王曉斐

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院無錫分院，江蘇 無錫 214028)

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，以嵌入式技術(shù)為核心的智能設(shè)備正日益普及，嵌入式技術(shù)已成為物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)研發(fā)人員（輔助研發(fā)人員）必須掌握的關(guān)鍵技術(shù)，很多高職院校都開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用的相關(guān)專業(yè)。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)大類的學(xué)生，“嵌入式技術(shù)”是一門核心專業(yè)課。其課程特點(diǎn)有：①多學(xué)科交叉，且軟硬件技術(shù)相結(jié)合,專業(yè)性、綜合性強(qiáng)；②學(xué)習(xí)門檻高，要求學(xué)生具有一定的專業(yè)基礎(chǔ)及自主學(xué)習(xí)能力；③缺少通用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及配套教材。在實(shí)際教學(xué)中往往發(fā)現(xiàn)學(xué)生存在理論知識(shí)理解困難、綜合設(shè)計(jì)能力差等問題。如何設(shè)計(jì)以職業(yè)能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的課程體系成為該課程教學(xué)的重要挑戰(zhàn)。

職業(yè)教育的重要特征是面向職業(yè)崗位，教材應(yīng)緊跟行業(yè)企業(yè)的發(fā)展需求，而當(dāng)前職業(yè)院校教材存在與企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際脫節(jié)、出版周期長，內(nèi)容不夠與時(shí)俱進(jìn)，表現(xiàn)形式不夠豐富等問題。要解決這些問題，職業(yè)院校應(yīng)加強(qiáng)校企合作，探索基于產(chǎn)教融合的人才培養(yǎng)模式。2019年初，國務(wù)院印發(fā)的《國家職業(yè)教育改革實(shí)施方案》中明確提到“建設(shè)一大批校企‘雙元’合作開發(fā)的國家規(guī)劃教材，倡導(dǎo)使用新型‘活頁式、工作手冊(cè)式’教材并配套開發(fā)信息化資源”[1]。

1 當(dāng)前教學(xué)現(xiàn)狀及活頁式、工作手冊(cè)式教材的內(nèi)涵

1.1 嵌入式技術(shù)教學(xué)、教材現(xiàn)狀

關(guān)于“嵌入式技術(shù)”課程的授課內(nèi)容，本科院校更偏重于嵌入式操作系統(tǒng)和上位機(jī)開發(fā)等幾方面的學(xué)習(xí)，而高職院校更側(cè)重于ARM 的硬件結(jié)構(gòu)和外圍接口電路的設(shè)計(jì)方法。

從輔助教學(xué)的實(shí)驗(yàn)裝置和教材來看，一般采用以下幾種方法。

⑴用proteus 仿真或物聯(lián)網(wǎng)虛擬平臺(tái)代替實(shí)物開發(fā)。由于仿真和虛擬環(huán)境都與實(shí)際電路存在一定的差異，這種方法不利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。

⑵購買現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)箱。常見的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)較多，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)少；單一性基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)多，綜合性開發(fā)實(shí)驗(yàn)少，不適合應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

⑶自主開發(fā)更具性價(jià)比的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并開發(fā)配套教學(xué)資源。如重慶理工大學(xué)采用自己研發(fā)的教學(xué)輔助系統(tǒng)，以經(jīng)典的 ARM7LPC2148/38 MCU 為學(xué)習(xí)對(duì)象，開發(fā)了核心板和擴(kuò)展板[2]。

我?！扒度胧郊夹g(shù)”課程以2～4周的實(shí)訓(xùn)課形式進(jìn)行，以往使用LPC2214 芯片為核心的ARM7 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并采用周立功的《ARM 嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程》作為輔助教材。但是存在一系列的局限性，如教材不適配、只能部分參考，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能有限，引出的GPIO、外部中斷等端口數(shù)量少，導(dǎo)致實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目拓展空間小，以及課程內(nèi)涵和知識(shí)點(diǎn)與“單片機(jī)技術(shù)”課程有部分重復(fù)等。

1.2 活頁式、工作手冊(cè)式教材的內(nèi)涵

調(diào)研顯示，近幾年各個(gè)專業(yè)大類都開展了新形態(tài)教材的開發(fā)探索，國家教材建設(shè)重點(diǎn)研究基地徐國慶主任和北京理工大學(xué)出版社分別總結(jié)了當(dāng)前新形態(tài)教材開發(fā)遇到的一些誤區(qū)和困境。一是對(duì)“活頁式、工作手冊(cè)式”教材的內(nèi)涵理解不夠，刻板地用一頁一頁可拆卸的書本或芯片的工作手冊(cè)作為教材[3]。二是大多教師缺乏企業(yè)工作經(jīng)歷，不知道如何對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行活頁式設(shè)計(jì)，也沒有針對(duì)新型教材做出相對(duì)應(yīng)的教學(xué)方法調(diào)整，導(dǎo)致效果達(dá)不到預(yù)期[1]。

徐國慶主任指出，教材的本質(zhì)不是其物理形態(tài)，而是課程的內(nèi)容和組織模式?！盎铐撌健笔侵附滩木哂锌伸`活組織的模式，實(shí)質(zhì)就是模塊化教材，在設(shè)計(jì)上以職業(yè)能力、工作項(xiàng)目為基本組織單位?！肮ぷ魇謨?cè)式教材”是指教材內(nèi)容具有像企業(yè)操作指導(dǎo)手冊(cè)那樣的實(shí)踐指導(dǎo)性[3]。

目前較為常見的做法是在紙質(zhì)教材的基礎(chǔ)上，用植入二維碼的方式引入動(dòng)畫、視頻、VR 等數(shù)字化資源，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)教材表現(xiàn)手段單一、技術(shù)更新遲滯等不足。

2 嵌入式技術(shù)新形態(tài)教材開發(fā)

2.1 開發(fā)目標(biāo)

引入企業(yè)專家深度合作，以職業(yè)能力為導(dǎo)向調(diào)整授課內(nèi)容，以樹莓派為實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，以Python 語言為編程工具重新設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，引入HedgeDoc 編輯器建設(shè)“活頁式、工作手冊(cè)式”新形態(tài)教材，最后通過云班課平臺(tái)在不同專業(yè)、不同班級(jí)開展課程實(shí)踐，并根據(jù)反饋不斷完善教材。

2.2 開發(fā)流程

調(diào)研本地物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景、崗位用人需求，成立由行業(yè)指導(dǎo)、學(xué)校、企業(yè)共同參與的專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)，并對(duì)“嵌入式技術(shù)”課程授課教師和物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)群的學(xué)生進(jìn)行訪談，明確課程教學(xué)現(xiàn)狀與需求，重構(gòu)符合企業(yè)崗位要求和五年制高職學(xué)生具體學(xué)情的課程標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)施方案、教學(xué)模式、評(píng)價(jià)方式等。組建校企聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)兼具先進(jìn)性與實(shí)用性的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，最大限度地把物聯(lián)網(wǎng)感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的知識(shí)點(diǎn)糅合進(jìn)去，協(xié)同編輯在線教材、構(gòu)建課程網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)，并根據(jù)學(xué)生實(shí)踐的效果和反饋意見進(jìn)一步完善課程的定位、內(nèi)容架構(gòu)及教育教學(xué)理念方法。開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 新形態(tài)教材開發(fā)流程

2.3 嵌入式技術(shù)新形態(tài)教材開發(fā)工具

2.3.1 樹莓派

樹莓派（Raspberry Pi）是一款基于ARM的微型電腦主板，以SD卡為內(nèi)存硬盤，可連接wifi和藍(lán)牙，整個(gè)主板只有一張信用卡的大小，卻幾乎具備了PC的全部功能，只需通過USB 口連上鼠標(biāo)、鍵盤和顯示器，就是一臺(tái)個(gè)人電腦。

由于樹莓派處理器性能強(qiáng)大，又能方便地搭載各種傳感器和外部設(shè)備，使它被廣泛地應(yīng)用到了物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中。

2.3.2 Python語言

新開發(fā)的嵌入式課程采用Python 語言進(jìn)行程序開發(fā)，Python 對(duì)計(jì)算機(jī)編程語言基礎(chǔ)比較薄弱的學(xué)生非常友好，簡(jiǎn)單易學(xué)，API 函數(shù)庫強(qiáng)大，還能夠?qū)崿F(xiàn)跨平臺(tái)編程設(shè)計(jì)[4]。

目前，國內(nèi)院校除了在計(jì)算機(jī)專業(yè)的程序設(shè)計(jì)課程中嘗試了Python 教學(xué)以外，也有很多院校嘗試將Python 編程引入大數(shù)據(jù)、人工智能、甚至投資學(xué)、化學(xué)等學(xué)科，都取得了可喜的教學(xué)效果。

2.3.3 HedgeDoc編輯器

HedgeDoc 編輯器是一個(gè)開源的、基于Web 的、自托管的、協(xié)作的Markdown 編輯器，引入HedgeDoc編輯器可開發(fā)適用于線上線下混合教學(xué)的在線教材。

實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn)，用HedgeDoc 編輯器開發(fā)“活頁式”教材有很多優(yōu)勢(shì)。

⑴可以實(shí)現(xiàn)多人協(xié)同編輯，如圖2所示。例如針對(duì)某一個(gè)項(xiàng)目，可以先由企業(yè)專家根據(jù)工作實(shí)際需求編寫項(xiàng)目架構(gòu)，對(duì)項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)、包含的模塊等首先進(jìn)行一個(gè)規(guī)劃，接著由物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的教師編輯其中樹莓派硬件及嵌入式開發(fā)的相關(guān)模塊、由電子信息專業(yè)的教師編輯PCB 板設(shè)計(jì)的模塊、由計(jì)算機(jī)專業(yè)的教師編輯服務(wù)器和前端網(wǎng)頁設(shè)計(jì)的模塊，最后再由企業(yè)專家進(jìn)行統(tǒng)籌調(diào)整和修改。這樣能夠充分地調(diào)動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)群教師的力量，形成全員參與的開放型編寫機(jī)制，也能讓企業(yè)專家真正地參與進(jìn)課程的設(shè)計(jì)和教學(xué)過程，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)教融合，培養(yǎng)具有工程實(shí)踐能力的應(yīng)用型人才。

圖2 HedgeDoc編輯器多人協(xié)同編輯

⑵可方便地插入圖片、超鏈接和程序并保留程序的格式和注釋，還能將暫時(shí)不想公布的作業(yè)答案折疊起來，如圖3所示。同時(shí)，可方便地將在線教材針對(duì)不同用戶設(shè)置為只讀、可讀寫、私人可見等，以此區(qū)分師生的不同權(quán)限。

圖3 插入流程圖并折疊參考答案

想象一個(gè)上課情境：首先學(xué)生根據(jù)課前發(fā)布的在線教材進(jìn)行預(yù)習(xí)，提前了解項(xiàng)目框架、目標(biāo)及基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)。課堂上教師帶領(lǐng)學(xué)生分析項(xiàng)目架構(gòu)、拆分項(xiàng)目任務(wù)、通過超鏈接跳轉(zhuǎn)到樹莓派工作手冊(cè)中學(xué)習(xí)相應(yīng)的硬件連線方式、API函數(shù)和例程等。接著，教師布置一個(gè)工作任務(wù)，并引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)程序流程圖，完成后直接將任務(wù)要求和流程圖在線編輯進(jìn)教材，方便學(xué)生在實(shí)踐的時(shí)候隨時(shí)查閱。在學(xué)生做練習(xí)期間，教師可將參考答案編輯入在線教材，等學(xué)生做完后，再發(fā)布給學(xué)生并進(jìn)行作業(yè)講解。

這樣隨著課程的進(jìn)程和學(xué)生學(xué)習(xí)的節(jié)奏，不斷豐富、完善在線教材，極大地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教材一旦出版就無法修改的弱點(diǎn)，同時(shí)方便學(xué)生在課后進(jìn)行系統(tǒng)性地復(fù)習(xí)，針對(duì)不同基礎(chǔ)不同專業(yè)的學(xué)生，也可以根據(jù)實(shí)際情況生成不同難度、不同側(cè)重點(diǎn)的“定制”教材，更靈活更貼近學(xué)生需求。

⑶每一個(gè)典型的工作任務(wù)構(gòu)成了新型活頁式教材的一個(gè)基礎(chǔ)單元，就像是一塊“積木”。教學(xué)中可以隨時(shí)根據(jù)崗位需求設(shè)計(jì)新的項(xiàng)目，對(duì)教材進(jìn)行拆分和重構(gòu)。同時(shí)HedgeDoc 編輯器會(huì)在每個(gè)頁面頂端自動(dòng)生成索引，方便學(xué)生理解學(xué)習(xí)路徑，也方便學(xué)生隨時(shí)檢索定位知識(shí)點(diǎn)或操作步驟，如圖4所示。

圖4 自動(dòng)生成的索引

⑷只要登錄賬戶，師生可以在臺(tái)式機(jī)、平板電腦甚至手機(jī)上方便地編輯、閱讀教材。

2.4 開發(fā)成果

針對(duì)我校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)、電子信息工程專業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)群實(shí)驗(yàn)班的學(xué)生，設(shè)計(jì)開發(fā)了由不同模塊組合的新形態(tài)教材。

針對(duì)普通班（圖5）的學(xué)生，課程主要目標(biāo)是培養(yǎng)嵌入式技術(shù)的一般應(yīng)用能力，初步具有智能電子產(chǎn)品輔助研發(fā)與創(chuàng)新能力。需要掌握的技能點(diǎn)有：學(xué)會(huì)查閱、解讀樹莓派外設(shè)相關(guān)的數(shù)據(jù)手冊(cè)，學(xué)會(huì)在Thonny開發(fā)環(huán)境下Python 程序的編寫與調(diào)試，學(xué)會(huì)通過手機(jī)藍(lán)牙控制樹莓派上連接的各種外設(shè)，學(xué)會(huì)使用樹莓派的圖形化工具等。根據(jù)能力清單設(shè)計(jì)項(xiàng)目如：樹莓派基礎(chǔ)、LED 控制、藍(lán)牙控制樹莓派、廣告牌顯示、乒乓球模擬游戲機(jī)、智能小車遠(yuǎn)程控制、帶調(diào)節(jié)面板的智能家居系統(tǒng)等。其中點(diǎn)陣顯示、智能家居系統(tǒng)項(xiàng)目對(duì)電子信息專業(yè)的學(xué)生不做要求。通過這些有趣的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的興趣和學(xué)習(xí)積極性。

圖5 普通班課程目錄示意圖

針對(duì)實(shí)驗(yàn)班（圖6）的學(xué)生，除了基礎(chǔ)項(xiàng)目之外，將乒乓球模擬游戲機(jī)等較簡(jiǎn)單的項(xiàng)目替換為難度更高、綜合性更強(qiáng)的項(xiàng)目，如校園氣象站、智能門禁系統(tǒng)等。包括傳感器的選型、終端設(shè)備的設(shè)計(jì)與裝調(diào)、服務(wù)器的搭建、前端顯示窗口的設(shè)計(jì)與優(yōu)化等完整流程，從而體驗(yàn)物聯(lián)網(wǎng)全棧開發(fā)的技術(shù)過程。

圖6 實(shí)驗(yàn)班課程目錄示意圖

教材將知識(shí)點(diǎn)分布在各個(gè)項(xiàng)目模塊中，每個(gè)模塊從基礎(chǔ)知識(shí)鏈接開始，將目標(biāo)分解成一個(gè)個(gè)小任務(wù)，輔以詳細(xì)的操作步驟，并通過流程圖、視頻等手段，幫助學(xué)生突破重/難點(diǎn)，逐步引導(dǎo)學(xué)生掌握相關(guān)技能，充分體現(xiàn)了“工作手冊(cè)式教材”的特點(diǎn)。

3 嵌入式技術(shù)新形態(tài)教材的實(shí)施

從18 級(jí)到21 級(jí)，從一個(gè)班試點(diǎn)到所有班加入，嵌入式技術(shù)新形態(tài)教材逐步在我校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)群不同專業(yè)、不同層次的學(xué)生中推廣，并通過教學(xué)效果和師生的反饋不斷修改、完善教材。通過云班課平臺(tái)創(chuàng)建班級(jí)，在課程資源中發(fā)布新形態(tài)教材的鏈接，將學(xué)生以2-4 人為單位分成若干個(gè)小組，提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

教師可以將做得最好的學(xué)生的成果整合進(jìn)在線教材，這樣既形成了良性競(jìng)爭(zhēng)，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造性，又可以讓學(xué)生也參與到課程建設(shè)中來，提升他們的價(jià)值感與認(rèn)同感，真正體現(xiàn)了“以學(xué)生為中心、學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向”的思路。

企業(yè)專家引入工程實(shí)際中常用的SVN、GitHub-Desktop 等工具帶領(lǐng)師生實(shí)現(xiàn)程序的版本管理和多人協(xié)作。

每個(gè)綜合項(xiàng)目完成之后，通過匯報(bào)答辯的方式讓學(xué)生進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的梳理、總結(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的表達(dá)能力，全方位地提高學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

對(duì)企業(yè)專家、授課教師和學(xué)生的問卷調(diào)查與訪談結(jié)果顯示，與新型“活頁式、工作手冊(cè)式”教材使用前對(duì)比，學(xué)生在學(xué)習(xí)興趣、知識(shí)認(rèn)識(shí)、技能掌握、團(tuán)隊(duì)精神、教學(xué)效果等方面提升效果明顯。在與企業(yè)專家合作開發(fā)課程的過程中，專業(yè)教師拓寬了視野，增加了對(duì)企業(yè)實(shí)際需求的了解，獲得了長足的專業(yè)成長；企業(yè)專家也表示，通過校企“雙元”合作開發(fā)、培訓(xùn)學(xué)生的過程，企業(yè)相當(dāng)于進(jìn)行了“訂單式”培養(yǎng)，縮短了學(xué)生就業(yè)后的培訓(xùn)時(shí)間。

4 結(jié)束語

新型“活頁式、工作手冊(cè)式”教材的設(shè)計(jì)與開發(fā)，是“三教”改革的重要元素[5]?！盎铐撌健⒐ぷ魇謨?cè)式”教材在形態(tài)上分離、內(nèi)容上集中與分散結(jié)合，以問題為導(dǎo)向、項(xiàng)目為中心，可靈活地增、減、組合各項(xiàng)目模塊，并通過“手冊(cè)式”引導(dǎo)，幫助不同學(xué)情不同基礎(chǔ)的學(xué)生掌握所需的知識(shí)和技能[6]。

本校針對(duì)“嵌入式技術(shù)”課程，組建了校企合作研發(fā)團(tuán)隊(duì)，將行業(yè)企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際融合到教材中，開發(fā)了針對(duì)不同基礎(chǔ)、不同專業(yè)學(xué)生的新型“活頁式、工作手冊(cè)式”教材。考慮到原課程從內(nèi)容到實(shí)驗(yàn)設(shè)備上存在局限性，新教材采用基于樹莓派和Python 語言的教學(xué)新思路，使編程基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生能更容易地掌握嵌入式技術(shù)的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。設(shè)計(jì)了更多從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)、效果直觀有趣的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性。同時(shí)，采用了新型的HedgeDoc 編輯器，形成了適用于線上線下混合學(xué)習(xí)的教學(xué)資源。

新形態(tài)教材以云班課平臺(tái)為依托在18 級(jí)到21 級(jí)的學(xué)生中由點(diǎn)到面地開展了教學(xué)實(shí)踐，并通過教學(xué)效果和師生反饋對(duì)教材不斷加以改進(jìn)，獲得了企業(yè)專家和師生的一致好評(píng)。“嵌入式技術(shù)”課程新型活頁式教材的應(yīng)用，為線上線下教學(xué)的切換，帶來了極大的方便。