網絡工程專業(yè)嵌入式課程雙主動教學改革研究

王海珍　廉佐政　滕艷平　金梅

摘要：針對目前嵌入式相關課程教學效果不理想的問題，探討網絡工程專業(yè)嵌入式課程的教學方法，提出雙主動教學模式，指出該模式以建構主義理論為指導，面向物聯(lián)網應用設計，并采用拋錨式教學方法，通過創(chuàng)設情境實施理論環(huán)節(jié)教學，從學生的知識基礎和興趣出發(fā)分層次實驗。

關鍵詞：嵌入式；構建主義；拋錨式教學方法；物聯(lián)網應用；雙主動

1 建構主義教學理論

近年來，嵌入式技術和嵌入式產品已經滲透到各個領域，如信息家電、通信設備、工業(yè)控制等，社會需要大量掌握嵌入式技術的人才，因此，越來越多的高校開設了嵌入式相關課程。嵌入式系統(tǒng)是一種軟硬件結合的技術，與產品和市場有緊密的聯(lián)系，具有很強的實踐性和應用性。在教學中，教師普遍認為該課程難教，學生學習起來也很吃力，難以深入掌握相關知識，教學效果不理想，因此，筆者主張以建構主義理論為基礎，探索新的教學模式。

建構主義觀點是由瑞士心理學家讓·皮亞杰于1966年提出的，他創(chuàng)立的學派被稱為“皮亞杰派”，是認知發(fā)展領域中最有影響的學派。建構主義學習理論包括以下3個基本觀點。

1.1 學習是一種過程

學習者在學習新知識時，不是通過傳授獲得知識，而是通過他對知識的經驗解釋，將知識轉變成了自己的東西，即知識和技能的獲得，是學習者與外部環(huán)境交互作用的結果，而不是教師單向灌輸?shù)慕Y果。

1.2 學習是協(xié)商活動的過程

學習不是單向的接受過程，教師不但肩負著“傳”的使命，更肩負著調動學習者積極性的使命。教師要分析學習者的知識結構，找到合適的切入點，才能確保新知識單元被建構到原有知識結構中，形成一個新的結構。然而，不同的學習者知識結構不一樣，對知識的理解不一樣，從而導致學習者的學習效果不一樣。因此只有通過“協(xié)商”和磨合，才可能達成共識。

1.3 學習是一種真實情境的體驗

學習的目的是讓學習者真正使用所學的知識來解決問題?！岸恕敝皇堑谝徊剑皶谩辈攀歉P鍵的，會用才證明真正學會了。只有在真實情境中，才能使學習變得更有效，因為學習者可以在真實情境中解決實際問題。

分析以上3個基本觀點可知，建構主義教學理論應該以學生為中心，在整個教學過程中教師是組織者、指導者、幫助者和促進者，利用情境、協(xié)商等學習環(huán)境要素充分發(fā)揮學生的主動性、積極性和首創(chuàng)精神，最終達到使學生有效實現(xiàn)對當前所學知識的理解和應用。可見，在建構主義教學理論下，教師和學生的角色、作用與傳統(tǒng)教學相比已經發(fā)生了很大的變化，而這種變化必將給嵌入式課程的教學注入新鮮力量，為改善教學效果開辟了新的途徑。

2 物聯(lián)網與嵌入式技術

物聯(lián)網的概念于1999年提出。根據(jù)2005年國際電信聯(lián)盟（ITU）的定義，物聯(lián)網主要解決物到物（Thing to Thing，T2T）、人到物（Human to Thing，H2T）、人到人（HumantoHuman，H2H）之間的互聯(lián)。物聯(lián)網這一高度交叉的新興前沿領域在國際上備受關注，美國IBM公司基于物聯(lián)網提出“智慧的地球”概念；中國科學院早在物聯(lián)網概念誕生之初就啟動了傳感網研究；2009年，無錫物聯(lián)網產業(yè)研究院成立，考察時提出“感知中國”的概念。

在物聯(lián)網應用中有3項關鍵技術，即傳感器技術、RFID（射頻識別）技術、嵌入式技術。把物聯(lián)網用人體做一個簡單比喻，傳感器相當于人的眼睛、鼻子、皮膚等感官，網絡就是神經系統(tǒng)用來傳遞信息，嵌入式技術則是人的大腦，在接收到信息后要進行分類處理；物聯(lián)網的發(fā)展為嵌入式技術的發(fā)展提供了新的應用領域。因此，嵌入式課程的教學內容安排要面向物聯(lián)網的應用。

3 雙主動教學模式

3.1 理論教學環(huán)節(jié)設計

在建構主義的教學理論下，目前已開發(fā)的比較成熟的教學方法主要有：支架式教學法、拋錨式教學法和隨機進入教學法。筆者主張采用拋錨式教學方法進行課程理論環(huán)節(jié)的教學。拋錨式教學也稱“實例式教學”或“基于問題的教學”，它要求在教學過程中，依據(jù)教學內容、對象和方式，確定錨點，即選取有感染力的真實問題，通過拋錨引導出講授的知識，設計出問題來指導教學。所謂的“拋錨”就是教師通過選取有感染力的真實問題創(chuàng)設教學情境，以確定教學內容用，“拋錨”是否成功，取決于教學情境的創(chuàng)設能否激起學生的積極性。由此可以看出，“拋錨式”教學方法的關鍵環(huán)節(jié)是教學情境的創(chuàng)設。下面筆者針對物聯(lián)網應用，分析嵌入式課程的理論教學內容，然后給出創(chuàng)設的教學情境。

3.1.1 教學內容安排

嵌入式理論教學目的是掌握嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術，為物聯(lián)網的應用奠定基礎，而嵌入式軟件是物聯(lián)網的重要的核心技術之一，它的發(fā)展促進物聯(lián)網的工程應用，因此，為了更好地應用物聯(lián)網，嵌入式課程安排6個知識單元的教學，具體內容包括以下幾個方面。

第1知識單元：嵌入式系統(tǒng)緒論。掌握嵌入式系統(tǒng)定義、特點，了解嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢、特點，理解嵌入式系統(tǒng)的設計過程。

第2知識單元：ARM體系結構。掌握ARM9結構，了解ARM9的指令集、工作模式，理解ARM9儲器格式、存儲器映射I/O結構、ARM異常，掌握ARM9的尋址和加載/存儲指令、算術和邏輯指令、比較指令、分支指令、軟件中斷指令。

第3知識單元：嵌入式系統(tǒng)的接口設計。掌握接口的控制方式、存儲器接口設計、引腳連接模塊應用、GPIO接口設計，了解中斷的分類、中斷源，掌握中斷設計、定時/計數(shù)器接口設計、串行口設計、人機接口設計。

第4知識單元：嵌入式系統(tǒng)的軟件平臺構建。了解嵌入式系統(tǒng)軟件平臺的發(fā)展、典型嵌入式操作系統(tǒng)，理解嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)的特點，掌握UC/OS—II移植規(guī)劃、移植文件構成、移植代碼與系統(tǒng)應用程序設計、任務設計、常用的系統(tǒng)函數(shù)、任務問通信程序設計方法、內存管理的程序設計方法。endprint

第5知識單元：嵌入式網絡技術。了解分布式嵌入式系統(tǒng)網絡結構、通信方式，掌握異步串行通信網絡、12C總線網絡、CAN總線網絡、USB網絡，理解嵌入式TCP/IP協(xié)議的特點，掌握嵌入式TCP/IP協(xié)議的實現(xiàn)方法。

第6知識單元：嵌入式系統(tǒng)設計實例。通過實例掌握嵌入式系統(tǒng)設計的過程和方法。

其中第2、4、5知識單元是嵌入式軟件的核心內容，不少于20學時。

3.1.2 教學情境創(chuàng)設

針對每節(jié)課的教學內容創(chuàng)設一個學習情境，設計一個總體任務，并向學生展示出整體情境，提出總體任務，然后引導學生對總任務進行分析，嘗試將總任務分解成有序的各級子任務，并討論出各級子任務所需要的知識和技能，最后學習這些知識，鍛煉這些技能，以解決問題。下面以UC/OS—II移植為例來說明進行教學情境創(chuàng)設的過程，具體步驟如下：

第1步，運行一個簡單的多任務程序，展示移植UC/OS—II后程序的設計方法。通過感性認識，引出要講授的知識，并強調學習該部分知識的重要性。

第2步，在ADS集成開發(fā)環(huán)境下設計一個工程，給學生展示移植UC/OS—II后多任務程序設計的運行情況，分析應用UC/OS—II系統(tǒng)函數(shù)進行多任務程序設計的方便性，激發(fā)學生的學習興趣，提出總體任務：移植需要完成的工作。

第3步，分析總體任務，完成移植工作需要在OS cpu.h、OS cup C.C和OS cup a.s中設計移植代碼。在工程的h文件夾下打開OS_cpu.h，在工程的arm文件夾下分別打開OS_cup_c.c和OS cup a.s分析移植代碼的設計思路，依據(jù)設計思路，指導學生進行關鍵程序段的編寫。

第4步，總結移植步驟和方法。

內容講授完畢后，讓學生總結UC/OS—II移植的步驟和方法，加深學生對該部分知識的理解。

從上面的設計步驟可以看出，情境創(chuàng)設是從真實情境展示出發(fā)，由真實情境引出要講授的知識，即先給出問題再說明問題的解決方法。相對傳統(tǒng)的灌輸教學方法，可以讓學生對所學知識的重要性有更好的理解，從而激發(fā)學生的學習興趣，提高學生的學習主動性。

3.2 實驗教學環(huán)節(jié)設計

實驗課程的教學以建構主義理論為指導，從學生的知識基礎和興趣出發(fā)，進行分層次教學，即將實驗內容分成驗證性、設計性、創(chuàng)新性3個層次，課前教師布置預習內容，提供與實驗內容相關的大量資料，給予學生充分的時間進行查閱和理解資料，課上教師僅指導學生探索問題、解決問題，充分發(fā)揮學生的主動性，讓學生自己學習、自己操作，驗證性、設計性實驗在課上完成，并由教師對完成情況進行檢驗，現(xiàn)場給出成績；此外，對實驗感興趣的學生可以利用課余時間完成創(chuàng)新性實驗，這需要定期開放實驗室，允許學生動態(tài)使用實驗室的所有資源，在教師的指導下充分發(fā)揮學生的積極性和創(chuàng)造性，運用已有的知識基礎，自己思考并動手解決實際問題。通過實驗教學環(huán)節(jié)，使學生對所做實驗的性質、規(guī)律以及知識之間的內在聯(lián)系有較深刻的理解，形成對知識的意義建構。表1給出了實驗項目及類型。

創(chuàng)新性實驗內容綜合性強，涉及的知識較多，學生2～3人一組，每一組內的學生相互協(xié)作共同完成實驗內容。此外，實驗項目可以動態(tài)變化，學生可以從表1中選取題目，也可以由教師設計題目，這取決于完成創(chuàng)新性實驗的學生的興趣狀況和知識基礎。

4 結語

以建構主義理論為指導的雙主動教學模式，對嵌入式課程的理論和實驗教學環(huán)節(jié)進行設計，是對教學方法進行的有益探索。該教學模式不僅提高了教師教學的積極性，還能夠提高學生的學習效率和知識積累，有助于提高學生分析問題、解決問題和創(chuàng)造性思維的能力，從而提高了學生學習的主動性。

（編輯：孫怡銘）endprint