陳彥明，周芃

（安徽大學 計算機科學與技術(shù)學院，安徽 合肥 246110）

1 研究背景

在疫情防控背景下，教育部呼吁大中小學開展“停課不停學”網(wǎng)絡(luò)在線教學[1]，使得在線教學空前發(fā)展。僅2020年，參與在線的教學的教師達到數(shù)百萬，總計參與學生已超過億萬人次[2]。如此眾多的師生參與海量課程除了需要傳統(tǒng)的教與學之外，還需要有強大的課程平臺和技術(shù)平臺作為支撐?，F(xiàn)有主流在線課程平臺包括騰訊課堂、中國大學MOOC、學堂在線、釘釘EduCoder在線實踐教學平臺等平臺[2]。在如此眾多的教學平臺中，僅少數(shù)平臺提供在線實踐教學，如EduCoder在線實踐教學平臺[3]。而這類平臺往往僅側(cè)重于程序設(shè)計、人工智能等偏軟件開發(fā)類的課程。如Educoder平臺將整個課程體系分為程序設(shè)計、數(shù)據(jù)庫、Web開發(fā)、云計算和大數(shù)據(jù)、人工智能、運維與測試以及其他課程，其課程方案中并沒有展現(xiàn)出硬件實踐相關(guān)課程，特別是對學生動手能力培養(yǎng)有較高要求的嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程。

嵌入式系統(tǒng)不易于在線教學是由其課程性質(zhì)決定的。嵌入式系統(tǒng)是以實際應用為中心，能夠根據(jù)用戶需求靈活搭建、裁剪軟硬件模塊的專用微型計算機系統(tǒng)[4]。在新工科背景下，學生動手能力的培養(yǎng)是諸多能力培養(yǎng)中的重中之重。為了提高嵌入式系統(tǒng)的教學效果，需要在講授理論知識的同時注重學生實際動手能力培養(yǎng)，引導學生積極參與到課程實踐中。嵌入式系統(tǒng)是一門實踐性非常強的課程，若僅僅提供理論課程線上直播，或者僅提供部分實踐操作環(huán)節(jié)錄屏，而沒有可行的實驗環(huán)境進行實際操作，可能導致學生知識點掌握不牢。因此，如何在在線教學背景下更好地開展嵌入式系統(tǒng)課程教學，提高嵌入式系統(tǒng)在線教學的質(zhì)量，不僅對學生學習該課程有幫助，也對其他類似實踐性課程的教學起到拋磚引玉的作用。

主要創(chuàng)新點在于：（1）提出以提高學生工程動手能力為目標，具體從課程內(nèi)容的改革、教學模式創(chuàng)新等方面，探討如何將仿真技術(shù)應用于嵌入式系統(tǒng)的在線教學；（2）提出以“項目引入、任務(wù)驅(qū)動”方式進行課程教學，以此激發(fā)學生的學習興趣，提高學生實踐動手能力，彌補當前在線教學資源的不足。

2 面向在線教學的嵌入式教學體系的構(gòu)建

2.1 課程在線教學存在的問題

嵌入式系統(tǒng)是一門多學科交叉和滲透的課程[5]。以往由于課程涉及實踐內(nèi)容較多，一般采用線下方式或線上線下融合方式進行教學。但由于疫情防控的要求，以往線下實踐部分的課程也必須遷移到線上進行。在課程遷移過程中不可避免地出現(xiàn)一些問題、困難，亟需有針對性地對課程的教學內(nèi)容（包括硬件平臺和軟件平臺）的選擇、實踐教學與實踐環(huán)節(jié)組織等問題予以調(diào)整和優(yōu)化，以確保嵌入式系統(tǒng)的在線教學取得實效。

(1)課程教學內(nèi)容的存在的問題

嵌入式系統(tǒng)教學內(nèi)容比較繁雜，很多高校課程內(nèi)容安排一般都是選擇一款ARM作為開發(fā)實驗平臺，內(nèi)容涉及ARM的體系結(jié)構(gòu)、指令集介紹、接口和電路結(jié)構(gòu)、對應ARM上的啟動代碼、文件系統(tǒng)、驅(qū)動程序等。針對這些現(xiàn)有課程體系，發(fā)現(xiàn)存在下述問題：第一，ARM體系結(jié)構(gòu)，操作系統(tǒng)等教學內(nèi)容，知識點比較抽象、理論偏多，各種概念和模型較難理解，學生動手去實踐相對較少，學生學習起來非常抽象和枯燥，缺乏直觀性。第二，大多數(shù)涉及嵌入式系統(tǒng)驅(qū)動開發(fā)以及APP程序開發(fā)的課程，一般要求學生具有較好的編程背景，不能兼顧不同層次的學生。完全采用線上教學會加劇上述問題。因此，嵌入式系統(tǒng)教學需結(jié)合在線教學的特點來選擇合適的教學內(nèi)容。如何選擇合適的嵌入式系統(tǒng)教學內(nèi)容，是首先要考慮的問題。

(2)在線教學中學生學習積極性不高

在線下課堂，教與學的有效互動是教學過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。老師在闡述精心準備的課程同時旁征博引，用靈活多變的方式活躍課堂氣氛，如互動與提問環(huán)節(jié)、課后現(xiàn)場答疑環(huán)節(jié)等。這些措施不僅能為學生答疑解惑，也能及時調(diào)動學生的學習積極性，提高課程教學效果。

但在線上教學過程中，教師利用各種教學平臺按照課表規(guī)定的時間來開展線上教學，而學生在家學習存在各種干擾。在此過程中，學生的積極性不高，不僅缺乏交流，而且做筆記思考的力度也不夠[6]。即使部分平臺提供在線討論、提問等功能，但由于網(wǎng)絡(luò)延遲等原因，學生的參與度并不高。

2.2 針對在線教學的課程目標和教學改革

針對上述問題，以安徽大學本科課程“嵌入式系統(tǒng)理論與實踐”為例開展在線教學改革。具體從課程內(nèi)容的改革、教學模式創(chuàng)新等方面進行探討。

(1)課程教學內(nèi)容的改革

針對在線教學時嵌入式課程教學內(nèi)容存在的問題，本文探討該如何選擇合適的教學內(nèi)容進行教學。

以往的嵌入式系統(tǒng)課程內(nèi)容主要以ARM加嵌入式操作系統(tǒng)（Linux、Android等）為主，這類課程的教學一般需要結(jié)合具體實驗平臺進行（如S3C2410、sp5v210等實驗開發(fā)平臺）。但由于疫情的影響，學生很難在真實的實驗平臺進行實驗。若仍采用此類教學內(nèi)容，勢必會造成重理論、輕實踐的后果，這有悖于嵌入式系統(tǒng)的教學目標。鑒于此，2020年第2學期的嵌入式系統(tǒng)教學選用了利用Proteus仿真軟件仿真STM32F103（ARM）平臺的混合在線教學方式進行。Proteus是由Lab Center Electronics公司推出的電子設(shè)計自動化（EDA）軟件[7]，其除具有其它EDA軟件的電路圖及PCB板繪制功能外，還具有仿真單片機及其外圍器件功能，特別地可以仿真本課程中用到的STM32F103處理器。

本課程教學采用“項目引入、任務(wù)驅(qū)動”的方式進行。與以往的嵌入式系統(tǒng)課程不同，本課程內(nèi)容通過6個項目展開，每個項目又包含一些任務(wù)，每個任務(wù)將相關(guān)知識和實踐技能融合在一起，將知識、技能的學習結(jié)合任務(wù)完成過程來進行。項目題目選取切合實際，學生對這些項目都比較感興趣，以興趣驅(qū)動學習，最大限度的發(fā)揮學生的自學能力，彌補了在線教學時學生參與度不高的問題。啟發(fā)式教學更能使得學生掌握相關(guān)知識點?，F(xiàn)以“智能交通燈設(shè)計”這一教學案例來簡述課程內(nèi)容改革如何實現(xiàn)，其內(nèi)容分解與教學內(nèi)容安排如表1所示。智能交通燈設(shè)計項目分成4個任務(wù)，包括點亮一個LED燈、按鍵檢測、定時器使用與電路設(shè)計與實現(xiàn)，分別講述不同的知識點。在線授課與學生實踐操作同步，使得學生能更好的理解相關(guān)知識，做到融會貫通。

表1 案例內(nèi)容分解與教學內(nèi)容安排Tab.1 A case of content decomposition and teaching arrangement

(2)教學模式的創(chuàng)新

傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)教學中教師扮演著課程的主體角色，學生處于被動受教的地位，導致學生無法形成基本的實踐意識，動手能力和思維能力較差。針對以上問題，以在線教學為契機，課程組在課程教學內(nèi)容改革的基礎(chǔ)上，進一步將Proteus仿真軟件引入到教學中，建立學習交互網(wǎng)站（如圖1），制作電子教案，使教與學的環(huán)境發(fā)生根本變化。積極利用在線資源（如愛課程、學堂在線）等現(xiàn)代教學資源，增加課堂與課外的信息量，大大提高教學效率和教學質(zhì)量，取得較好的效果。

圖1 在線教學智能系統(tǒng)Fig.1 Online intelligent system for teaching

課程教學上采用了“項目引入、任務(wù)驅(qū)動”的方式進行，以一個項目為中心分別設(shè)置多個任務(wù)，通過項目教學法、案例教學法和探究式教學法等提高學生興趣和主動參與性。此外對學生的實踐教學的評價也采用創(chuàng)新的評價方式，如結(jié)合學生在線互動、學生自評和教師點評以及項目結(jié)果展示等形式。教學過程中，可以采取包括學生課前自主學習考核、課堂學習考核、課堂實踐操作以及課后考核等方式對學生進行考核，了解學生實踐中存在的問題，具體方案框架見圖2。

圖2 在線教學考核評價方式Fig.2 Online teaching evaluation methods

3 結(jié)束語

在線教學的實施對現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)的教學內(nèi)容、教學手段和教學評價體系等提出了更高的要求。在疫情背景下開展嵌入式系統(tǒng)的在線教學，以提高學生工程動手能力為目標，探討嵌入式系統(tǒng)在線教學模式的改革。文章首先對當前在線教學平臺進行分析總結(jié)，指出這些平臺對嵌入式系統(tǒng)教學存在的不足，然后探討了構(gòu)建面向在線教學的嵌入式教學體系的三個方面。實施結(jié)果表明，課程教學激發(fā)學生學習的興趣、提供了學生實踐動手能力，彌補當前在線教學的不足，為其他相關(guān)課程的在線教學提供了有價值的參考。