建構(gòu)主義理論在應(yīng)用型本科嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中的探究與實踐

劉振恒 王金華 李天工

[摘 要]針對嵌入式系統(tǒng)課程要求知識面廣、涉及基礎(chǔ)課程多、要求學(xué)生的綜合能力和實踐能力強、教學(xué)難度大等問題，應(yīng)該結(jié)合建構(gòu)主義教學(xué)模式和教學(xué)方法，以建構(gòu)主義核心思想為中心，在嵌入式系統(tǒng)課程開展中引導(dǎo)學(xué)生在一定的教學(xué)情景下，以協(xié)作形式，通過逐級推進和不斷積累、整合知識碎片的方法，主動構(gòu)建和完成對該課程的學(xué)習(xí)和實踐，實現(xiàn)理論實用、技能過硬的應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標。

[關(guān)鍵詞]建構(gòu)主義 逐級推進 知識碎片

[中圖分類號] G642[文獻標識碼] A[文章編號] 2095-3437（2015）12-0042-03

一、引言

2014年全球計算機硬件領(lǐng)域正式邁進以嵌入式應(yīng)用引領(lǐng)的“后PC時代”，嵌入式技術(shù)及產(chǎn)品成為信息產(chǎn)業(yè)研究和應(yīng)用的熱點。正是嵌入式技術(shù)迅猛的發(fā)展以及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，社會對嵌入式技術(shù)人才的需求量越來越大。近年來許多高校的電子專業(yè)、自動化專業(yè)、計算機專業(yè)及通信工程專業(yè)針對市場需求紛紛開設(shè)嵌入式系統(tǒng)課程。但各高校在課程設(shè)置和內(nèi)容安排上，還處于探索階段，這主要表現(xiàn)在以下幾個方面。1.嵌入式系統(tǒng)課程涉及電子、計算機、自動化控制等多專業(yè)知識，綜合性和實踐性強，對學(xué)生的專業(yè)知識有較高的要求。2.針對通用于不同專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)，市面上的教材及指導(dǎo)書設(shè)計多數(shù)是面面俱到，缺少專業(yè)針對性。3.高校在教學(xué)方法上多偏重理論及原理知識的傳授，實驗內(nèi)容大多由教師指定，學(xué)生在完成課程之后，雖然比較清楚的掌握了嵌入式開發(fā)的原理、方法，但開發(fā)技能和素養(yǎng)與實際的專業(yè)需要還有很大的差距。4.隨著課程體系的改革，各高校在不斷壓縮課程的學(xué)時與嵌入式系統(tǒng)課程涉及的知識點紛雜繁多相矛盾。[1] [2]

為了提高嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)效果，國內(nèi)外高校都在不斷探索，嘗試采取一系列的教學(xué)改革措施，并提出了一些針對不同學(xué)生群體、不同專業(yè)需求的教學(xué)方法。如長春大學(xué)采用講授與實驗一體化的教學(xué)方法[3];西南大學(xué)提出了“基礎(chǔ)性、綜合設(shè)計型、研究創(chuàng)新型”三層次的嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)系統(tǒng)，采用開放式實驗教學(xué)思路和方法[4];解放軍信息工程大學(xué)提出了機遇自命課題的團組式教學(xué)方式，要求學(xué)生圍繞專題提出自己的研究題目，集體討論等[5];美國Syracuse University（雪城大學(xué)）等在本課程的實驗中根據(jù)難度不同、時常不同，采取制定課題和自選課題的綜合性實驗設(shè)置方式，以此來提高教學(xué)效果。

本文在借鑒國內(nèi)外嵌入式課程教學(xué)方法的基礎(chǔ)上，針對學(xué)生感覺課程內(nèi)容枯燥，不愿意學(xué)，達不到好的教學(xué)效果;設(shè)置的實驗課內(nèi)容多以實驗箱附帶的驗證性實驗為主，學(xué)生缺乏主觀能動性等多種問題，提出基于建構(gòu)主義的教學(xué)方法，讓學(xué)生從以往知識的被動接受者轉(zhuǎn)變成為知識的主動構(gòu)建者。在理論教學(xué)中，設(shè)計相應(yīng)的情境環(huán)境，通過課堂講解、推薦和主動收集資料、概括總結(jié)和應(yīng)用等環(huán)節(jié)，不斷把知識碎片通過運用層次推進的方式，完成對知識主體的建構(gòu)。另外，在實踐應(yīng)用中，學(xué)生把構(gòu)建的理論知識主體通過自主、協(xié)作和探究等方式應(yīng)用到實踐內(nèi)容的學(xué)習(xí)中。建構(gòu)主義的教學(xué)方法不但讓學(xué)生學(xué)習(xí)了知識，而且能夠做到緊跟當前技術(shù)發(fā)展的方向，使學(xué)生掌握獲取知識和技能的方法，提高學(xué)生的創(chuàng)造力。

二、建構(gòu)主義教學(xué)方法的概述

建構(gòu)主義是由認知主義發(fā)展而來的哲學(xué)理念，其含義是任何學(xué)習(xí)的發(fā)生都不是在白紙上進行的，而是將新知識與已有知識建立起聯(lián)系，從內(nèi)部通過創(chuàng)造、協(xié)調(diào)對原有經(jīng)驗進行改造和重組，對新知識進行意義建構(gòu)。在此基礎(chǔ)之上的教學(xué)理論認為，獲得知識的過程，不能單純通過教師的傳授，通常還要學(xué)習(xí)者借助教師和學(xué)習(xí)伙伴的幫助與合作才能完成。

與傳統(tǒng)教學(xué)方法相比，建構(gòu)主義教學(xué)法改變了傳統(tǒng)教學(xué)的三個中心，即由以教師為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心、由以課本為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐匀蝿?wù)為中心、由以課堂為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫嵺`經(jīng)驗為中心。在以建構(gòu)主義理論思想的教學(xué)設(shè)計中，其主要特征表現(xiàn)在以下幾個方面。1.以學(xué)生為中心，在教學(xué)過程中，充分發(fā)揮學(xué)生的發(fā)散性思維、創(chuàng)造性思維和批判性思維能力，讓學(xué)生根據(jù)自身行為的信息來實現(xiàn)自我反饋，教師在此過程中充當協(xié)助者、促進者。2.學(xué)習(xí)的關(guān)鍵是主題的選取，以教學(xué)內(nèi)容作為依據(jù)，選取合時的教學(xué)主題，考慮包括基本教學(xué)知識點的同時，能有效調(diào)動學(xué)生解決問題的積極性和對主題的參與度。3.設(shè)計和開發(fā)學(xué)習(xí)資源以及協(xié)作學(xué)習(xí)的良好環(huán)境是教師在教學(xué)設(shè)計上的主要工作，要讓學(xué)生有在不同的情景下應(yīng)用所學(xué)知識的機會。[6]

三、建構(gòu)主義在課程教學(xué)中的應(yīng)用

當前，高等教育更關(guān)注大眾、應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，相應(yīng)的課程理論授課及學(xué)習(xí)方式從傳統(tǒng)的知識灌輸轉(zhuǎn)為強調(diào)認知主體內(nèi)部心理過程的學(xué)習(xí)方式，這符合建構(gòu)主義的教學(xué)策略。以嵌入式系統(tǒng)課程來說，這門課程通常包括以下幾大部分：嵌入式系統(tǒng)概述、嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、嵌入式系統(tǒng)指令與匯編程序設(shè)計、各類接口技術(shù)、操作系統(tǒng)及Bootloader、設(shè)備驅(qū)動程序等。但對應(yīng)的嵌入式處理器類型有成百上千種，因應(yīng)用不同對應(yīng)的操作系統(tǒng)、接口也多種多樣，相應(yīng)每部分知識點都多而繁雜，在有限的課時按傳統(tǒng)的教學(xué)方案面面俱到的方式已不能勝任。根據(jù)建構(gòu)主義理念，本文對該課程中課堂教學(xué)、實踐教學(xué)及課程的延展教學(xué)進行了探究。

（一）情景案例式理論教學(xué)方法改革

為了解決有限課上學(xué)時和相對較多授課內(nèi)容之間的矛盾，我們通過在授課內(nèi)容上進行設(shè)計，對課程內(nèi)容進行合理劃分，抽出核心理論部分著重講解，而將概述性、功能性描述等適當分解，學(xué)生按照教師的要求進行調(diào)研收集資料、整理和總結(jié)。這樣每個學(xué)生都有建構(gòu)自己知識體系的壓力，教師結(jié)合課程教學(xué)要求進行提問，其他學(xué)生也可以就自己感興趣或不明白的地方提問，形成教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間溝通和互動。首先，通過完成課程基本理論知識的建構(gòu)過程設(shè)計，完成基本知識的積累，如嵌入式系統(tǒng)概述部分中的定義、發(fā)展、分類和應(yīng)用;嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中的ARM處理器的版本、處理器的結(jié)構(gòu)、存儲器和總線等。這些章節(jié)的知識基本都是概述性的內(nèi)容，學(xué)生完全可以通過分組調(diào)研、討論和總結(jié)的方式進行知識碎片的收集和學(xué)習(xí)。其次，教師通過課堂集中梳理脈絡(luò)、相互提問等方式完成這部分知識的整合式學(xué)習(xí)，從而完成嵌入式基本概念的構(gòu)建。

概念性知識可以通過自主學(xué)習(xí)、討論等方式構(gòu)建，但如嵌入式硬件結(jié)構(gòu)中的接口及總線，軟件部分的操作系統(tǒng)、Bootloader、驅(qū)動程序及應(yīng)用程序等對學(xué)生綜合知識的要求比較多，在授課中教師講解和學(xué)生接受都是比較難的部分。對這部分內(nèi)容的講解，我們打破傳統(tǒng)的按部就班的方式，采用案例式情景設(shè)計方法，設(shè)計一個貫穿幾部分知識點的案例核心主線，在課上圍繞這個主線展開教學(xué)。比如圍繞硬件結(jié)構(gòu)的案例，構(gòu)建我們的硬件環(huán)境，需要哪些部件，這些部件的基本結(jié)構(gòu)和功能是什么;對于硬件的工作需要哪些軟件支持，從而引入我們使用的操作系統(tǒng)、Bootloader、驅(qū)動程序、應(yīng)用軟件等。正是通過建立這個簡單而綜合的案例，將學(xué)生置身于一定的情景環(huán)境中。在這個環(huán)境中，通過由淺入深，由簡單到復(fù)雜，不斷讓學(xué)生擴展他們的知識碎片，然后把這些知識碎片拼接在一起，從而完成部分知識的建構(gòu)，然后再采取逐級推進像搭積木一樣完成全部知識的架構(gòu)。建構(gòu)主義教學(xué)設(shè)計的核心是鼓勵學(xué)生自主學(xué)習(xí)策略，在基本知識構(gòu)建后，對每一部分知識的拓展通過提綱的方式提供給學(xué)生，鼓勵他們自己學(xué)習(xí)和討論。

（二）逐級推進式實踐教學(xué)方法改革

嵌入式系統(tǒng)課程實踐性非常強，這就對理論課程的理解和實踐內(nèi)容銜接、安排提出了挑戰(zhàn)。本文對嵌入式實踐教學(xué)環(huán)節(jié)根據(jù)理論授課內(nèi)容進行逐級推進式安排，在充分利用有限的課內(nèi)實踐時間和調(diào)動學(xué)生課余自主時間的情況下，在實驗室真實硬件環(huán)境和學(xué)生電腦模擬環(huán)境的支持下，把理論課中綜合案例融入一定情境，要求進行分解、分級和升級，實現(xiàn)理論與實踐的有效銜接。首先，選定課內(nèi)課外基本實驗內(nèi)容。如把軟件支持環(huán)境的安裝部署進行分解，把虛擬機、操作系統(tǒng)、交叉開發(fā)環(huán)境的安裝等設(shè)置為基礎(chǔ)性實驗，要求學(xué)生在參見實驗指導(dǎo)書及自行查閱資料的情況下在課外完成;如把硬件環(huán)境相關(guān)實驗分解，把資源熟悉、設(shè)備基本連接測試、GPIO輸入輸出、定時器、中斷實驗等設(shè)置為課內(nèi)基礎(chǔ)型實驗，教師統(tǒng)一講解，每個學(xué)生獨立完成，教師指導(dǎo)學(xué)生采取原理引導(dǎo)實驗，在實驗中體會原理的學(xué)習(xí)方式。其次，在完成基礎(chǔ)性實驗的情況上，通過分級處理，提出提高性實驗內(nèi)容，如軟件部分在熟悉操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的情況下完成系統(tǒng)裁剪及燒寫、Bootloader結(jié)構(gòu)認知和燒寫、Makefile文件編寫等;在硬件環(huán)境中驅(qū)動程序的結(jié)構(gòu)及編寫。本部分采取教師指導(dǎo)、學(xué)生分組討論及協(xié)作完成。最后是實踐環(huán)節(jié)的升級設(shè)計。模擬在一定的情景環(huán)境下，設(shè)計綜合性實踐內(nèi)容，本部分內(nèi)容適合在集中訓(xùn)練時間內(nèi)完成。比如房間監(jiān)控系統(tǒng)、智能家居、房間出入記錄系統(tǒng)等，通過綜合實踐環(huán)節(jié)模擬嵌入式項目的開發(fā)，教師協(xié)助各小組對模擬項目進行分析，講解學(xué)習(xí)和解決問題的思路，小組以團隊開發(fā)的方式推進，以此培養(yǎng)學(xué)生綜合實踐和團隊協(xié)作能力，為日后延展性學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

（三）后期延展性教學(xué)方法改革

學(xué)生在前期基礎(chǔ)性、提高性理論和實踐學(xué)習(xí)之后，希望能在動手能力和工作能力上進一步提升，所以后期的延展性課程改革是十分重要的環(huán)節(jié)。對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)感興趣的學(xué)生可以參與教師的相關(guān)課題，通過實際課題的深入研究提升自己。另外，鼓勵學(xué)生參加嵌入式設(shè)計大賽、物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)大賽，以賽代練的方式提高自己解決問題的能力。目前，高校中校企合作已經(jīng)成為常態(tài)，通過與相關(guān)企業(yè)進行合作，在教學(xué)內(nèi)容上能夠與社會需求接軌，同時給學(xué)生提供到企業(yè)實習(xí)和實踐的機會，做好從學(xué)校到與企業(yè)、行業(yè)的過渡。

四、結(jié)語

在嵌入式技術(shù)高速發(fā)展的今天，高校的嵌入式教學(xué)對社會人才需求培養(yǎng)起著非常重要的作用。本文結(jié)合各高校教學(xué)經(jīng)驗，在建構(gòu)主義教學(xué)模式和方法的指導(dǎo)下，對嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)方法進行探討。在理論課方面采用構(gòu)建情景式案例教學(xué)的方法，在實踐中采用逐漸推進式方法，使學(xué)生在有限的學(xué)時內(nèi)，較好地掌握教學(xué)內(nèi)容，這對培養(yǎng)學(xué)生的實踐和開發(fā)能力具有一定的現(xiàn)實意義。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 倪蘊濤.基于嵌入式系統(tǒng)實驗課程教學(xué)方法改革和教學(xué)思路探討的研究[J].牡丹江教育學(xué)院學(xué)報，2007（4）：130-131.

[2] 嚴迎建，劉軍偉，張立朝.改革嵌入式系統(tǒng)實驗內(nèi)容與組織方式[J].教學(xué)研究，2013（2）：55-57.

[3] 張淑艷，馬春龍，王金莉.嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)研究[J].中國科技創(chuàng)新導(dǎo)刊，2012（11）：53-54.

[4] 丁珠玉，張濟龍，吳永烽.嵌入式系統(tǒng)課程實踐教學(xué)模式的研究與探索[J].西南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009（6）：182-183.

[5] 王震宇，汪永紅，司彬彬，蔣烈輝.基于自命課題的團組式教學(xué)模式改革[J].計算機教育，2014（16）：43-45.

[6] 余勝泉，等.基于建構(gòu)主義的教學(xué)設(shè)計模式[EB/OL]http：//www.etc.edu.cn / articledigest6 / jiyujiangou.htm.

[責任編輯：陳 明]