益于學(xué)生知識結(jié)構(gòu)構(gòu)建和學(xué)習(xí)遷移的片上系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計研究

摘 要：由于電子信息行業(yè)的嵌入式技術(shù)更新發(fā)展快，產(chǎn)品開發(fā)工具多樣且變化劇烈，導(dǎo)致《片上電子信息系統(tǒng)》以提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力為主導(dǎo)的改革勢在必行。本文根據(jù)學(xué)習(xí)理論、學(xué)習(xí)遷移理論等研究了益于學(xué)生知識結(jié)構(gòu)構(gòu)建和學(xué)習(xí)遷移的片上系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計方法，并以實現(xiàn)流程及工具操作的講解為例提出了具體的相關(guān)實施方法。該設(shè)計方法能夠提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，為培養(yǎng)符合社會需求的人才提供保障。

關(guān)鍵詞：片上系統(tǒng) 自主學(xué)習(xí) 學(xué)習(xí)遷移 教學(xué)內(nèi)容

中圖分類號：G633 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-9795（2013）08（b）-0121-02

1 研究背景

近十年，可編程邏輯器件、單片機(jī)、DSP、ARM等技術(shù)與市場飛速發(fā)展，相關(guān)的技術(shù)、教學(xué)素材有所增加，涌現(xiàn)出大量的技術(shù)書籍、教材、實驗案例、開發(fā)套件、技術(shù)資料等。以SOPC（system on programmable chip）為核心內(nèi)容片上電子信息系統(tǒng)雖代表著嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的方向，可由于其內(nèi)容較新、對人才知識技能要求高、軟硬件結(jié)合難度大等原因，國內(nèi)開設(shè)片上電子信息系統(tǒng)的學(xué)校也非常少[1]，與片上電子信息系統(tǒng)（SOPC）相關(guān)教材、甚至是科技書籍都寥寥無幾[2～5]，精品課更是寥若星辰。鑒于已有的技術(shù)書籍主要針對工程技術(shù)人員閱讀，不易于相關(guān)知識基礎(chǔ)薄弱的本科生學(xué)習(xí)和理解，我們急需參考國外相關(guān)課程和國內(nèi)外科技書籍，對課程內(nèi)容進(jìn)行完整的梳理和總結(jié)，仔細(xì)編排教學(xué)內(nèi)容，并反映片上電子信息系統(tǒng)最為基礎(chǔ)、本質(zhì)和實用的內(nèi)容，體現(xiàn)知識發(fā)展前沿，使學(xué)生掌握片上電子信息系統(tǒng)最基本的理論和觀點，掌握學(xué)習(xí)這門課的基本學(xué)習(xí)態(tài)度和方法，相關(guān)的操作實踐方法等，達(dá)到教學(xué)內(nèi)容豐富全面、邏輯清晰、條理清楚的目標(biāo)。另一方面，由于電子信息行業(yè)中嵌入式技術(shù)更新發(fā)展較快，產(chǎn)品的更新?lián)Q代乃至產(chǎn)品開發(fā)工具變化較為劇烈[6]，導(dǎo)致《片上電子信息系統(tǒng)》以培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力為主導(dǎo)的改革勢在必行。這樣對教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計就提出新的要求。因而，我們課堂教學(xué)內(nèi)容設(shè)計應(yīng)該是在學(xué)習(xí)理論、學(xué)習(xí)動機(jī)、自主學(xué)習(xí)等理論的指導(dǎo)下，根據(jù)課程的特點、教學(xué)目標(biāo)、學(xué)生的先驗知識等進(jìn)行精心設(shè)計，使學(xué)生構(gòu)建起易擴(kuò)展的、牢固的知識結(jié)構(gòu)，以利于學(xué)習(xí)遷移的進(jìn)行，進(jìn)而提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

因此，這篇論文在國內(nèi)《片上電子信息系統(tǒng)》課程現(xiàn)狀下，如何進(jìn)行益于學(xué)生知識結(jié)構(gòu)構(gòu)建和學(xué)習(xí)遷移的《片上電子信息系統(tǒng)》教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計進(jìn)行研究。

2 研究依據(jù)的理論基礎(chǔ)

學(xué)習(xí)理論解釋是有關(guān)學(xué)習(xí)的實質(zhì)、過程、條件等根本問題的一些觀點，它強(qiáng)調(diào)人類學(xué)習(xí)是建立、重組認(rèn)知結(jié)構(gòu)的過程。研究認(rèn)知學(xué)習(xí)理論的代表學(xué)者之一是布魯納，布魯納認(rèn)為教學(xué)的一大任務(wù)就是為最佳的理解提供最佳的知識結(jié)構(gòu)[7～8]。

從教材理解方面，懂得基本原理會使學(xué)科更容易理解；從教材遷移方面，掌握了較基本的原理或結(jié)構(gòu)，就可以把事情作為更普遍的事情的特例去理解，從而有助于增進(jìn)學(xué)習(xí)中的遷移。

從教材記憶方面來看，“除非把一件事情放進(jìn)構(gòu)造得好的模式里面，否則很快就會忘記”。

學(xué)習(xí)遷移理論研究的是一種學(xué)習(xí)對另一種學(xué)習(xí)的影響。其中按照內(nèi)容劃分為普遍遷移、特殊遷移。主要的遷移相關(guān)的觀點有[7]：

（1）現(xiàn)代遷移理論認(rèn)為認(rèn)知結(jié)構(gòu)與遷移有重要聯(lián)系：主要體現(xiàn)在認(rèn)知結(jié)構(gòu)的可利用性、可辨別性和鞏固性對遷移的影響。

（2）充分或過度學(xué)習(xí)是有效遷移的一個有利條件。

（3）學(xué)習(xí)任務(wù)的難易程度與遷移也有影響。

（4）遷移假設(shè)理論認(rèn)為通過假設(shè)形成的思考順序和假設(shè)范圍會影響以后對類似問題的解決。

3 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計方法

結(jié)合理論，具體的實施方法在本篇文章中以實現(xiàn)流程及工具操作的講解為例作如下說明：

在《片上電子信息系統(tǒng)》這類實踐性較強(qiáng)的課程中，往往涉及在具體編程環(huán)境中工具的操作。面對紛繁的命令、原理和流程，如果教師眉毛胡子一把抓，從頭按部就班地把操作一點點講起，就會造成學(xué)生不甚清晰的學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)，造成記憶和將來學(xué)習(xí)遷移的困難，沒有一個整體的對基本原理、基本態(tài)度的掌握，不利于提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。本文作者經(jīng)過分析，得出講授工具與流程過程中，可以圍繞原理的介紹、工具的介紹和流程的介紹三個線索展開。

首先是原理的介紹：指講述諸如高級編程語言源代碼輸入、編譯、連接、形成可執(zhí)行文件、存儲器分段及配置、程序加載執(zhí)行等的原理（針對C語言或者處理器內(nèi)核）；或者講述源代碼輸入、約束條件、綜合、布局布線、添加約束、在線調(diào)試、下載等的原理（針對邏輯編程語言verilog或VHDL、FPGA）；這些原理使學(xué)生對工具或者流程完成工作的內(nèi)部機(jī)理有所了解，方便學(xué)生在理解基礎(chǔ)上認(rèn)識工具和流程。

然后是工具的功能介紹：分為每個工具組件的介紹、每個工具的窗口界面中顯示內(nèi)容、命令菜單的介紹，包括工程窗口、信息窗口、內(nèi)容窗口。菜單包括：文件、調(diào)試、編輯、工具、選項等。具體在工具介紹中還涉及某一工具操作流程是哪些命令（動作）組合實現(xiàn)的、哪些窗口顯示哪些內(nèi)容、如何根據(jù)內(nèi)容調(diào)整（交互）等內(nèi)容。所以這部分既包括按照各種工具功能的介紹，可以滲透工具與原理、流程的對應(yīng)關(guān)系。

最后是流程的介紹：脫離某一具體的工具，因為某流程中可以通過可換的工具或者命令實現(xiàn)。比如下載可以用iMPACT命令，也可以用EDK集成界面上的download bitstream實現(xiàn)[2]。這樣的例子比比皆是。具體講解中應(yīng)注意片上系統(tǒng)基本原理與Altera開發(fā)、C語言軟件開發(fā)或FPGA硬件開發(fā)的類比性（學(xué)習(xí)遷移（4）），可以將原理與流程與他們進(jìn)行類比，分析聯(lián)系與區(qū)別，加深學(xué)生對知識的理解，鞏固學(xué)生知識，從而有利于學(xué)生學(xué)習(xí)遷移能力的培養(yǎng)。

實際中編程工具和實現(xiàn)流程的介紹還是比較抽象的。如果能夠以某一實例介紹，就會使學(xué)生有非常深刻的印象，從降低學(xué)習(xí)的難度，將知識掌握扎實而成為堅固的知識結(jié)構(gòu)。根據(jù)知識遷移中的“知識的鞏固性、熟練程度、充分或者過度學(xué)習(xí)”對新舊知識發(fā)生聯(lián)系，發(fā)生有效學(xué)習(xí)遷移的影響（學(xué)習(xí)遷移（1），（2））[7]。應(yīng)該不吝嗇時間來講這些典型的、重要的、基礎(chǔ)的、具有演示性意義的例子和基礎(chǔ)知識。這將有利于易于進(jìn)行學(xué)習(xí)遷移的內(nèi)容留到自主學(xué)習(xí)中去解決（學(xué)習(xí)遷移（3））。

這種利于學(xué)生進(jìn)行知識結(jié)構(gòu)構(gòu)建、學(xué)習(xí)遷移的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計方法，對于學(xué)習(xí)者主動獲取知識、構(gòu)建知識結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)探索能力等具有重要作用，從而能夠提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，這種能力會一直延續(xù)到學(xué)生將來的學(xué)習(xí)工作中，使學(xué)生終身受益。

4 結(jié)語

市場的需求和技術(shù)的發(fā)展趨勢決定了片上電子信息系統(tǒng)在本科生實踐教學(xué)中的非常重要地位，技術(shù)的飛速發(fā)展、應(yīng)用環(huán)境的多樣、開發(fā)工具的大量涌現(xiàn)決定了對這種應(yīng)用實踐性較強(qiáng)的課程更需要注重提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力[6，9]。作者所在的北京信息科技大學(xué)非常重視打造信息學(xué)科特點的實踐課程，作者根據(jù)國內(nèi)實踐教學(xué)和片上電子信息系統(tǒng)課程的現(xiàn)狀，進(jìn)行了益于提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計的探索研究。

本文所述的設(shè)計方法都有充分的理論依據(jù)，是根據(jù)作者一年來在課程教學(xué)、課程設(shè)計教學(xué)和專業(yè)綜合實踐等實踐課程的具體實施過程中探索出來的，其中很多應(yīng)該還需在未來的教學(xué)反饋基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)。在此教學(xué)內(nèi)容設(shè)計方法的基礎(chǔ)上得到的內(nèi)容分解體系，與益于提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的教學(xué)方法、手段結(jié)合，才能使得教學(xué)的知識性、啟發(fā)性、全面培養(yǎng)學(xué)生的目標(biāo)得到更好的實現(xiàn)，使得課程在全方位的得到提升和優(yōu)化，使得學(xué)生在有限的學(xué)習(xí)時間、有限的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，扎實掌握片上電子信息系統(tǒng)相關(guān)的理論基礎(chǔ)知識，建立起易拓展的、利于學(xué)習(xí)遷移的知識結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)出較強(qiáng)的片上信息的系統(tǒng)設(shè)計、實踐和應(yīng)用能力，較強(qiáng)創(chuàng)新性能力，滿足未來嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的需要，與社會應(yīng)用需求接軌的優(yōu)異的寬口徑應(yīng)用實踐型人才。

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①資助項目：北京信息科技大學(xué)2012年度教學(xué)改革立項資助“培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的《片上電子信息系統(tǒng)》教學(xué)內(nèi)容與方法探索研究”（2012JGYB19）；

北京信息科技大學(xué)2012年度教學(xué)改革立項資助（2012JGYB17）。