楊 靜，胡秋琦，朱雪秦，王 毅

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）實驗與創(chuàng)新實踐教育中心，廣東深圳 518055；2.深圳大學(xué)計算機與軟件學(xué)院，廣東深圳 518060）

0 引言

2020 年后，隨著疫情防控措施常態(tài)化，高等教育教學(xué)活動模式隨之動態(tài)調(diào)整。教育部發(fā)布《關(guān)于在疫情防控期間做好普通高等學(xué)校在線教學(xué)組織與管理工作的指導(dǎo)意見》指出，高校應(yīng)充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，積極開展線上授課、線上學(xué)習(xí)等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)活動，保證學(xué)生學(xué)習(xí)進度［1-4］。

隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)快速發(fā)展，教學(xué)模式逐漸多樣化。采用課堂問題啟發(fā)模式、項目引導(dǎo)式、MOOC 課堂、SPOC 專屬課程、翻轉(zhuǎn)課堂及混合式教學(xué)［5-10］，極大豐富了傳統(tǒng)線下課堂教學(xué)效果。但在實踐類課程中，因?qū)嶒炂脚_限制，課程多為演示性實踐，學(xué)生無法參與軟件設(shè)計和硬件接線實際操作中，導(dǎo)致學(xué)習(xí)熱情較低。為此，本文針對嵌入式系統(tǒng)實踐類課程，采用口袋實驗儀器作為實驗平臺完成課程?？诖鼘嶒瀮x器實驗功能豐富，外形小巧、方便攜帶，可由教師功能測試后郵寄給學(xué)生使用，便于學(xué)生進行課堂學(xué)習(xí)和課后二次開發(fā)。

2022 年春季常態(tài)化防控時期，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）嵌入式系統(tǒng)課程授課團隊為了提供無差別的線上課堂體驗，在軟件方面，借助互聯(lián)網(wǎng)授課平臺，分專業(yè)建立QQ 學(xué)習(xí)群，在群內(nèi)共享學(xué)習(xí)資料，發(fā)布通知，保證每位學(xué)生充分了解所學(xué)知識；在硬件方面，準備了300 余套MSP 430 口袋實驗儀器，并于課前一周將實驗板件寄給每位學(xué)生。此外，采用雨課堂、騰訊課堂和騰訊會議共3 種平臺共同授課。課堂包括一位主講教師和兩位協(xié)同教師同時授課，以便于隨時解答學(xué)生疑問。實踐表明，口袋實驗儀器打破了授課時空限制，多授課平臺功能互補提升了課堂活躍程度和學(xué)生參與度，極大鍛煉了學(xué)生的動手能力和工程實踐能力。

1 教學(xué)模式選擇

在線教學(xué)需要凝練授課內(nèi)容，提出課程重點與主線。由于案例化教學(xué)方式重點突出、思路清晰，能提升學(xué)生學(xué)習(xí)的連貫性［11-19］。因此，本文采用案例化項目驅(qū)動方式使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中跟隨主線實踐鍛煉，達到結(jié)題要求。

課程總計20 個學(xué)時，以實現(xiàn)項目要求目標(biāo)的前提下設(shè)計課程方案。其中，前16 個學(xué)時講解案例設(shè)計中包含的知識點，重點講解項目中用到的功能。例如，GPIO 模塊、定時器模塊、ADC 采樣模塊。后4 個學(xué)時供學(xué)生自由調(diào)試，在自由調(diào)試的最后1個學(xué)時進行作品分享交流會。

為此，教學(xué)平臺應(yīng)滿足以下3 點要求：①直播流暢度較高；②授課平臺互動方式豐富；③具備學(xué)生自我展示平臺。

1.1 口袋實驗儀器與網(wǎng)絡(luò)授課平臺相結(jié)合

嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計實驗的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生掌握嵌入式軟件的開發(fā)流程，鍛煉學(xué)生軟件編程、調(diào)試、燒寫等能力，在此過程中培養(yǎng)學(xué)生嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度和認真細致、實事求是的工作作風(fēng)。

為達到線下教學(xué)效果，在線教學(xué)需緊密結(jié)合口袋實驗儀器硬件平臺與網(wǎng)絡(luò)授課平臺，充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)授課平臺的優(yōu)勢，最大程度展現(xiàn)、分享口袋實驗儀器硬件平臺在實際教學(xué)中的使用情況?？诖鼘嶒瀮x器具有小巧靈活、便于運輸、郵寄方便等優(yōu)勢，手機攝像頭即可拍攝全貌，便于錄制硬件平臺的LED 燈、按鍵、屏幕顯示等操作，為嵌入式系統(tǒng)線上教學(xué)提供了可行性。

采用多種網(wǎng)絡(luò)授課平臺可實現(xiàn)優(yōu)勢互補，將基于口袋實驗儀器硬件平臺的應(yīng)用軟件設(shè)計教學(xué)全過程在課堂上進行展現(xiàn)。其中，口袋實驗儀器與網(wǎng)絡(luò)授課平臺的結(jié)合點體現(xiàn)在以下3個方面。

（1）騰訊課堂展示教師端課堂全貌。通過共享桌面提供清晰的課堂PPT 和板書；手寫板、動畫等功能引導(dǎo)學(xué)生進行思考，消化教學(xué)內(nèi)容；在線視頻能消除線上教學(xué)的距離感，同時可正面展示口袋實驗儀器的每個硬件細節(jié)，便于學(xué)生快速定位硬件接線，了解實驗現(xiàn)象。

（2）雨課堂的課堂答題、互動投稿等功能，將口袋實驗儀器硬件平臺的具體電路問題設(shè)計為填空題、選擇題、主觀題等題型。例如，在深入學(xué)習(xí)嵌入式軟件設(shè)計實際案例中，講授口袋實驗儀器硬件平臺中各種外設(shè)接口及其使用方法，在每個模塊的教學(xué)過程中使用課堂答題、互動投稿等功能加深學(xué)生對口袋實驗儀器硬件平臺的理解和掌握。

（3）騰訊會議的發(fā)言分享功能可設(shè)計翻轉(zhuǎn)課堂。在使用口袋實驗儀器硬件平臺實現(xiàn)教學(xué)案例任務(wù)后，可轉(zhuǎn)換師生角色。學(xué)生在課上分享嵌入式軟件設(shè)計案例的具體實現(xiàn)方案和思路，不僅能加強課堂互動效果，對學(xué)生也是一個自我展示的平臺，有利于鍛煉學(xué)生綜合能力。

實踐表明，通過口袋實驗儀器硬件平臺和網(wǎng)絡(luò)授課平臺的有機結(jié)合，不僅完成了與線下教學(xué)一致的教學(xué)目標(biāo)，還帶給學(xué)生全新的聽課體驗。將課上交流互動擴展延伸到課下全方位溝通，既加強教師和學(xué)生間的教學(xué)結(jié)合，又強化了學(xué)生間的相互交流和分享，對傳統(tǒng)教學(xué)方法的改革創(chuàng)新具有一定借鑒意義。

1.2 多平臺授課選擇

多平臺交叉融合教學(xué)方案如圖1 所示。在課程前16學(xué)時，教師通過雨課堂和騰訊課堂進行雙直播，學(xué)生在計算機屏幕端使用騰訊課堂，手機端app 使用雨課堂互動。在學(xué)生自由調(diào)試的最后1 個學(xué)時，使用騰訊會議進行作品分享、交流。

Fig.1 Multi-platform cross-integration teaching mode圖1 多平臺交叉融合方式教學(xué)

由圖1 可見，各平臺授課方案優(yōu)勢互補。騰訊課堂直播功能強大，直播流暢程度較高，教師可出鏡授課。同時，騰訊課堂還具有簽到功能，教師能在課堂休息后發(fā)起簽到，令學(xué)生快速重回課堂，形成考勤統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

雨課堂互動功能強大，僅通過手機app 端可實現(xiàn)課堂互動。教師通過雨課堂發(fā)布課前預(yù)習(xí)題、課后作業(yè)題，題型包括填空題、單選題、多選題、主觀題，教師課線上批改完成后，系統(tǒng)將自動統(tǒng)計成績，便于教師了解學(xué)生知識掌握情況。教師主動發(fā)起課堂互動方式包括在雨課堂PPT中插入填空題、單選題、多選題、主觀題（問答題）、投票題等。學(xué)生提交答案后系統(tǒng)將顯示做題正確率、答題率等數(shù)據(jù)。學(xué)生主動發(fā)起交流的方式包括彈幕、投稿、PPT 頁標(biāo)等，在投稿功能中學(xué)生可上傳圖片、文檔和小視頻到課堂進行分享，以提升課堂師生、生生之間的交流互動。

QQ 學(xué)習(xí)群便于教師發(fā)布各種通知、上傳學(xué)習(xí)資料，便于學(xué)生使用視頻或語音聊天對疑惑知識進行課后提問和交流。此外，教師可使用遠程桌面控制功能幫助學(xué)生進行程序調(diào)試，彌補無法面對面操作的缺陷，因此該方式可為雙課堂直播授課提供輔助。

騰訊會議的優(yōu)點在于學(xué)生可隨時開麥，主動分享學(xué)習(xí)成果。同時，教師可隨時對學(xué)生學(xué)習(xí)成果進行點評，指出學(xué)生薄弱之處。

1.3 團隊協(xié)同授課模式

在線課堂為解決師生互動問題，采用一位主講教師，兩位協(xié)同教師的方式進行授課。三位教師共同備課，確保課堂授課的內(nèi)容和節(jié)奏一致。具體的，主講教師通過騰訊課堂授課，兩位協(xié)同教師在雨課堂、QQ 群中及時解答學(xué)生問題。實踐表明，學(xué)生提問主動性大幅度增加，提問難易程度呈現(xiàn)梯級上升。

2 實驗教學(xué)案例設(shè)計

2.1 教學(xué)案例項目需求分析

采用案例化教學(xué)模式，首先需要提出案例化項目需求，然后分析出所需完成的硬件和軟件程序設(shè)計，接下來結(jié)合口袋實驗儀器現(xiàn)有的處理器和外圍擴展電路資源確定需要重點學(xué)習(xí)的單元模塊，最后根據(jù)案例項目完成各單元模塊特定功能的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，綜合調(diào)試完成所選擇的案例化項目。

本文以智能燈光控制系統(tǒng)項目為例，該項目主要完成一個隨著外界環(huán)境光線強弱調(diào)節(jié)環(huán)境光亮度的燈光系統(tǒng)。項目實際需求是系統(tǒng)檢測環(huán)境聲音，當(dāng)聲音達到閾值時，表示需要打開燈光系統(tǒng)。在采集聲音的同時進行計時，當(dāng)一段時間檢測不到聲音，系統(tǒng)便自動關(guān)閉燈光。并且，系統(tǒng)在提供燈光服務(wù)過程中，會根據(jù)外界光強自動調(diào)節(jié)燈光強度。

根據(jù)案例項目需求分析，在口袋實驗儀器的硬件平臺中選擇大功率LED 燈作為燈光系統(tǒng)的控制對象，通過麥克風(fēng)、放大電路及處理器中的定時器A、GPIO 和ADC 模塊提供控制信號，具體為點燈滅燈、調(diào)節(jié)燈光強度兩個操作號。

2.2 案例項目硬件設(shè)計

智能燈光控制系統(tǒng)的控制對象為大功率LED 燈，該燈需要大電流驅(qū)動，控制信號為PWM 信號。對外部聲音和光強信號進行采樣后，采用閉環(huán)控制調(diào)節(jié)算法形成PWM信號調(diào)節(jié)控制對象，實現(xiàn)可調(diào)聲控?zé)粝到y(tǒng)，如圖2所示。

Fig.2 Hardware design of intelligent lighting control system圖2 智能燈光控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

由圖2 可見，聲音信號經(jīng)過麥克風(fēng)和放大電路后，放大后的電壓信號作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的一路輸入信號；光強信號經(jīng)過光敏傳感器轉(zhuǎn)換后的電壓信號作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的另一路輸入信號。數(shù)字信號經(jīng)過開發(fā)板MCU 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器處理后，經(jīng)過控制邏輯生成PWM 驅(qū)動信號，驅(qū)動大功率LED 燈點亮和熄滅，并且根據(jù)外界環(huán)境光變化改變PWM信號的占空比，調(diào)節(jié)燈光亮度。

2.3 案例項目軟件設(shè)計

在熟悉GPIO 模塊、定時器模塊和ADC 模塊的具體引腳后，對應(yīng)用軟件進行流程圖設(shè)計。由于智能燈光控制系統(tǒng)既能根據(jù)聲音信號實現(xiàn)點燈、滅燈功能，還能根據(jù)環(huán)境光強調(diào)節(jié)光強。因此，根據(jù)流程圖（見圖3）進行程序設(shè)計并調(diào)試，對聲音信號和光強信號進行邏輯判斷，控制驅(qū)動信號實現(xiàn)智能燈光控制系統(tǒng)各項功能。

Fig.3 Intelligent lighting control system software design flow chart圖3 智能燈光控制系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖

2.4 融入思政元素

全國高校思想政治課中提到，要堅持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程，實現(xiàn)全程育人、全方位育人，開創(chuàng)我國高等教育事業(yè)發(fā)展新局面［20］。本課程對學(xué)生思想政治教育應(yīng)從以下3 個方面入手：①順應(yīng)思想政治理論教育，增強學(xué)生的政治認同和文化自信；②通過科學(xué)家們在物理電子學(xué)、半導(dǎo)體、集成電路、通信等工業(yè)產(chǎn)業(yè)的杰出貢獻，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)奉獻精神；③通過民族工業(yè)在通信、互聯(lián)網(wǎng)信息、基建等方面的影響力和成就，增加學(xué)生科技報國的信心和決心。

教師應(yīng)充分利用互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)工具，根據(jù)案例教學(xué)設(shè)計課程資料、實踐任務(wù)、課后作業(yè)等，開設(shè)擴展閱讀角融入課程思政元素，使學(xué)生在閱讀中受到思政教育。例如，在單片機發(fā)展史授課過程中，推送中國半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展進程和取得成就；在定時器授課過程中，推送哈工大航天精神等相關(guān)鏈接。

3 雨課堂貫穿課程考核

3.1 課前預(yù)習(xí)

嵌入式系統(tǒng)實踐課程對學(xué)生提前預(yù)習(xí)相關(guān)知識的要求較高。傳統(tǒng)課堂布置預(yù)習(xí)作業(yè)均為紙質(zhì)作業(yè)方式，不利于課堂內(nèi)容銜接。

在線教學(xué)借助雨課堂的課件、習(xí)題發(fā)布功能，使學(xué)生在提交答案后立即得到成績結(jié)果和問題解析，在一定程度上解決了學(xué)生在預(yù)習(xí)期間的疑問。

3.2 課上投稿互動

雨課堂投稿功能強大，學(xué)生可上傳圖片、文檔和小視頻至課堂進行分享，如圖4 可見。該功能增強了師生、生生交流，便于教師點評優(yōu)秀作品，鼓勵基礎(chǔ)較弱的學(xué)生向優(yōu)秀學(xué)生學(xué)習(xí)。

Fig.4 contribution function in rain classroom圖4 雨課堂投稿功能

3.3 課后作業(yè)發(fā)布

雨課堂習(xí)題發(fā)布功能可選擇試卷方式發(fā)布，包括填空題、選擇題、主觀題等各種題型，支持文本、圖片、視頻等方式上傳答案，學(xué)生在線作業(yè)提交的數(shù)據(jù)將被實時記錄，便于教師統(tǒng)一測評。同時，教師在批改作業(yè)時能添加評語和批注，解決學(xué)生在作業(yè)中存在的問題。通過QQ 群和雨課堂討論區(qū)，可便于生生、師生相互交流，討論遇到的問題。

4 騰訊課堂在線直播

騰訊課堂直播功能強大，可通過直播共享PPT 講解課堂重難點知識。點名功能包括語音和視頻兩種，便于教師掌握課堂動態(tài)，提升學(xué)生聽課專注度。同時，騰訊課堂還兼顧直播回放等功能，便于學(xué)生課下進行針對性復(fù)習(xí)。

在授課過程中，教師可使用畫板功能標(biāo)記重難點知識，也可單擊畫中畫功能，打開教師端攝像頭進行實物展示。實踐證明，運用騰訊課堂結(jié)合雨課堂，能顯著提升課堂互動效果，擴展學(xué)生知識獲取途徑，提升學(xué)生的實際動手能力。騰訊課堂直播畫面如圖5所示。

Fig.5 Tencent classroom live broadcast screen圖5 騰訊課堂直播畫面

5 騰訊會議分享作品

在課程總結(jié)和答疑環(huán)節(jié)開設(shè)騰訊會議，便于學(xué)生分享學(xué)習(xí)成果和師生、生生相互交流。在會議過程中，學(xué)生可隨時提出疑問，教師及時給予解答，對于部分共性問題可統(tǒng)一在學(xué)生分享知識的過程中進行重點強調(diào)。

此外，在測評環(huán)節(jié)增添加分項，例如分享的學(xué)生可適當(dāng)在課程考核中加分，以激勵學(xué)生積極分享自身成果。實踐表明，在該方式激勵下主動分享的學(xué)生占課堂總?cè)藬?shù)80%。課堂分享環(huán)節(jié)展示如圖6所示。

Fig.6 Students sharing results in Tencent Conference圖6 騰訊會議學(xué)生分享成果

6 結(jié)語

本文提出了一種在嵌入式系統(tǒng)實踐在線課程中，采用騰訊課堂、雨課堂、騰訊會議和QQ 學(xué)習(xí)答疑群的多授課平臺教學(xué)方法。該方法運用口袋實驗儀器實驗平臺，取得了良好的教學(xué)效果。通過案例化教學(xué)設(shè)計，讓學(xué)生親身融入智能系統(tǒng)的軟件設(shè)計與開發(fā)過程中，深入了解電子產(chǎn)品軟件設(shè)計和可維護性的重要性。通過分享優(yōu)秀學(xué)生代碼，使學(xué)生掌握嵌入式編碼方式，理解項目開發(fā)過程中存在的競爭合作關(guān)系。

通過2022年春季的教學(xué)實踐表明，多平臺交叉融合授課能顯著提高在線教學(xué)質(zhì)量和課堂活躍度，提升了學(xué)生設(shè)計編碼、運行調(diào)試能力和復(fù)雜工程的實踐能力，值得深入研究和推廣。