次和類別是不同的，要采用不同的知行合一實施方案，同時還要加入時間節(jié)點、課時配比等要素。具體方案設計見表1，教學過程劃分為3 個階段，前期主要為碎片化的基礎知識，講課的時間分配可以多一些；中期為硬件模塊與程序設計的內(nèi)容，時間分配上知行大體相仿；后期為項目理念知識和實施階段，理念講授時間較短，而實踐即項目實施則需分配較多時間。

圖2 知行合一模型

表1 各教學階段的知行合一模式及用時配比方案

2 嵌入式系統(tǒng)課程知行合一教學探索

2.1 課程分析與開課籌備

嵌入式系統(tǒng)課程目前在國內(nèi)各高校開展得如火如荼，作為熱門課程其教學研究也相當活躍，近年來項目式教學[4]、模塊化教學[5]等有意義的教學法層出不窮。此外，一些教師還與時下熱點的學科聯(lián)結，如結合機器人技術[6]、物聯(lián)網(wǎng)[7]等，研究內(nèi)容都很有啟示作用。

嵌入式系統(tǒng)課程理論學習難度大，實踐性很強，在學習理論知識的同時，實踐環(huán)節(jié)必須跟上才能幫助理解理論知識。這門課程是實踐知行合一教學模式的最佳課程之一，開課地點選擇所在系的實驗室，提供調(diào)試用機，學生也可自帶筆記本，上課時每2 名學生配備1 塊嵌入式開發(fā)板。開課前教師為實踐環(huán)節(jié)教學做了充分準備，將所需模塊和器件購置到位，并親自編寫了全部程序并進行了系統(tǒng)調(diào)試。知行空間、時間統(tǒng)一，硬件條件也具備，下一步進入課程實施階段。

2.2 知行合一教學實施

嵌入式系統(tǒng)課程共32 個課時（含2 課時討論課），采用4 課時連上的形式以提升教學效率。課程內(nèi)容分成4 部分：嵌入式系統(tǒng)的基本概念、嵌入式C 語言、裸機編程及操作系統(tǒng)初步、三級項目所需硬件模塊知識及項目實施。將這些內(nèi)容所包含的主要知識進行層次和類別劃分，并安排適合的實踐方式，具體見表2。

表2 嵌入系統(tǒng)課程知行合一實施方案

基礎知識的隨堂紙有兩種樣式，一種是正式打印好的試題紙，在規(guī)定時間內(nèi)完成紙上題目；另一種就是空白練習紙，知識點分布于PPT各處，隨課程進行完成練習。硬件模塊&程序設計知識采用的漸進式上機調(diào)試，其經(jīng)過精心設計，針對講到的每一種硬件外設都設計了編程調(diào)試任務。課程共安排了8 個調(diào)試任務包，包括6個裸機工程和2 個嵌入式OS 工程，難度由淺入深，層層推進。每個調(diào)試工程都先建好了基本的框架，在課前下發(fā)，學生加載工程文件包之后，就會看到任務的要求。起初是補充幾條指令，后續(xù)則編寫整段功能函數(shù)，編程的任務量可以根據(jù)學生的狀況動態(tài)調(diào)整，以達到循序漸進學習的目的。項目理念部分，除介紹嵌入式開發(fā)的思想之外，在三級項目開展過程中，還融入了CDIO 的工程設計理念，要求學生按照構思、設計、實現(xiàn)和運作的4 個流程來完成項目，如圖3 所示。項目能實現(xiàn)固然好，更重要的是通過項目實施過程體會、掌握設計理念。

圖3 CDIO 理念與項目實施流程映射關系

所有教學環(huán)節(jié)均是教師講授在先，學生實踐在后，講練交叉進行，有效融合。除討論課外教學課時為30 課時，其中講授占14 課時，實踐占16 課時。不同知識類別下具體的知行環(huán)節(jié)課時配比如圖4 所示，課時比例基本遵循表2 中的分配原則。另外，圖5 給出了各教學階段占總課時的百分比，其中占比例最大的中期階段則由裸機片上外設、嵌入式OS 初步和項目硬件模塊3 部分構成。

2.3 實踐環(huán)節(jié)考核與成績評定

整個知行實踐環(huán)節(jié)一共設置了10 個計分點，包括2 次隨堂紙記分和8 次開發(fā)板編程調(diào)試記分，每個點完成則記1 分，總分10 分納入平時成績。隨堂紙的評定由教師審閱批改后給出得分結果，對于開發(fā)板調(diào)試教師則采用實驗臺現(xiàn)場驗收和查驗視頻相結合的方式。

圖4 不同類別知識講授和實踐課時分配

圖5 各教學階段占總課時百分比

視頻驗收方式解決了學生組數(shù)多、實地查驗效率低的問題，同時在手機大行其道的現(xiàn)代課堂，為手機找到發(fā)揮正能量的用武之地。為防止學生作弊，視頻要求連續(xù)拍攝，錄制流程為先拍攝隊友正面照，然后拍攝上位機重要代碼段，最后拍攝開發(fā)板的運行效果，三個要素缺一則不符合規(guī)定。查看時教師可以提出問題，若對視頻結果有質(zhì)疑，就可到實驗臺現(xiàn)場查驗。

計分點的設置有效督促了學生參與到實踐環(huán)節(jié)之中，視頻驗收提高了課堂教學效率，教師有更多時間可用于現(xiàn)場的調(diào)試指導。

3 教學效果分析

知行合一教學模式將教師與學生從枯燥的教與學中解脫出來。多年灌輸式的教學使師生都身心疲憊，自我提升空間受限。在課堂教學中引入實踐環(huán)節(jié)對教師能力有促進作用，學高方能為師，教師需認真準備并親自操作。對于學生而言，學習過程變得有趣，實踐環(huán)節(jié)可以自由走動、研討放松，使以往凝固的課堂氣氛得以調(diào)節(jié)，再加之適當?shù)挠嫹挚己?，學生的熱情和參與度都很高。學生能實時看到知識轉化為實踐的成果，這具有極大的激勵作用，勝過千百句刻板的說教?？梢哉f，新模式帶來的是師生雙贏的結果。

為了解知行合一模式的教學效果，教務部門委派專人在課程最后進行了問卷調(diào)查并進行了結果統(tǒng)計。問卷以紙質(zhì)形式發(fā)放、匿名方式答題，班級共58 名學生，回收問卷57 份，主要從授課流程滿意度、學習收獲、對課程評分等級等方面進行問卷，統(tǒng)計結果與分析見表3—表5。

表3 對授課流程滿意度調(diào)查

從表3 可以看出，學生對授課流程設計的滿意度為100%，由此可見學生對于這種知行合一教學模式很認可。在平時與學生交流中，學生也表達出這樣的教學方式使原本枯燥的課堂和難懂的知識都變得“活”起來。

由表4 可以看出，有96.5%的學生對自己從課程中獲取的有用知識量表示滿意。在授課過程中，教師不僅僅教授教材中的知識，還有很多課本外知識，比如各種軟件使用、實踐技能、新的學習理念等。有學生在問卷附言中也表達了這一點。

表4 對有用知識獲取滿意度調(diào)查

表5 對課程總體評價的調(diào)查

從表5 可以看出，有近70%的學生將課程評價為優(yōu)秀，從理由摘錄中不難發(fā)現(xiàn)這樣的結果很大程度上得益于知行合一的“創(chuàng)新形式”。

4 挑戰(zhàn)與機遇

知行合一教學模式給師生都帶來了挑戰(zhàn)與機遇。對學生的挑戰(zhàn)主要是對注意力、理解力和執(zhí)行力要求的提高，講授與調(diào)試前后銜接，要求學生聽課專注、專心，理解調(diào)試方法和要點。為降低變革帶來的不適應，學生2 人一組，允許交流討論，互補解決問題。對學生來講機遇就是有了鍛煉上述能力的機會，此外還有實踐操作能力的鍛煉。

教師的挑戰(zhàn)主要是兩個方面：一是對實踐指導能力和水平要求提高，因為以往知行空間分離模式下教師可以不參與實驗的指導，現(xiàn)在實踐緊跟教學且調(diào)試工作量很大，這就要求教師不但要具備現(xiàn)場指導能力還要達到一定水平。二是對課堂教學的組織能力和掌控能力要求提高，實踐環(huán)節(jié)人員是動態(tài)的，調(diào)試的時間進程也有不確定性，教師要能勇于面對各種“混亂”局面，掌控全局。挑戰(zhàn)本身就是機遇，實踐環(huán)節(jié)進入課堂將倒逼教師提升自身的實踐能力、指導能力和組織能力。

5 結語

從復旦共識、天大行動，再到北京指南，新工科建設的號角已經(jīng)響起。宏大完美的頂層設計，最終還是要落實到工程教育的起點——大學課堂之上，先從課堂改變就是我們的初衷。知行合一提供了工科課堂教學的一個新模式，它可以為理論實踐強結合類課程提供一個教學框架，通過實際的教學應用也證明了具備可操作性。沒有一種模式是完美的，知行合一模式也需要持續(xù)改進。新的模式給教師帶來了很大的挑戰(zhàn)，但教學改革沒有退路，把握機遇迎接挑戰(zhàn)是唯一的選擇。