王曉斐

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術學院無錫分院，江蘇 無錫 214028)

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的飛速發(fā)展，以嵌入式技術為核心的智能設備正日益普及，嵌入式技術已成為物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)研發(fā)人員（輔助研發(fā)人員）必須掌握的關鍵技術，很多高職院校都開設了物聯(lián)網(wǎng)技術及應用的相關專業(yè)。對于物聯(lián)網(wǎng)大類的學生，“嵌入式技術”是一門核心專業(yè)課。其課程特點有：①多學科交叉，且軟硬件技術相結合,專業(yè)性、綜合性強；②學習門檻高，要求學生具有一定的專業(yè)基礎及自主學習能力；③缺少通用的實驗平臺及配套教材。在實際教學中往往發(fā)現(xiàn)學生存在理論知識理解困難、綜合設計能力差等問題。如何設計以職業(yè)能力培養(yǎng)為導向的課程體系成為該課程教學的重要挑戰(zhàn)。

職業(yè)教育的重要特征是面向職業(yè)崗位，教材應緊跟行業(yè)企業(yè)的發(fā)展需求，而當前職業(yè)院校教材存在與企業(yè)生產實際脫節(jié)、出版周期長，內容不夠與時俱進，表現(xiàn)形式不夠豐富等問題。要解決這些問題，職業(yè)院校應加強校企合作，探索基于產教融合的人才培養(yǎng)模式。2019年初，國務院印發(fā)的《國家職業(yè)教育改革實施方案》中明確提到“建設一大批校企‘雙元’合作開發(fā)的國家規(guī)劃教材，倡導使用新型‘活頁式、工作手冊式’教材并配套開發(fā)信息化資源”[1]。

1 當前教學現(xiàn)狀及活頁式、工作手冊式教材的內涵

1.1 嵌入式技術教學、教材現(xiàn)狀

關于“嵌入式技術”課程的授課內容，本科院校更偏重于嵌入式操作系統(tǒng)和上位機開發(fā)等幾方面的學習，而高職院校更側重于ARM 的硬件結構和外圍接口電路的設計方法。

從輔助教學的實驗裝置和教材來看，一般采用以下幾種方法。

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

⑵購買現(xiàn)成的實驗箱。常見的實驗平臺驗證性實驗較多，設計性實驗少；單一性基礎實驗多，綜合性開發(fā)實驗少，不適合應用型人才的培養(yǎng)。

⑶自主開發(fā)更具性價比的實驗平臺并開發(fā)配套教學資源。如重慶理工大學采用自己研發(fā)的教學輔助系統(tǒng)，以經(jīng)典的 ARM7LPC2148/38 MCU 為學習對象，開發(fā)了核心板和擴展板[2]。

我?！扒度胧郊夹g”課程以2～4周的實訓課形式進行，以往使用LPC2214 芯片為核心的ARM7 實驗平臺，并采用周立功的《ARM 嵌入式系統(tǒng)基礎教程》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，實驗平臺功能有限，引出的GPIO、外部中斷等端口數(shù)量少，導致實訓項目拓展空間小，以及課程內涵和知識點與“單片機技術”課程有部分重復等。

1.2 活頁式、工作手冊式教材的內涵

調研顯示，近幾年各個專業(yè)大類都開展了新形態(tài)教材的開發(fā)探索，國家教材建設重點研究基地徐國慶主任和北京理工大學出版社分別總結了當前新形態(tài)教材開發(fā)遇到的一些誤區(qū)和困境。一是對“活頁式、工作手冊式”教材的內涵理解不夠，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，不知道如何對教材內容進行活頁式設計，也沒有針對新型教材做出相對應的教學方法調整，導致效果達不到預期[1]。

徐國慶主任指出，教材的本質不是其物理形態(tài)，而是課程的內容和組織模式?！盎铐撌健笔侵附滩木哂锌伸`活組織的模式，實質就是模塊化教材，在設計上以職業(yè)能力、工作項目為基本組織單位?！肮ぷ魇謨允浇滩摹笔侵附滩膬热菥哂邢衿髽I(yè)操作指導手冊那樣的實踐指導性[3]。

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

2 嵌入式技術新形態(tài)教材開發(fā)

2.1 開發(fā)目標

引入企業(yè)專家深度合作，以職業(yè)能力為導向調整授課內容，以樹莓派為實訓平臺，以Python 語言為編程工具重新設計實訓項目，引入HedgeDoc 編輯器建設“活頁式、工作手冊式”新形態(tài)教材，最后通過云班課平臺在不同專業(yè)、不同班級開展課程實踐，并根據(jù)反饋不斷完善教材。

2.2 開發(fā)流程

調研本地物聯(lián)網(wǎng)產業(yè)發(fā)展前景、崗位用人需求，成立由行業(yè)指導、學校、企業(yè)共同參與的專業(yè)教學指導委員會，并對“嵌入式技術”課程授課教師和物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)群的學生進行訪談，明確課程教學現(xiàn)狀與需求，重構符合企業(yè)崗位要求和五年制高職學生具體學情的課程標準、實施方案、教學模式、評價方式等。組建校企聯(lián)合研發(fā)團隊，設計兼具先進性與實用性的實訓項目，最大限度地把物聯(lián)網(wǎng)感知層、網(wǎng)絡層和應用層的知識點糅合進去，協(xié)同編輯在線教材、構建課程網(wǎng)絡學習平臺，并根據(jù)學生實踐的效果和反饋意見進一步完善課程的定位、內容架構及教育教學理念方法。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卡為內存硬盤，可連接wifi和藍牙，整個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、鍵盤和顯示器，就是一臺個人電腦。

由于樹莓派處理器性能強大，又能方便地搭載各種傳感器和外部設備，使它被廣泛地應用到了物聯(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 語言進行程序開發(fā)，Python 對計算機編程語言基礎比較薄弱的學生非常友好，簡單易學，API 函數(shù)庫強大，還能夠實現(xiàn)跨平臺編程設計[4]。

目前，國內院校除了在計算機專業(yè)的程序設計課程中嘗試了Python 教學以外，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、化學等學科，都取得了可喜的教學效果。

2.3.3 HedgeDoc編輯器

HedgeDoc 編輯器是一個開源的、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的在線教材。

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

⑴可以實現(xiàn)多人協(xié)同編輯，如圖2所示。例如針對某一個項目，可以先由企業(yè)專家根據(jù)工作實際需求編寫項目架構，對項目的實現(xiàn)目標、包含的模塊等首先進行一個規(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)的相關模塊、由電子信息專業(yè)的教師編輯PCB 板設計的模塊、由計算機專業(yè)的教師編輯服務器和前端網(wǎng)頁設計的模塊，最后再由企業(yè)專家進行統(tǒng)籌調整和修改。這樣能夠充分地調動物聯(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制，也能讓企業(yè)專家真正地參與進課程的設計和教學過程，實現(xiàn)產教融合，培養(yǎng)具有工程實踐能力的應用型人才。

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，還能將暫時不想公布的作業(yè)答案折疊起來，如圖3所示。同時，可方便地將在線教材針對不同用戶設置為只讀、可讀寫、私人可見等，以此區(qū)分師生的不同權限。

圖3 插入流程圖并折疊參考答案

想象一個上課情境：首先學生根據(jù)課前發(fā)布的在線教材進行預習，提前了解項目框架、目標及基礎知識點。課堂上教師帶領學生分析項目架構、拆分項目任務、通過超鏈接跳轉到樹莓派工作手冊中學習相應的硬件連線方式、API函數(shù)和例程等。接著，教師布置一個工作任務，并引導學生設計程序流程圖，完成后直接將任務要求和流程圖在線編輯進教材，方便學生在實踐的時候隨時查閱。在學生做練習期間，教師可將參考答案編輯入在線教材，等學生做完后，再發(fā)布給學生并進行作業(yè)講解。

這樣隨著課程的進程和學生學習的節(jié)奏，不斷豐富、完善在線教材，極大地彌補了傳統(tǒng)教材一旦出版就無法修改的弱點，同時方便學生在課后進行系統(tǒng)性地復習，針對不同基礎不同專業(yè)的學生，也可以根據(jù)實際情況生成不同難度、不同側重點的“定制”教材，更靈活更貼近學生需求。

⑶每一個典型的工作任務構成了新型活頁式教材的一個基礎單元，就像是一塊“積木”。教學中可以隨時根據(jù)崗位需求設計新的項目，對教材進行拆分和重構。同時HedgeDoc 編輯器會在每個頁面頂端自動生成索引，方便學生理解學習路徑，也方便學生隨時檢索定位知識點或操作步驟，如圖4所示。

圖4 自動生成的索引

⑷只要登錄賬戶，師生可以在臺式機、平板電腦甚至手機上方便地編輯、閱讀教材。

2.4 開發(fā)成果

針對我校物聯(lián)網(wǎng)應用技術、電子信息工程專業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)群實驗班的學生，設計開發(fā)了由不同模塊組合的新形態(tài)教材。

針對普通班（圖5）的學生，課程主要目標是培養(yǎng)嵌入式技術的一般應用能力，初步具有智能電子產品輔助研發(fā)與創(chuàng)新能力。需要掌握的技能點有：學會查閱、解讀樹莓派外設相關的數(shù)據(jù)手冊，學會在Thonny開發(fā)環(huán)境下Python 程序的編寫與調試，學會通過手機藍牙控制樹莓派上連接的各種外設，學會使用樹莓派的圖形化工具等。根據(jù)能力清單設計項目如：樹莓派基礎、LED 控制、藍牙控制樹莓派、廣告牌顯示、乒乓球模擬游戲機、智能小車遠程控制、帶調節(jié)面板的智能家居系統(tǒng)等。其中點陣顯示、智能家居系統(tǒng)項目對電子信息專業(yè)的學生不做要求。通過這些有趣的實訓項目，充分調動學生的興趣和學習積極性。

圖5 普通班課程目錄示意圖

針對實驗班（圖6）的學生，除了基礎項目之外，將乒乓球模擬游戲機等較簡單的項目替換為難度更高、綜合性更強的項目，如校園氣象站、智能門禁系統(tǒng)等。包括傳感器的選型、終端設備的設計與裝調、服務器的搭建、前端顯示窗口的設計與優(yōu)化等完整流程，從而體驗物聯(lián)網(wǎng)全棧開發(fā)的技術過程。

圖6 實驗班課程目錄示意圖

教材將知識點分布在各個項目模塊中，每個模塊從基礎知識鏈接開始，將目標分解成一個個小任務，輔以詳細的操作步驟，并通過流程圖、視頻等手段，幫助學生突破重/難點，逐步引導學生掌握相關技能，充分體現(xiàn)了“工作手冊式教材”的特點。

3 嵌入式技術新形態(tài)教材的實施

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

教師可以將做得最好的學生的成果整合進在線教材，這樣既形成了良性競爭，激發(fā)了學生的創(chuàng)造性，又可以讓學生也參與到課程建設中來，提升他們的價值感與認同感，真正體現(xiàn)了“以學生為中心、學習成果為導向”的思路。

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

每個綜合項目完成之后，通過匯報答辯的方式讓學生進行知識點的梳理、總結，培養(yǎng)學生的表達能力，全方位地提高學生的就業(yè)競爭力。

對企業(yè)專家、授課教師和學生的問卷調查與訪談結果顯示，與新型“活頁式、工作手冊式”教材使用前對比，學生在學習興趣、知識認識、技能掌握、團隊精神、教學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，增加了對企業(yè)實際需求的了解，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)、培訓學生的過程，企業(yè)相當于進行了“訂單式”培養(yǎng)，縮短了學生就業(yè)后的培訓時間。

4 結束語

新型“活頁式、工作手冊式”教材的設計與開發(fā)，是“三教”改革的重要元素[5]?！盎铐撌?、工作手冊式”教材在形態(tài)上分離、內容上集中與分散結合，以問題為導向、項目為中心，可靈活地增、減、組合各項目模塊，并通過“手冊式”引導，幫助不同學情不同基礎的學生掌握所需的知識和技能[6]。

本校針對“嵌入式技術”課程，組建了校企合作研發(fā)團隊，將行業(yè)企業(yè)生產實際融合到教材中，開發(fā)了針對不同基礎、不同專業(yè)學生的新型“活頁式、工作手冊式”教材?？紤]到原課程從內容到實驗設備上存在局限性，新教材采用基于樹莓派和Python 語言的教學新思路，使編程基礎薄弱的學生能更容易地掌握嵌入式技術的相關知識點。設計了更多從實際應用出發(fā)、效果直觀有趣的實訓項目，激發(fā)了學生的學習興趣和主動性。同時，采用了新型的HedgeDoc 編輯器，形成了適用于線上線下混合學習的教學資源。

新形態(tài)教材以云班課平臺為依托在18 級到21 級的學生中由點到面地開展了教學實踐，并通過教學效果和師生反饋對教材不斷加以改進，獲得了企業(yè)專家和師生的一致好評。“嵌入式技術”課程新型活頁式教材的應用，為線上線下教學的切換，帶來了極大的方便。