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        嵌入式系統(tǒng)貫通式教學模式研究與改革
        ——歷史到現(xiàn)實、理論到實踐、線上到線下的綜合視角

        2021-01-07 05:43:18呂為工李劍雄初佃輝季振洲
        軟件導刊 2020年12期
        關(guān)鍵詞:嵌入式改革教學模式

        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(威海)教務(wù)處;2.哈爾濱工業(yè)大學(威海)計算機科學與技術(shù)學院,山東威海 264209)

        0 引言

        作為《微機原理/計算機接口技術(shù)》[1]和《計算機組成原理》的后續(xù)課程,考慮到嵌入式計算機系統(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)課程教學難點和重點主要集中在如何提高學生對完整的、微縮的、專用的計算機系統(tǒng)認識、理解、掌握、設(shè)計、開發(fā)、實現(xiàn)的能力。

        課程教學目標:掌握嵌入式系統(tǒng)基本模型、構(gòu)成與運行原理、解決具有典型嵌入式系統(tǒng)特征的計算機工程問題。經(jīng)過多年探索,課程以培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和解決實際問題能力為主導思想,形成由理論課、實驗課、在線課堂、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實踐構(gòu)成的課程體系[2]。使學生系統(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)建過程為線索進行貫通式教學模式研究,以培養(yǎng)學生嵌入式系統(tǒng)設(shè)計能力、實踐動手能力、嵌入式系統(tǒng)分析與調(diào)試能力為核心,提高解決復(fù)雜計算機系統(tǒng)工程問題能力,從歷史到現(xiàn)實、理論到實踐和線上到線下3 個角度開展教學改革,重點對嵌入式系統(tǒng)貫通式教學模式進行研究與實踐,激發(fā)學習興趣與潛能,提高學習能力、學習成效,增強解決問題能力,提升思辨與創(chuàng)新能力。

        1 問題、改革渠道與創(chuàng)新

        1.1 改革針對的問題

        嵌入式系統(tǒng)課程知識覆蓋面廣,部分章節(jié)內(nèi)容教學與學習難度大,對動手實踐操作能力要求高,為學生掌握具有完整計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的工程項目開發(fā)能力帶來很大障礙。如從早期的單片機系統(tǒng)到嵌入式80X86 系統(tǒng),再到各類ARM 系統(tǒng)、FPGA/CPLD,以及樹莓派等開源硬件的出現(xiàn)與迅速發(fā)展,嵌入式系統(tǒng)的形態(tài)與開發(fā)范式不斷快速演進,為嵌入式系統(tǒng)課程教學帶來較大挑戰(zhàn)。與之相對應(yīng)的還有嵌入式系統(tǒng)課程更加注重培養(yǎng)學生實際動手能力,設(shè)計理論教學與實踐教學內(nèi)容,實現(xiàn)由理論到實踐的過渡與融合等。這些現(xiàn)實問題與教學困境使“滿堂灌”與“單聲道”式的傳統(tǒng)課堂教學模式與方法難以提升嵌入式系統(tǒng)課程教學質(zhì)量與學習成效。為提升學生綜合能力,特別是解決嚴重制約培養(yǎng)學生創(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)課程知識與技術(shù)要求特點,深入研究體現(xiàn)完整嵌入式計算機系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的教學模式,從歷史到現(xiàn)實、理論到實踐、線上到線下3 個維度進行探索,把歷史到現(xiàn)實縱向的知識脈絡(luò)貫通、課堂知識教學到實驗室實踐教學緊密結(jié)合貫通,以及線上到線下混合式教學貫通結(jié)合起來,把以解決復(fù)雜工程問題的培養(yǎng)作為重要導向,構(gòu)建出以嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)建過程為主要線索的貫通式教學模式。

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

        (1)貫通實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)教學中通用計算機系統(tǒng)與專用計算機系統(tǒng)之間的認知一致性。從歷史到現(xiàn)實視角,對課堂教學進行內(nèi)容與方法改革,進行內(nèi)容重構(gòu)以實現(xiàn)對嵌入式系統(tǒng)準確深入認知,注重教學方法運用,貫通嵌入式系統(tǒng)課程與前序計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類課程之間的差異。

        (2)貫通實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)教學中理論知識講授與實踐能力提升之間的目標一致性。從理論到實踐視角,以完整的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)建為主線,提升課堂教學的有效性和針對性。設(shè)計并開展解決真實、具體甚至是復(fù)雜的計算機專用系統(tǒng)問題的核心能力實踐活動。

        (3)貫通實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)教學中線上自主式學習與線下翻轉(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 的混合式教學模式,把以自主式學習為核心的網(wǎng)絡(luò)課堂教學,與以互動研討式學習為核心的翻轉(zhuǎn)課堂教學有效結(jié)合,充分發(fā)揮信息技術(shù)對教學的提升作用。

        2 嵌入式系統(tǒng)教學模型

        嵌入式系統(tǒng)課程是一門多學科交叉的課程,包含計算機系統(tǒng)組成原理、微機原理與接口、操作系統(tǒng)、編譯技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、人機交互、軟件測試等學科領(lǐng)域的諸多知識點,授課內(nèi)容應(yīng)用性強。為更好地跟蹤嵌入式系統(tǒng)最新發(fā)展,針對計算機專業(yè)特點,進一步發(fā)揮嵌入式系統(tǒng)面向應(yīng)用的特點和優(yōu)勢,調(diào)整嵌入式系統(tǒng)教學體系和內(nèi)容,特別是對課堂教學內(nèi)容進行重構(gòu)。重構(gòu)思路是按照嵌入式系統(tǒng)與標準計算機系統(tǒng)歷史性差異,把知識傳授與嵌入式系統(tǒng)實際構(gòu)建統(tǒng)一到解決復(fù)雜工程問題方向,充分利用MOOC 教學優(yōu)勢,統(tǒng)籌線上和線下兩方面資源,實現(xiàn)教學內(nèi)容優(yōu)化。

        以一個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,運行在操作系統(tǒng)之上,支持數(shù)據(jù)管理、Web 訪問功能,擁有可視圖形界面,其構(gòu)建過程如圖1 所示。

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

        貫通式教學模式就是以此為基礎(chǔ)規(guī)劃嵌入式系統(tǒng)教學模式,把實踐內(nèi)容有機結(jié)合在教學環(huán)境中,貫通軟件硬件開發(fā)全過程。

        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)的專用性正隨著時代的發(fā)展逐步淡化,無論是處理器、硬件、操作系統(tǒng)還是應(yīng)用軟件,都逐漸接近于個人計算機。時至今日,嵌入式系統(tǒng)除了一般只作為應(yīng)用環(huán)境而使用個人計算機作為開發(fā)環(huán)境這一點外,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)教學提供了挑戰(zhàn)和機遇。在教學中跳出嵌入式系統(tǒng)歷史局限,適應(yīng)技術(shù)進步現(xiàn)實,為社會培養(yǎng)更多適應(yīng)應(yīng)用需求的嵌入式系統(tǒng)人才,是時代賦予嵌入式系統(tǒng)課程的使命。

        表1 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷史

        教學中重點以多種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,引導學生分析以“ARM CPU+嵌入式Linux 操作系統(tǒng)”為核心的嵌入式系統(tǒng),繼而對專用嵌入式CPU 和Android 系統(tǒng)等進行理論與實驗層面教學。拓寬學生對嵌入式系統(tǒng)認知,實現(xiàn)從經(jīng)典嵌入式系統(tǒng)到現(xiàn)實多種通用或?qū)S们度胧较到y(tǒng)的教學過渡。

        4 嵌入式系統(tǒng)理論與實踐

        嵌入式系統(tǒng)實踐環(huán)節(jié)培養(yǎng)學生利用嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺及各種功能模塊搭建獨立的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng),將實踐環(huán)節(jié)從單一功能實驗過渡到綜合實驗,學生從功能實驗出發(fā)完成系統(tǒng)集成,形成獨立的應(yīng)用系統(tǒng),使學生親歷嵌入式系統(tǒng)開發(fā)全過程。

        基于理論教學與實驗,形成“實驗→課程設(shè)計→校內(nèi)科技立項→競賽→科研項目→實習→畢業(yè)設(shè)計”的綜合實踐體系。除了完成校內(nèi)既定實踐教學環(huán)節(jié)外,部分學有余力的學生還可積極參加校內(nèi)科技立項,從嵌入式系統(tǒng)角度進行創(chuàng)新開發(fā),進而凝練出有關(guān)競賽題目,獲得有競爭力的獎項。具有較強實踐動手能力的學生可加入科研項目,從事項目開發(fā),在進一步學習的基礎(chǔ)上進行嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn),獲得項目開發(fā)經(jīng)歷,提升綜合能力與素養(yǎng)。多種形式的實踐活動有力提升了學生解決嵌入式系統(tǒng)工程實際問題能力。如學校定期組織開展校級科技立項,很多學生參加科技競賽,將嵌入式系統(tǒng)知識與技能拓展至更寬泛的應(yīng)用領(lǐng)域。學校的物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)研發(fā)中心每年吸納一部分學生加入科研實驗工作,參加嵌入式系統(tǒng)有關(guān)科研項目中,為提升學生的創(chuàng)新實踐能力創(chuàng)造機會,如表2 所示。

        表2 實驗環(huán)節(jié)內(nèi)容規(guī)劃

        5 基于MOOC 的混合式教學

        5.1 整體結(jié)構(gòu)

        基于MOOC 的混合式教學改革[3-7]在一些課程教學中發(fā)揮了積極作用,對于提高學生自主學習、分析與解決問題的思辨與創(chuàng)新能力帶來重要契機。本課程以線上線下混合式教學模式為改革方向,以翻轉(zhuǎn)課堂為課堂教學改革核心,嘗試解決當前我國高校專業(yè)核心課程如何創(chuàng)新性開展大班混合式教學問題。在前期研究[8-11]基礎(chǔ)上,線上線下混合教學模式改革按照“在線開放課程教學+啟發(fā)式教學+互動課堂教學+翻轉(zhuǎn)課堂教學”開展,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模式,旨在發(fā)揮基于MOOC 的線上線下相結(jié)合的教學優(yōu)勢,有效提升嵌入式系統(tǒng)課程教學質(zhì)量和學習成效。在MOOC 平臺開展線上教學前提下,實施有針對性的翻轉(zhuǎn)課堂教學。

        5.2 參與式研討型互動課堂教學改革

        課堂教學仍以教師講授為主。由于學生已通過MOOC完成了預(yù)習性學習,因此課堂上可對教學內(nèi)容進行重構(gòu)。

        嵌入式系統(tǒng)課堂教學改革如圖3 所示。翻轉(zhuǎn)課堂教學穿插在整個教學過程中,整體上是部分翻轉(zhuǎn)(部分學時進行翻轉(zhuǎn))。翻轉(zhuǎn)課堂主要通過“雨課堂”形式(A 形式)和生生間與師生間互動研討形式(B 形式)進行。在絕大部分課堂教學中采用“雨課堂”形式開展測驗,學生采用手機提交答案,教師據(jù)此進行有針對性的講解,這是一種全員參與但師生互動性較低的翻轉(zhuǎn)課堂教學。在課程教學中后期,學生已經(jīng)初步具有嵌入式系統(tǒng)知識與實踐基礎(chǔ),教師組織若干次翻轉(zhuǎn)課堂教學。這種方式中,學生以分組形式登上講臺進行學習成果匯報,教師組織臺上組間、臺上臺下組間的研討,教師也參與其中,這是一種部分學生參與但師生互動性較高的翻轉(zhuǎn)課堂教學。

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

        圖3 嵌入式系統(tǒng)課程課堂教學改革

        可以看出,嵌入式系統(tǒng)課程課堂教學改革以傳統(tǒng)教師啟發(fā)式講授為主,以信息技術(shù)運用為輔,以參與式教學為要點,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)計與實踐》MOOC 已經(jīng)開展了3 個周期的混合式教學改革。課前組織學生登錄MOOC 平臺進行自主學習,課上在開展常規(guī)教學的同時應(yīng)用“雨課堂”開展參與式教學,并拿出部分學時開展翻轉(zhuǎn)課堂研討型教學,形成線上線下混合式教學模式。

        從實踐成效來看,學生的學習思路得到了開拓,學習視野得到了提高,學習方式得到了轉(zhuǎn)變,直接帶動自主性學習能力、探索與鉆研能力提升,提高了實踐動手能力與解決問題的創(chuàng)新能力。目前,從3 個維度進行全面改革的實踐不多,嵌入式系統(tǒng)貫通式教學模式改革具有一定的啟發(fā)性、創(chuàng)新性,可為同類課程改革提供參考與借鑒。

        6 結(jié)語

        重構(gòu)課程教學體系與內(nèi)容,創(chuàng)新實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)教學與計算機專業(yè)核心課程的有效融通,提高專用計算機系統(tǒng)的深入認知;貫通課程教學與實踐教學之間的屏障,做到理論與實踐相互支撐,實現(xiàn)課堂教學對實踐的指導,實踐對理論知識的鞏固強化,提高解決復(fù)雜計算機系統(tǒng)工程問題能力;構(gòu)建基于MOOC 的線上線下相結(jié)合的混合式教學模式,以智慧教學輔助工具有效驅(qū)動翻轉(zhuǎn)課堂教學,提高學生認知、分析與創(chuàng)新思辨能力。本文通過課堂教學內(nèi)容與方法的重構(gòu)與改革,形成歷史到現(xiàn)實、理論到實踐、線上到線下3 個維度的貫通,特別是結(jié)合線上與線下優(yōu)質(zhì)資源與方法,提高學生對嵌入式系統(tǒng)理論知識的認識與掌握,通過實驗與課程設(shè)計等環(huán)節(jié)有針對性地改革,提高學生設(shè)計與開發(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)雜工程問題的卓越工程人才奠定堅實基礎(chǔ)。

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