張 策，呂為工，柏 軍，李劍雄，初佃輝，季振洲

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）教務(wù)處；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東威海 264209）

0 引言

作為《微機(jī)原理/計(jì)算機(jī)接口技術(shù)》［1］和《計(jì)算機(jī)組成原理》的后續(xù)課程，考慮到嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的專用性、整體性、靈活性，以及內(nèi)容的全面性、復(fù)雜性、系統(tǒng)性、工程性，嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)難點(diǎn)和重點(diǎn)主要集中在如何提高學(xué)生對(duì)完整的、微縮的、專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)認(rèn)識(shí)、理解、掌握、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、實(shí)現(xiàn)的能力。

課程教學(xué)目標(biāo)：掌握嵌入式系統(tǒng)基本模型、構(gòu)成與運(yùn)行原理、解決具有典型嵌入式系統(tǒng)特征的計(jì)算機(jī)工程問(wèn)題。經(jīng)過(guò)多年探索，課程以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和解決實(shí)際問(wèn)題能力為主導(dǎo)思想，形成由理論課、實(shí)驗(yàn)課、在線課堂、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐構(gòu)成的課程體系［2］。使學(xué)生系統(tǒng)地理解嵌入式系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握嵌入式硬件系統(tǒng)基本分析與設(shè)計(jì)方法，理解嵌入式系統(tǒng)軟件的普遍性與特殊性，建立嵌入式系統(tǒng)整體概念。

本文以嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程為線索進(jìn)行貫通式教學(xué)模式研究，以培養(yǎng)學(xué)生嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力、實(shí)踐動(dòng)手能力、嵌入式系統(tǒng)分析與調(diào)試能力為核心，提高解決復(fù)雜計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程問(wèn)題能力，從歷史到現(xiàn)實(shí)、理論到實(shí)踐和線上到線下3 個(gè)角度開(kāi)展教學(xué)改革，重點(diǎn)對(duì)嵌入式系統(tǒng)貫通式教學(xué)模式進(jìn)行研究與實(shí)踐，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣與潛能，提高學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)成效，增強(qiáng)解決問(wèn)題能力，提升思辨與創(chuàng)新能力。

1 問(wèn)題、改革渠道與創(chuàng)新

1.1 改革針對(duì)的問(wèn)題

嵌入式系統(tǒng)課程知識(shí)覆蓋面廣，部分章節(jié)內(nèi)容教學(xué)與學(xué)習(xí)難度大，對(duì)動(dòng)手實(shí)踐操作能力要求高，為學(xué)生掌握具有完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的工程項(xiàng)目開(kāi)發(fā)能力帶來(lái)很大障礙。如從早期的單片機(jī)系統(tǒng)到嵌入式80X86 系統(tǒng)，再到各類(lèi)ARM 系統(tǒng)、FPGA/CPLD，以及樹(shù)莓派等開(kāi)源硬件的出現(xiàn)與迅速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的形態(tài)與開(kāi)發(fā)范式不斷快速演進(jìn)，為嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)帶來(lái)較大挑戰(zhàn)。與之相對(duì)應(yīng)的還有嵌入式系統(tǒng)課程更加注重培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力，設(shè)計(jì)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)由理論到實(shí)踐的過(guò)渡與融合等。這些現(xiàn)實(shí)問(wèn)題與教學(xué)困境使“滿堂灌”與“單聲道”式的傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式與方法難以提升嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)質(zhì)量與學(xué)習(xí)成效。為提升學(xué)生綜合能力，特別是解決嚴(yán)重制約培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的桎梏，必須加以改革。

1.2 改革渠道與創(chuàng)新

依據(jù)嵌入式系統(tǒng)課程知識(shí)與技術(shù)要求特點(diǎn)，深入研究體現(xiàn)完整嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的教學(xué)模式，從歷史到現(xiàn)實(shí)、理論到實(shí)踐、線上到線下3 個(gè)維度進(jìn)行探索，把歷史到現(xiàn)實(shí)縱向的知識(shí)脈絡(luò)貫通、課堂知識(shí)教學(xué)到實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐教學(xué)緊密結(jié)合貫通，以及線上到線下混合式教學(xué)貫通結(jié)合起來(lái)，把以解決復(fù)雜工程問(wèn)題的培養(yǎng)作為重要導(dǎo)向，構(gòu)建出以嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程為主要線索的貫通式教學(xué)模式。

本文主要解決嵌入式系統(tǒng)教學(xué)與人才培養(yǎng)中遇到的關(guān)鍵問(wèn)題，改革渠道如下：

（1）貫通實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的認(rèn)知一致性。從歷史到現(xiàn)實(shí)視角，對(duì)課堂教學(xué)進(jìn)行內(nèi)容與方法改革，進(jìn)行內(nèi)容重構(gòu)以實(shí)現(xiàn)對(duì)嵌入式系統(tǒng)準(zhǔn)確深入認(rèn)知，注重教學(xué)方法運(yùn)用，貫通嵌入式系統(tǒng)課程與前序計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類(lèi)課程之間的差異。

（2）貫通實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中理論知識(shí)講授與實(shí)踐能力提升之間的目標(biāo)一致性。從理論到實(shí)踐視角，以完整的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)建為主線，提升課堂教學(xué)的有效性和針對(duì)性。設(shè)計(jì)并開(kāi)展解決真實(shí)、具體甚至是復(fù)雜的計(jì)算機(jī)專用系統(tǒng)問(wèn)題的核心能力實(shí)踐活動(dòng)。

（3）貫通實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中線上自主式學(xué)習(xí)與線下翻轉(zhuǎn)課堂之間的創(chuàng)新一致性。從線上到線下視角建立基于MOOC 的混合式教學(xué)模式，把以自主式學(xué)習(xí)為核心的網(wǎng)絡(luò)課堂教學(xué)，與以互動(dòng)研討式學(xué)習(xí)為核心的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)有效結(jié)合，充分發(fā)揮信息技術(shù)對(duì)教學(xué)的提升作用。

2 嵌入式系統(tǒng)教學(xué)模型

嵌入式系統(tǒng)課程是一門(mén)多學(xué)科交叉的課程，包含計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成原理、微機(jī)原理與接口、操作系統(tǒng)、編譯技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、人機(jī)交互、軟件測(cè)試等學(xué)科領(lǐng)域的諸多知識(shí)點(diǎn)，授課內(nèi)容應(yīng)用性強(qiáng)。為更好地跟蹤嵌入式系統(tǒng)最新發(fā)展，針對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)特點(diǎn)，進(jìn)一步發(fā)揮嵌入式系統(tǒng)面向應(yīng)用的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，調(diào)整嵌入式系統(tǒng)教學(xué)體系和內(nèi)容，特別是對(duì)課堂教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)。重構(gòu)思路是按照嵌入式系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)歷史性差異，把知識(shí)傳授與嵌入式系統(tǒng)實(shí)際構(gòu)建統(tǒng)一到解決復(fù)雜工程問(wèn)題方向，充分利用MOOC 教學(xué)優(yōu)勢(shì)，統(tǒng)籌線上和線下兩方面資源，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化。

以一個(gè)功能完整的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)為例，它集成有專用的硬件與軟件業(yè)務(wù)邏輯，運(yùn)行在操作系統(tǒng)之上，支持?jǐn)?shù)據(jù)管理、Web 訪問(wèn)功能，擁有可視圖形界面，其構(gòu)建過(guò)程如圖1 所示。

圖1 典型嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程

貫通式教學(xué)模式就是以此為基礎(chǔ)規(guī)劃嵌入式系統(tǒng)教學(xué)模式，把實(shí)踐內(nèi)容有機(jī)結(jié)合在教學(xué)環(huán)境中，貫通軟件硬件開(kāi)發(fā)全過(guò)程。

3 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

表1 為專用嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷史。從表1 可知，嵌入式系統(tǒng)的專用性正隨著時(shí)代的發(fā)展逐步淡化，無(wú)論是處理器、硬件、操作系統(tǒng)還是應(yīng)用軟件，都逐漸接近于個(gè)人計(jì)算機(jī)。時(shí)至今日，嵌入式系統(tǒng)除了一般只作為應(yīng)用環(huán)境而使用個(gè)人計(jì)算機(jī)作為開(kāi)發(fā)環(huán)境這一點(diǎn)外，已經(jīng)足夠通用了。

嵌入式系統(tǒng)通用性增加、專用性減小，為嵌入式系統(tǒng)教學(xué)提供了挑戰(zhàn)和機(jī)遇。在教學(xué)中跳出嵌入式系統(tǒng)歷史局限，適應(yīng)技術(shù)進(jìn)步現(xiàn)實(shí)，為社會(huì)培養(yǎng)更多適應(yīng)應(yīng)用需求的嵌入式系統(tǒng)人才，是時(shí)代賦予嵌入式系統(tǒng)課程的使命。

表1 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷史

教學(xué)中重點(diǎn)以多種ARM 嵌入式CPU 為樣本，剖析其功能特性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、使用方法，引導(dǎo)學(xué)生分析以“ARM CPU+嵌入式Linux 操作系統(tǒng)”為核心的嵌入式系統(tǒng)，繼而對(duì)專用嵌入式CPU 和Android 系統(tǒng)等進(jìn)行理論與實(shí)驗(yàn)層面教學(xué)。拓寬學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)認(rèn)知，實(shí)現(xiàn)從經(jīng)典嵌入式系統(tǒng)到現(xiàn)實(shí)多種通用或?qū)Ｓ们度胧较到y(tǒng)的教學(xué)過(guò)渡。

4 嵌入式系統(tǒng)理論與實(shí)踐

嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生利用嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)及各種功能模塊搭建獨(dú)立的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，將實(shí)踐環(huán)節(jié)從單一功能實(shí)驗(yàn)過(guò)渡到綜合實(shí)驗(yàn)，學(xué)生從功能實(shí)驗(yàn)出發(fā)完成系統(tǒng)集成，形成獨(dú)立的應(yīng)用系統(tǒng)，使學(xué)生親歷嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)全過(guò)程。

基于理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)，形成“實(shí)驗(yàn)→課程設(shè)計(jì)→校內(nèi)科技立項(xiàng)→競(jìng)賽→科研項(xiàng)目→實(shí)習(xí)→畢業(yè)設(shè)計(jì)”的綜合實(shí)踐體系。除了完成校內(nèi)既定實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)外，部分學(xué)有余力的學(xué)生還可積極參加校內(nèi)科技立項(xiàng)，從嵌入式系統(tǒng)角度進(jìn)行創(chuàng)新開(kāi)發(fā)，進(jìn)而凝練出有關(guān)競(jìng)賽題目，獲得有競(jìng)爭(zhēng)力的獎(jiǎng)項(xiàng)。具有較強(qiáng)實(shí)踐動(dòng)手能力的學(xué)生可加入科研項(xiàng)目，從事項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，在進(jìn)一步學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，獲得項(xiàng)目開(kāi)發(fā)經(jīng)歷，提升綜合能力與素養(yǎng)。多種形式的實(shí)踐活動(dòng)有力提升了學(xué)生解決嵌入式系統(tǒng)工程實(shí)際問(wèn)題能力。如學(xué)校定期組織開(kāi)展校級(jí)科技立項(xiàng)，很多學(xué)生參加科技競(jìng)賽，將嵌入式系統(tǒng)知識(shí)與技能拓展至更寬泛的應(yīng)用領(lǐng)域。學(xué)校的物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)研發(fā)中心每年吸納一部分學(xué)生加入科研實(shí)驗(yàn)工作，參加嵌入式系統(tǒng)有關(guān)科研項(xiàng)目中，為提升學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力創(chuàng)造機(jī)會(huì)，如表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)內(nèi)容規(guī)劃

5 基于MOOC 的混合式教學(xué)

5.1 整體結(jié)構(gòu)

基于MOOC 的混合式教學(xué)改革［3-7］在一些課程教學(xué)中發(fā)揮了積極作用，對(duì)于提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)、分析與解決問(wèn)題的思辨與創(chuàng)新能力帶來(lái)重要契機(jī)。本課程以線上線下混合式教學(xué)模式為改革方向，以翻轉(zhuǎn)課堂為課堂教學(xué)改革核心，嘗試解決當(dāng)前我國(guó)高校專業(yè)核心課程如何創(chuàng)新性開(kāi)展大班混合式教學(xué)問(wèn)題。在前期研究［8-11］基礎(chǔ)上，線上線下混合教學(xué)模式改革按照“在線開(kāi)放課程教學(xué)+啟發(fā)式教學(xué)+互動(dòng)課堂教學(xué)+翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)”開(kāi)展，建設(shè)內(nèi)容如圖2 所示。

圖2 展示的線上線下混合式教學(xué)模式，旨在發(fā)揮基于MOOC 的線上線下相結(jié)合的教學(xué)優(yōu)勢(shì)，有效提升嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)成效。在MOOC 平臺(tái)開(kāi)展線上教學(xué)前提下，實(shí)施有針對(duì)性的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)。

5.2 參與式研討型互動(dòng)課堂教學(xué)改革

課堂教學(xué)仍以教師講授為主。由于學(xué)生已通過(guò)MOOC完成了預(yù)習(xí)性學(xué)習(xí)，因此課堂上可對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)。

嵌入式系統(tǒng)課堂教學(xué)改革如圖3 所示。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)穿插在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，整體上是部分翻轉(zhuǎn)（部分學(xué)時(shí)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)）。翻轉(zhuǎn)課堂主要通過(guò)“雨課堂”形式（A 形式）和生生間與師生間互動(dòng)研討形式（B 形式）進(jìn)行。在絕大部分課堂教學(xué)中采用“雨課堂”形式開(kāi)展測(cè)驗(yàn)，學(xué)生采用手機(jī)提交答案，教師據(jù)此進(jìn)行有針對(duì)性的講解，這是一種全員參與但師生互動(dòng)性較低的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)。在課程教學(xué)中后期，學(xué)生已經(jīng)初步具有嵌入式系統(tǒng)知識(shí)與實(shí)踐基礎(chǔ)，教師組織若干次翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)。這種方式中，學(xué)生以分組形式登上講臺(tái)進(jìn)行學(xué)習(xí)成果匯報(bào)，教師組織臺(tái)上組間、臺(tái)上臺(tái)下組間的研討，教師也參與其中，這是一種部分學(xué)生參與但師生互動(dòng)性較高的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)。

圖2 混合式教學(xué)模式（參與式研討型互動(dòng)教學(xué)改革內(nèi)容構(gòu)成）

圖3 嵌入式系統(tǒng)課程課堂教學(xué)改革

可以看出，嵌入式系統(tǒng)課程課堂教學(xué)改革以傳統(tǒng)教師啟發(fā)式講授為主，以信息技術(shù)運(yùn)用為輔，以參與式教學(xué)為要點(diǎn)，以思辨創(chuàng)新能力提升為內(nèi)涵。

自2017 年至今，基于筆者自建的《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐》MOOC 已經(jīng)開(kāi)展了3 個(gè)周期的混合式教學(xué)改革。課前組織學(xué)生登錄MOOC 平臺(tái)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，課上在開(kāi)展常規(guī)教學(xué)的同時(shí)應(yīng)用“雨課堂”開(kāi)展參與式教學(xué)，并拿出部分學(xué)時(shí)開(kāi)展翻轉(zhuǎn)課堂研討型教學(xué)，形成線上線下混合式教學(xué)模式。

從實(shí)踐成效來(lái)看，學(xué)生的學(xué)習(xí)思路得到了開(kāi)拓，學(xué)習(xí)視野得到了提高，學(xué)習(xí)方式得到了轉(zhuǎn)變，直接帶動(dòng)自主性學(xué)習(xí)能力、探索與鉆研能力提升，提高了實(shí)踐動(dòng)手能力與解決問(wèn)題的創(chuàng)新能力。目前，從3 個(gè)維度進(jìn)行全面改革的實(shí)踐不多，嵌入式系統(tǒng)貫通式教學(xué)模式改革具有一定的啟發(fā)性、創(chuàng)新性，可為同類(lèi)課程改革提供參考與借鑒。

6 結(jié)語(yǔ)

重構(gòu)課程教學(xué)體系與內(nèi)容，創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)與計(jì)算機(jī)專業(yè)核心課程的有效融通，提高專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的深入認(rèn)知；貫通課程教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)之間的屏障，做到理論與實(shí)踐相互支撐，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)對(duì)實(shí)踐的指導(dǎo)，實(shí)踐對(duì)理論知識(shí)的鞏固強(qiáng)化，提高解決復(fù)雜計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程問(wèn)題能力；構(gòu)建基于MOOC 的線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)模式，以智慧教學(xué)輔助工具有效驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，提高學(xué)生認(rèn)知、分析與創(chuàng)新思辨能力。本文通過(guò)課堂教學(xué)內(nèi)容與方法的重構(gòu)與改革，形成歷史到現(xiàn)實(shí)、理論到實(shí)踐、線上到線下3 個(gè)維度的貫通，特別是結(jié)合線上與線下優(yōu)質(zhì)資源與方法，提高學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)與掌握，通過(guò)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)有針對(duì)性地改革，提高學(xué)生設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)完整的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)能力，為最終培養(yǎng)具有系統(tǒng)思維與解決復(fù)雜工程問(wèn)題的卓越工程人才奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。