摘 要：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)于2020年入選省級一流本科專業(yè)建設(shè)點，“ARM體系架構(gòu)與編程”是該專業(yè)的一門專業(yè)拓展類課程，課程在該專業(yè)的培養(yǎng)計劃中，起著承上啟下的重要作用。本文首先根據(jù)課程的特點，分析了目前課程教學(xué)過程中存在的問題，結(jié)合一流本科專業(yè)的建設(shè)目標，針對具體存在的一系列問題，提出了課程改革的思路和具體實施措施，包括教學(xué)模式改革、多元化考核機制兩個方面，為高校物聯(lián)網(wǎng)工程一流本科專業(yè)相關(guān)課程的教學(xué)改革提供一定參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)工程；一流本科課程；教學(xué)改革；教學(xué)模式；多元化；考核機制

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）02-0-04

0 引 言

教育部辦公廳在《關(guān)于實施一流本科專業(yè)建設(shè)“雙萬計劃”的通知》中提到，計劃在2019—2021年建設(shè)萬門左右國家級一流本科專業(yè)點和萬門左右省級一流本科專業(yè)點[1-2]。“雙萬計劃”是高校本科專業(yè)建設(shè)與發(fā)展的重要機遇，是新時代我國高等教育改革的重要抓手[1]，新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程等7個專業(yè)于2020年入選新疆維吾爾自治區(qū)省級一流專業(yè)建設(shè)點。

“ARM體系架構(gòu)與編程”是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的一門專業(yè)拓展類課程，課程以STM32F407系列開發(fā)板為例，主要講授ARM嵌入式系統(tǒng)涉及的理論知識、STM32處理器的功能特點、工作原理、硬件資源、常用外設(shè)包括GPIO、中斷、串口、定時器以及其他基本外設(shè)接口的程序設(shè)計方法，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法等內(nèi)容，具有較強的理論性和實踐性，是基礎(chǔ)課程的綜合應(yīng)用類課程。同時又是連接基礎(chǔ)課程與相關(guān)嵌入式類專業(yè)課程的橋梁，對于后續(xù)的實時操作系統(tǒng)、專業(yè)實習(xí)和畢業(yè)設(shè)計等的學(xué)習(xí)有著重要的作用。另外，隨著“物聯(lián)網(wǎng)+”時代的到來，ARM嵌入式系統(tǒng)在智慧農(nóng)業(yè)、智慧交通、機器人等現(xiàn)實場景中應(yīng)用日益廣泛。因此，分析研究該課程當前存在的問題，推進課程的教學(xué)改革，對于實現(xiàn)一流本科課程的建設(shè)目標有著重要的意義。

1 課程特點與當前存在的不足

“ARM體系結(jié)構(gòu)與編程”是一門既與硬件芯片相關(guān)又與軟件關(guān)系緊密的課程。課程圍繞目前流行的Cortex-M4 32位ARM處理器的架構(gòu)與外設(shè)進行講解，介紹了ARM處理器的架構(gòu)演進過程和GPIO、NVIC、UART、ADC等常用外設(shè)的使用及編程方法。課程融合了嵌入式軟件設(shè)計和硬件設(shè)計的思想，使學(xué)生了解現(xiàn)代處理器的內(nèi)部構(gòu)成和編程技巧，為學(xué)生今后從事物聯(lián)網(wǎng)工程相關(guān)領(lǐng)域的開發(fā)、嵌入式系統(tǒng)研究與開發(fā)打下堅實的基礎(chǔ)。目前教學(xué)中存在的不足主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1.1 教學(xué)模式存在的問題

長期以來，該課程主要采用以課堂教學(xué)為主，實驗教學(xué)為輔的教學(xué)模式[3]。ARM體系架構(gòu)與編程課程是一門軟硬件結(jié)合的課程，授課教師在課堂上進行理論知識的講授和演示，學(xué)生在實驗課上具體操作，但僅憑課堂的演示很難掌握具體的硬件操作和調(diào)試方法，普遍存在“一看就會，一做就廢”的情況。這種情況導(dǎo)致在實驗課上狀況百出，教師的時間和精力大都集中在糾錯環(huán)節(jié)，學(xué)生也體會不到實驗項目帶來的成就感，最終導(dǎo)致學(xué)生對課程的認同感和學(xué)習(xí)興趣較低。

該課程的學(xué)習(xí)對于學(xué)生參加各類大賽，如全國大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計競賽、全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽等都具有重要的作用，而學(xué)生參加該類大賽對于其專業(yè)能力、實踐能力的提升也有著積極的促進作用[4]。但是這門課程的開課學(xué)期一般設(shè)在第六學(xué)期，即春季學(xué)期，課程學(xué)習(xí)結(jié)束后學(xué)生進入大四年級，這段時間學(xué)生開始實習(xí)和畢業(yè)設(shè)計，導(dǎo)致學(xué)生沒有足夠的時間和精力參加這類比賽，而大三、大二年級可以參賽的學(xué)生又沒有學(xué)過這門課程，需要教師在賽前突擊講授相關(guān)知識，但是學(xué)生在短時間內(nèi)并不能熟練掌握，給參賽造成很大影響。

1.2 考核方式難以反映學(xué)生對知識的掌握程度

在傳統(tǒng)教學(xué)過程中，完全根據(jù)教學(xué)大綱進行理論考試，考試內(nèi)容比較固定和單一，學(xué)生通過突擊和死記硬背也能通過考試，完全忽略了對學(xué)生實操能力的考評，這與“新工科”人才培養(yǎng)目標相悖。因此，課程考核計劃第一次調(diào)整后，考核方式以實驗項目和課程設(shè)計為主。但這種注重實操能力而忽略對理論知識考評的考核方式，重實踐輕理論，忽略了知識的系統(tǒng)性，依然不能準確反映學(xué)生對知識的掌握程度。

2 課程改革與實踐

2.1 教學(xué)模式改革

2.1.1 基于SPOC的混合式教學(xué)

SPOC是一種規(guī)模較小的具有限制性的在線課程教學(xué)模式，其針對傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式存在的問題，主張將線上學(xué)習(xí)和面授課程學(xué)習(xí)相結(jié)合，將學(xué)習(xí)過程分為課前、課上和課中三個階段，從而彌補了大規(guī)模開放在線課程（MOOC）的不足，有人將其稱為“后慕課時代”[5-7]。利用該模式，授課教師可以更加靈活地選擇視頻等教學(xué)資源，例如可以不將所有MOOC課程的內(nèi)容作為教學(xué)資源，而是按需選擇部分內(nèi)容作為課程的教學(xué)資源，逐漸過渡到有選擇性地側(cè)重一些重點、難點問題的教學(xué)方式[3， 8-9]。同時，授課教師還可以根據(jù)教學(xué)計劃和大綱內(nèi)容進行“查缺補漏”，選擇性地錄制一些教學(xué)短視頻作為課程資源的補充，幫助學(xué)生更好地理解和完成課后內(nèi)容。

在SPOC教學(xué)模式中，任課教師要意識到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺只是一個傳授知識的載體，鞏固教學(xué)效果和掌握教學(xué)節(jié)奏的關(guān)鍵仍然是課堂授課[8-9]，這就意味著線下課堂和線上平臺相輔相成、密不可分。

基于SOPC的混合式教學(xué)模式將在線課堂與線下課堂緊密結(jié)合，有利于構(gòu)建更具個性、更加開放的教學(xué)環(huán)境，擺脫傳統(tǒng)課堂對教學(xué)空間、時間和內(nèi)容的限制，有助于實現(xiàn)高校教學(xué)工作的創(chuàng)新和轉(zhuǎn)變[6]。研究表明，在SPOC教學(xué)模式中，學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度更積極、對教學(xué)滿意度較高[8]。

2.1.2 “SPOC+項目驅(qū)動”的教學(xué)模式構(gòu)建

本課程基于SPOC，以項目為驅(qū)動展開線上線下混合式教學(xué)，教學(xué)模式主框架如圖1所示。

教學(xué)過程主要分為四個環(huán)節(jié)，分別是線上平臺、線下課堂、實驗訓(xùn)練和過程化考核，均圍繞項目內(nèi)容展開。這種教學(xué)模式以項目實訓(xùn)為核心，以提升學(xué)生興趣、培養(yǎng)學(xué)生解決問題的實踐能力為目標，使得授課教師教的方向和學(xué)生學(xué)的方向更加明確，不論是“教”還是“學(xué)”都能更有針對性和目的性，從而達到更好的教學(xué)效果[3]。

本課程線上教學(xué)依托新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)MOOC平臺設(shè)計完成。該部分主要內(nèi)容包括教學(xué)視頻，知識庫、項目（包括課程設(shè)計）要求及模板，這些內(nèi)容按照教學(xué)計劃安排，每周日固定時間在平臺上發(fā)布本周的學(xué)習(xí)任務(wù)，方便學(xué)生提前預(yù)習(xí)本周學(xué)習(xí)內(nèi)容，了解項目要求，提前做好課堂準備。課程平臺結(jié)合課程教學(xué)大綱和教學(xué)計劃，在線提供與課程相關(guān)的優(yōu)質(zhì)學(xué)習(xí)資料，包括視頻、文檔、知識庫等，方便學(xué)生學(xué)習(xí)[10]。

（1）MOOC視頻

在視頻內(nèi)容方面，相關(guān)課程均選擇國內(nèi)知名大學(xué)的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)視頻，視頻內(nèi)容超出教學(xué)大綱的部分，作為選修內(nèi)容，學(xué)有余力的學(xué)生可以自行選擇學(xué)習(xí)。學(xué)生掌握了必修部分的內(nèi)容后，就可以完成每周理論知識測驗。同時，針對每周項目內(nèi)容，課程組教師可以根據(jù)需要錄制視頻，幫助學(xué)生更好地理解和完成項目。

（2）技術(shù)文檔

在課程平臺上分享課程相關(guān)的參考書目、芯片用戶手冊、數(shù)據(jù)手冊等技術(shù)文檔的電子版，方便學(xué)生下載查閱。

（3）知識庫

該部分圍繞本周教學(xué)內(nèi)容設(shè)計，課程組教師設(shè)計課程知識庫，類型包含選擇（單選、多選）、判斷和填空三種題型，每周測驗從對應(yīng)教學(xué)周內(nèi)容的知識庫中抽取，每道題只有一次答題機會，由系統(tǒng)實時判分，方便學(xué)生及時了解自己對于知識的掌握情況，學(xué)生按照錯題知識點進行針對性復(fù)習(xí)。這種方式不僅有助于學(xué)生及時查缺補漏，還可以幫助教師及時、有效地了解學(xué)生對課程內(nèi)容的掌握情況。

（4）項目和課程設(shè)計

本課程根據(jù)教學(xué)大綱內(nèi)容設(shè)計了每周的項目內(nèi)容和最后的課程設(shè)計。每周線上內(nèi)容的最后一個單元是項目（課程設(shè)計在課程的最后一個教學(xué)周），平臺提供項目相關(guān)的說明、指導(dǎo)書、報告模板等資料。學(xué)生在課前通過預(yù)習(xí)可以明確本周任務(wù)，帶著問題和任務(wù)進入課堂，對聽課效果和對知識點的理解和掌握都有很大益處。在實驗課上或課下完成相關(guān)項目，并在時間節(jié)點之前在線提交項目報告[3]，

這對于督促學(xué)生按時完成項目，培養(yǎng)守時的學(xué)習(xí)習(xí)慣有著積極作用。課程設(shè)計在課程的最后進行，這是一個綜合性的物聯(lián)網(wǎng)項目，難度大于平時的項目，該項目有助于對學(xué)生綜合能力的考察。

線下課堂分為理論和實驗兩部分，理論課根據(jù)教學(xué)計劃結(jié)合線上材料展開項目驅(qū)動式教學(xué)活動，注重知識點的理解和應(yīng)用；實驗課是以直播方式進行實踐演示為主的教學(xué)，采用騰訊會議、釘釘直播的方式完成[10]，是對理論課堂教學(xué)的增量補充。

2.1.3 項目驅(qū)動式教學(xué)方法

如圖1所示，“項目”貫穿整個教學(xué)過程，線上平臺設(shè)置項目指導(dǎo)書、擴展視頻等內(nèi)容，學(xué)生通過提前預(yù)習(xí)，了解教學(xué)周的教學(xué)內(nèi)容和任務(wù)要求；課堂教學(xué)環(huán)節(jié)圍繞項目涉及的知識點展開，講解相關(guān)內(nèi)容，學(xué)生帶著問題和目的參與課堂活動，完成“解惑”過程；實驗課上，由學(xué)生根據(jù)項目要求完成具體的項目，課上沒有解決的難點問題可以返回線上平臺復(fù)習(xí)或者請教實驗教師；過程化考核重點考核學(xué)生的項目完成度和相關(guān)知識點掌握情況，占比為30%，可有效督促學(xué)生認真完成每一個項目，積累實踐經(jīng)驗。

項目驅(qū)動式教學(xué)方法改變了以往教學(xué)和實踐脫離的授課形式，通過考核“倒逼”的方法提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

2.1.4 開課時間調(diào)整

研究分析本專業(yè)培養(yǎng)方案發(fā)現(xiàn)，在第五學(xué)期之前，“計算機語言”“模擬電路”“數(shù)字電路”等與本課程相關(guān)的前續(xù)課程學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過，在第五學(xué)期開設(shè)該課程完全可行。因此對該課程的開課學(xué)期進行了調(diào)整，便于學(xué)生為參加大賽和畢業(yè)設(shè)計提前做好知識儲備。

2.2 建立合理的課程考核機制

本課程教學(xué)以過程考核為主，課程考核具體見表1所列。

考核共由5個考核項構(gòu)成。小測驗和期末考試以理論知識考核為主，為項目和課程設(shè)計的完成打下堅實的理論基礎(chǔ)。項目和課程設(shè)計的完成和理解情況是重點考核內(nèi)容，除了完成相應(yīng)的內(nèi)容和報告外，還需要完成項目答辯環(huán)節(jié)。項目內(nèi)容圍繞每周的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計，課程設(shè)計是一個綜合性項目，一般在課程結(jié)束一周內(nèi)完成，學(xué)生可以自選題目，也可以選擇課程組教師設(shè)計的題目。答辯需要學(xué)生講解本項目涉及的知識點、實現(xiàn)思路及方法等，從而保證學(xué)生將理論與實踐相結(jié)合。課程設(shè)計考核方式中增加了錄制視頻環(huán)節(jié)，要求錄制3～5 min的項目講解視頻，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、解決具體問題的能力。多元化的考核評價體系避免了以往純理論或者重實驗輕理論的考核方式，更能保證評價的科學(xué)性和合理性，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，提升課程質(zhì)量和教學(xué)效果。

3 結(jié) 語

本文在省級一流本科專業(yè)建設(shè)背景下，分析了物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)“ARM體系架構(gòu)與編程”課程存在的問題，從教學(xué)模式和考核方式兩個方面介紹了課程改革的方法和實踐過程。

基于SPOC+項目驅(qū)動的混合式教學(xué)有助于學(xué)生課前更好地了解學(xué)習(xí)內(nèi)容、帶著問題進課堂、課后及時復(fù)習(xí)，較大程度提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，活躍課堂學(xué)習(xí)氛圍，提高教學(xué)質(zhì)量。多元化的考核方式能夠幫助教師更有效地了解學(xué)生對課程知識的掌握程度，及時調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，促使教師及時督促學(xué)生查缺補漏。本文的研究內(nèi)容對于一流本科課程建設(shè)背景下的課程教學(xué)模式和考核模式的改革有一定的參考價值。

注：本文通訊作者為靳晟。

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