嵌入式系統貫通式教學模式研究與改革
——歷史到現實、理論到實踐、線上到線下的綜合視角

張 策，呂為工，柏 軍，李劍雄，初佃輝，季振洲

（1.哈爾濱工業(yè)大學（威海）教務處；2.哈爾濱工業(yè)大學（威海）計算機科學與技術學院，山東威海 264209）

0 引言

作為《微機原理/計算機接口技術》［1］和《計算機組成原理》的后續(xù)課程，考慮到嵌入式計算機系統的專用性、整體性、靈活性，以及內容的全面性、復雜性、系統性、工程性，嵌入式系統課程教學難點和重點主要集中在如何提高學生對完整的、微縮的、專用的計算機系統認識、理解、掌握、設計、開發(fā)、實現的能力。

課程教學目標：掌握嵌入式系統基本模型、構成與運行原理、解決具有典型嵌入式系統特征的計算機工程問題。經過多年探索，課程以培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和解決實際問題能力為主導思想，形成由理論課、實驗課、在線課堂、嵌入式系統設計與實踐構成的課程體系［2］。使學生系統地理解嵌入式系統組織結構和工作原理，掌握嵌入式硬件系統基本分析與設計方法，理解嵌入式系統軟件的普遍性與特殊性，建立嵌入式系統整體概念。

本文以嵌入式應用系統構建過程為線索進行貫通式教學模式研究，以培養(yǎng)學生嵌入式系統設計能力、實踐動手能力、嵌入式系統分析與調試能力為核心，提高解決復雜計算機系統工程問題能力，從歷史到現實、理論到實踐和線上到線下3 個角度開展教學改革，重點對嵌入式系統貫通式教學模式進行研究與實踐，激發(fā)學習興趣與潛能，提高學習能力、學習成效，增強解決問題能力，提升思辨與創(chuàng)新能力。

1 問題、改革渠道與創(chuàng)新

1.1 改革針對的問題

嵌入式系統課程知識覆蓋面廣，部分章節(jié)內容教學與學習難度大，對動手實踐操作能力要求高，為學生掌握具有完整計算機系統結構的工程項目開發(fā)能力帶來很大障礙。如從早期的單片機系統到嵌入式80X86 系統，再到各類ARM 系統、FPGA/CPLD，以及樹莓派等開源硬件的出現與迅速發(fā)展，嵌入式系統的形態(tài)與開發(fā)范式不斷快速演進，為嵌入式系統課程教學帶來較大挑戰(zhàn)。與之相對應的還有嵌入式系統課程更加注重培養(yǎng)學生實際動手能力，設計理論教學與實踐教學內容，實現由理論到實踐的過渡與融合等。這些現實問題與教學困境使“滿堂灌”與“單聲道”式的傳統課堂教學模式與方法難以提升嵌入式系統課程教學質量與學習成效。為提升學生綜合能力，特別是解決嚴重制約培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的桎梏，必須加以改革。

1.2 改革渠道與創(chuàng)新

依據嵌入式系統課程知識與技術要求特點，深入研究體現完整嵌入式計算機系統設計與實現的教學模式，從歷史到現實、理論到實踐、線上到線下3 個維度進行探索，把歷史到現實縱向的知識脈絡貫通、課堂知識教學到實驗室實踐教學緊密結合貫通，以及線上到線下混合式教學貫通結合起來，把以解決復雜工程問題的培養(yǎng)作為重要導向，構建出以嵌入式應用系統構建過程為主要線索的貫通式教學模式。

本文主要解決嵌入式系統教學與人才培養(yǎng)中遇到的關鍵問題，改革渠道如下：

（1）貫通實現嵌入式系統教學中通用計算機系統與專用計算機系統之間的認知一致性。從歷史到現實視角，對課堂教學進行內容與方法改革，進行內容重構以實現對嵌入式系統準確深入認知，注重教學方法運用，貫通嵌入式系統課程與前序計算機系統結構類課程之間的差異。

（2）貫通實現嵌入式系統教學中理論知識講授與實踐能力提升之間的目標一致性。從理論到實踐視角，以完整的嵌入式應用系統構建為主線，提升課堂教學的有效性和針對性。設計并開展解決真實、具體甚至是復雜的計算機專用系統問題的核心能力實踐活動。

（3）貫通實現嵌入式系統教學中線上自主式學習與線下翻轉課堂之間的創(chuàng)新一致性。從線上到線下視角建立基于MOOC 的混合式教學模式，把以自主式學習為核心的網絡課堂教學，與以互動研討式學習為核心的翻轉課堂教學有效結合，充分發(fā)揮信息技術對教學的提升作用。

2 嵌入式系統教學模型

嵌入式系統課程是一門多學科交叉的課程，包含計算機系統組成原理、微機原理與接口、操作系統、編譯技術、網絡通信技術、人機交互、軟件測試等學科領域的諸多知識點，授課內容應用性強。為更好地跟蹤嵌入式系統最新發(fā)展，針對計算機專業(yè)特點，進一步發(fā)揮嵌入式系統面向應用的特點和優(yōu)勢，調整嵌入式系統教學體系和內容，特別是對課堂教學內容進行重構。重構思路是按照嵌入式系統與標準計算機系統歷史性差異，把知識傳授與嵌入式系統實際構建統一到解決復雜工程問題方向，充分利用MOOC 教學優(yōu)勢，統籌線上和線下兩方面資源，實現教學內容優(yōu)化。

以一個功能完整的嵌入式應用系統為例，它集成有專用的硬件與軟件業(yè)務邏輯，運行在操作系統之上，支持數據管理、Web 訪問功能，擁有可視圖形界面，其構建過程如圖1 所示。

圖1 典型嵌入式應用系統構建過程

貫通式教學模式就是以此為基礎規(guī)劃嵌入式系統教學模式，把實踐內容有機結合在教學環(huán)境中，貫通軟件硬件開發(fā)全過程。

3 嵌入式系統發(fā)展歷史及現狀

表1 為專用嵌入式系統發(fā)展歷史。從表1 可知，嵌入式系統的專用性正隨著時代的發(fā)展逐步淡化，無論是處理器、硬件、操作系統還是應用軟件，都逐漸接近于個人計算機。時至今日，嵌入式系統除了一般只作為應用環(huán)境而使用個人計算機作為開發(fā)環(huán)境這一點外，已經足夠通用了。

嵌入式系統通用性增加、專用性減小，為嵌入式系統教學提供了挑戰(zhàn)和機遇。在教學中跳出嵌入式系統歷史局限，適應技術進步現實，為社會培養(yǎng)更多適應應用需求的嵌入式系統人才，是時代賦予嵌入式系統課程的使命。

表1 嵌入式系統發(fā)展歷史

教學中重點以多種ARM 嵌入式CPU 為樣本，剖析其功能特性、內部結構、使用方法，引導學生分析以“ARM CPU+嵌入式Linux 操作系統”為核心的嵌入式系統，繼而對專用嵌入式CPU 和Android 系統等進行理論與實驗層面教學。拓寬學生對嵌入式系統認知，實現從經典嵌入式系統到現實多種通用或專用嵌入式系統的教學過渡。

4 嵌入式系統理論與實踐

嵌入式系統實踐環(huán)節(jié)培養(yǎng)學生利用嵌入式系統開發(fā)平臺及各種功能模塊搭建獨立的嵌入式應用系統，將實踐環(huán)節(jié)從單一功能實驗過渡到綜合實驗，學生從功能實驗出發(fā)完成系統集成，形成獨立的應用系統，使學生親歷嵌入式系統開發(fā)全過程。

基于理論教學與實驗，形成“實驗→課程設計→校內科技立項→競賽→科研項目→實習→畢業(yè)設計”的綜合實踐體系。除了完成校內既定實踐教學環(huán)節(jié)外，部分學有余力的學生還可積極參加校內科技立項，從嵌入式系統角度進行創(chuàng)新開發(fā)，進而凝練出有關競賽題目，獲得有競爭力的獎項。具有較強實踐動手能力的學生可加入科研項目，從事項目開發(fā)，在進一步學習的基礎上進行嵌入式系統設計與實現，獲得項目開發(fā)經歷，提升綜合能力與素養(yǎng)。多種形式的實踐活動有力提升了學生解決嵌入式系統工程實際問題能力。如學校定期組織開展校級科技立項，很多學生參加科技競賽，將嵌入式系統知識與技能拓展至更寬泛的應用領域。學校的物聯網與嵌入式系統研發(fā)中心每年吸納一部分學生加入科研實驗工作，參加嵌入式系統有關科研項目中，為提升學生的創(chuàng)新實踐能力創(chuàng)造機會，如表2 所示。

表2 實驗環(huán)節(jié)內容規(guī)劃

5 基于MOOC 的混合式教學

5.1 整體結構

基于MOOC 的混合式教學改革［3-7］在一些課程教學中發(fā)揮了積極作用，對于提高學生自主學習、分析與解決問題的思辨與創(chuàng)新能力帶來重要契機。本課程以線上線下混合式教學模式為改革方向，以翻轉課堂為課堂教學改革核心，嘗試解決當前我國高校專業(yè)核心課程如何創(chuàng)新性開展大班混合式教學問題。在前期研究［8-11］基礎上，線上線下混合教學模式改革按照“在線開放課程教學+啟發(fā)式教學+互動課堂教學+翻轉課堂教學”開展，建設內容如圖2 所示。

圖2 展示的線上線下混合式教學模式，旨在發(fā)揮基于MOOC 的線上線下相結合的教學優(yōu)勢，有效提升嵌入式系統課程教學質量和學習成效。在MOOC 平臺開展線上教學前提下，實施有針對性的翻轉課堂教學。

5.2 參與式研討型互動課堂教學改革

課堂教學仍以教師講授為主。由于學生已通過MOOC完成了預習性學習，因此課堂上可對教學內容進行重構。

嵌入式系統課堂教學改革如圖3 所示。翻轉課堂教學穿插在整個教學過程中，整體上是部分翻轉（部分學時進行翻轉）。翻轉課堂主要通過“雨課堂”形式（A 形式）和生生間與師生間互動研討形式（B 形式）進行。在絕大部分課堂教學中采用“雨課堂”形式開展測驗，學生采用手機提交答案，教師據此進行有針對性的講解，這是一種全員參與但師生互動性較低的翻轉課堂教學。在課程教學中后期，學生已經初步具有嵌入式系統知識與實踐基礎，教師組織若干次翻轉課堂教學。這種方式中，學生以分組形式登上講臺進行學習成果匯報，教師組織臺上組間、臺上臺下組間的研討，教師也參與其中，這是一種部分學生參與但師生互動性較高的翻轉課堂教學。

圖2 混合式教學模式（參與式研討型互動教學改革內容構成）

圖3 嵌入式系統課程課堂教學改革

可以看出，嵌入式系統課程課堂教學改革以傳統教師啟發(fā)式講授為主，以信息技術運用為輔，以參與式教學為要點，以思辨創(chuàng)新能力提升為內涵。

自2017 年至今，基于筆者自建的《嵌入式系統設計與實踐》MOOC 已經開展了3 個周期的混合式教學改革。課前組織學生登錄MOOC 平臺進行自主學習，課上在開展常規(guī)教學的同時應用“雨課堂”開展參與式教學，并拿出部分學時開展翻轉課堂研討型教學，形成線上線下混合式教學模式。

從實踐成效來看，學生的學習思路得到了開拓，學習視野得到了提高，學習方式得到了轉變，直接帶動自主性學習能力、探索與鉆研能力提升，提高了實踐動手能力與解決問題的創(chuàng)新能力。目前，從3 個維度進行全面改革的實踐不多，嵌入式系統貫通式教學模式改革具有一定的啟發(fā)性、創(chuàng)新性，可為同類課程改革提供參考與借鑒。

6 結語

重構課程教學體系與內容，創(chuàng)新實現嵌入式系統教學與計算機專業(yè)核心課程的有效融通，提高專用計算機系統的深入認知；貫通課程教學與實踐教學之間的屏障，做到理論與實踐相互支撐，實現課堂教學對實踐的指導，實踐對理論知識的鞏固強化，提高解決復雜計算機系統工程問題能力；構建基于MOOC 的線上線下相結合的混合式教學模式，以智慧教學輔助工具有效驅動翻轉課堂教學，提高學生認知、分析與創(chuàng)新思辨能力。本文通過課堂教學內容與方法的重構與改革，形成歷史到現實、理論到實踐、線上到線下3 個維度的貫通，特別是結合線上與線下優(yōu)質資源與方法，提高學生對嵌入式系統理論知識的認識與掌握，通過實驗與課程設計等環(huán)節(jié)有針對性地改革，提高學生設計與開發(fā)完整的嵌入式應用系統能力，為最終培養(yǎng)具有系統思維與解決復雜工程問題的卓越工程人才奠定堅實基礎。