基于翻轉(zhuǎn)課堂的嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用教學(xué)改革和課程思政教學(xué)研究

孫冬梅，丁中港，王曉榮，母虎群，孫卓

（南京工業(yè)大學(xué)，電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京）

隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)、物聯(lián)網(wǎng)、產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)應(yīng)用到全球各地,傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)開始不斷自發(fā)探尋各種技術(shù)創(chuàng)新的方法以適應(yīng)企業(yè)變革的需求，在這一過程中嵌入式系統(tǒng)逐漸成為其創(chuàng)新的重要載體和工具，其自身的作用也越發(fā)重要。

“嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用”是國家級一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)、南京工業(yè)大學(xué)國家一流專業(yè)即自動化專業(yè)的一個重要的基礎(chǔ)學(xué)科與核心課程，有較強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性。AIoT時代的嵌入式系統(tǒng)人才需要具備較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力來應(yīng)對技術(shù)的不斷革新。這也表明在當(dāng)前的新工科背景下，需要對嵌入式系統(tǒng)課程教育提出更高的要求[1]。

在以往的教學(xué)方式中，主要講授課程相關(guān)專業(yè)知識，而不涉及課程外的非專業(yè)知識點(diǎn)。本文嘗試發(fā)掘?qū)I(yè)課程中潛在的思政元素，并將專業(yè)知識的傳授與之緊密融合，在傳授知識的同時，也能培養(yǎng)學(xué)生的思政素養(yǎng)。

本文設(shè)計基于五個“一”教學(xué)過程的翻轉(zhuǎn)課堂來實(shí)現(xiàn)本課程的教學(xué)目標(biāo)。同時采用嵌入式的原則在線上線下一體化的設(shè)計中實(shí)行思政元素的融入與建設(shè)。結(jié)合相關(guān)課程研發(fā)并設(shè)計出一套全新的，富有操作性、針對性、前瞻性的基于翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式“嵌入式一體化”方案[2]。

一 課程教學(xué)目標(biāo)改革

本課程的教學(xué)目標(biāo)包含三大部分：知識、能力以及素養(yǎng)[3]。

首先，知識目標(biāo)是理解嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的概念，掌握工作原理和相關(guān)技術(shù)；熟悉嵌入式系統(tǒng)的需求分析、設(shè)計開發(fā)、集成調(diào)試和測試維護(hù)過程。

其次，能力目標(biāo)是通過線上學(xué)習(xí)過程，對學(xué)生的主動探究、自主學(xué)習(xí)的能力進(jìn)行系統(tǒng)鍛煉；提高學(xué)生的溝通交流、團(tuán)隊合作以及解決嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用問題的能力。

最后，素養(yǎng)目標(biāo)包括引領(lǐng)學(xué)生樹立社會主義核心價值觀；引導(dǎo)學(xué)生持有嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、守信創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度；塑造學(xué)生的敬業(yè)品質(zhì)和職業(yè)素養(yǎng)。

本課程的知識點(diǎn)如圖1所示：

圖1 嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用的知識點(diǎn)

二 課程的教學(xué)方式改革

根據(jù)嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用課程的教學(xué)目標(biāo)和知識點(diǎn)分布，設(shè)計了基于五個“一”原則的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方式。

（一） 翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)流程

翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式是指：學(xué)生在上課之前已經(jīng)學(xué)習(xí)了相關(guān)線上教學(xué)課程內(nèi)容并完成指定在線測試題，通過在線學(xué)習(xí)的反饋，教師對課堂教學(xué)的內(nèi)容進(jìn)行重新設(shè)計，在學(xué)生與老師之間的互動過程中，彼時的課堂將變得更加靈活而多趣。

針對嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，堅持在翻轉(zhuǎn)課堂中采用五個“一”的原則進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，包括：一個有效的課前準(zhǔn)備、一個有挑戰(zhàn)的問題與學(xué)生互動、一個有難度的作業(yè)、一個有設(shè)計的答疑指導(dǎo)以及一個有區(qū)分度的考試評估。通過精心設(shè)計的教學(xué)方法,實(shí)現(xiàn)了線上與線下課堂的聯(lián)合教學(xué)設(shè)計,即以練代教、項目研究、邊聽邊練、個案點(diǎn)評、研討答辯、生聽生評、生講師評[4]。

下面以定時計數(shù)器知識點(diǎn)的教學(xué)過程來闡述基于五個“一”的翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)設(shè)計。

（二） 基于五個“一”原則的翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)設(shè)計

1.一套有效的課前準(zhǔn)備。為適應(yīng)混合式教學(xué)中的翻轉(zhuǎn)課堂，有效的課前準(zhǔn)備包括學(xué)情分析、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)材料、教學(xué)方法、考核評價等。

在定時計數(shù)器的學(xué)習(xí)前，教師應(yīng)對學(xué)生在前部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)情況有所掌握，了解學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，預(yù)測本章節(jié)中學(xué)生可能遇到的難點(diǎn)。

在課前根據(jù)教學(xué)內(nèi)容準(zhǔn)備定時計數(shù)器教案、課件，制作視頻，網(wǎng)上自測題，并布置學(xué)生進(jìn)行相應(yīng)的基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)。準(zhǔn)備課堂教學(xué)所需要的實(shí)驗開發(fā)板，PBL教學(xué)所需要的教學(xué)例程。

2.一次有挑戰(zhàn)的提問和互動。通過PBL的形式，以問題為導(dǎo)向，提前在網(wǎng)上布置循序漸進(jìn)案例：

①采用普通延時實(shí)現(xiàn)定時。

②檢測GPIO輸入引腳進(jìn)行計數(shù)。

③采用定時計數(shù)器對外部信號進(jìn)行計數(shù)。

④采用定時計數(shù)器對內(nèi)部的時鐘信號進(jìn)行計數(shù)。⑤計數(shù)器配置完成后打開中斷，在中斷回調(diào)函數(shù)中完成特定功能。

自學(xué)結(jié)束后完成相應(yīng)的課后思考題：①正交輸入的信號可進(jìn)行辨向，從而進(jìn)行自動加減計數(shù)；②利用輸出比較功能，輸出PWM信號。學(xué)生自行查閱資料，圍繞以上問題進(jìn)行小組討論，實(shí)現(xiàn)上述功能。

3.一份有難度的作業(yè)。課后思考題：為什么說定時計數(shù)器的原理是“計數(shù) 器”？鼓勵學(xué)生跳出教材，或結(jié)合數(shù)字信號進(jìn)行研究等，全面探討定時計數(shù)器的配置、中斷、啟動、查詢、關(guān)閉等用法。

4.一場有設(shè)計的答疑輔導(dǎo)。在課堂教學(xué)的混合式學(xué)習(xí)中，學(xué)生已經(jīng)進(jìn)行了視頻學(xué)習(xí)，帶著基礎(chǔ)知識進(jìn)課堂，教師首先要帶領(lǐng)學(xué)生鞏固基礎(chǔ)知識，其次應(yīng)該圍繞課程中的重點(diǎn)難點(diǎn)在課堂上進(jìn)行主要講解，并以案例形式促進(jìn)學(xué)生對知識的理解，提高學(xué)生歸納與分析的能力。針對課后思考題，利用答疑輔導(dǎo)時間，引導(dǎo)學(xué)生以小組專題形式學(xué)習(xí)并分享對于正交信號的采集和輸出PWM信號的應(yīng)用，關(guān)注高級定時計數(shù)器特殊應(yīng)用場合。

5.一張有區(qū)分度的考核評價。從知識的掌握、學(xué)習(xí)方法的應(yīng)用，學(xué)習(xí)投入程度，學(xué)習(xí)能力等方面進(jìn)行多元化、多層次的考核評價。最后考核評價的比例分配如圖2所示。

圖2 考核評價的比例分配圖

（三） 課程思政建設(shè)的設(shè)計

教學(xué)目標(biāo)的重構(gòu)，在設(shè)計理念上要體現(xiàn)課程廣度、深度和溫度；融合專業(yè)知識性與人文性；富有學(xué)科特色和優(yōu)勢；注重學(xué)思結(jié)合、知行統(tǒng)一，強(qiáng)化價值引領(lǐng)、知識傳授與能力培養(yǎng)“三位一體”的教學(xué)理念[5]。

因此將思政目標(biāo)更改如下：以學(xué)生為中心，將思想政治教育貫穿實(shí)習(xí)教學(xué)的全過程，通過國產(chǎn)電子產(chǎn)品開發(fā)案例的引入，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，激發(fā)學(xué)生對科學(xué)的探索精神，增強(qiáng)愛國情懷和強(qiáng)國意識。推動信息技術(shù)與實(shí)踐教學(xué)的融合，強(qiáng)化對學(xué)生知識、能力、素質(zhì)的全面培養(yǎng)。

（四） 增加思政內(nèi)容的建設(shè)

為適應(yīng)新工科創(chuàng)新型人才培養(yǎng)要求，嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用課程經(jīng)過近幾年的探索，對實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式進(jìn)行了深入改革。在實(shí)現(xiàn)專業(yè)知識教育的同時，潛移默化地將思想政治教育滲透到課程的各個環(huán)節(jié)，在課程教學(xué)中深入挖掘思政教育資源，并在原有教學(xué)基礎(chǔ)上進(jìn)一步梳理，修訂實(shí)習(xí)大綱，撰寫思政教育導(dǎo)向明確的教案，促進(jìn)學(xué)生知識、能力、思想素質(zhì)的同步提升。課程內(nèi)容與思政要素關(guān)系如表1所示。

表1 嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用課程內(nèi)容與思政要素關(guān)系

三 創(chuàng)新課程思政建設(shè)模式和方法途徑

以專業(yè)人才培養(yǎng)和學(xué)科發(fā)展為依托，以提升實(shí)習(xí)效果為目標(biāo)，課程團(tuán)隊積極改進(jìn)教學(xué)方法，探索創(chuàng)新課程思政建設(shè)的模式，將素質(zhì)培養(yǎng)貫穿實(shí)踐教學(xué)全過程，突出學(xué)生主體地位，使學(xué)生具有一定的可持續(xù)發(fā)展性。

1.團(tuán)隊教師思政能力建設(shè)：①組織骨干教師參與課程思政培訓(xùn)，幫助團(tuán)隊創(chuàng)建實(shí)踐教學(xué)新理念和新模式，從實(shí)踐中汲取優(yōu)秀經(jīng)驗。②建立課程思政集體備課和研討制度，定期交流，群策群力，挖掘課程所蘊(yùn)含的“思政元素”，有助于教學(xué)團(tuán)隊專業(yè)水平的提高。

2.示范教學(xué)法：在嵌入式系統(tǒng)全流程設(shè)計中，通過硬件操作直觀演示和軟件代碼的編寫流程操作演示，起到良好的示范作用，使學(xué)生獲得感性認(rèn)識，能盡快動手操作。

3.自主學(xué)習(xí)法：學(xué)生通過超星在線資源自主學(xué)習(xí)相關(guān)課程，利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行產(chǎn)品資料調(diào)研，提升自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的能力。

4.項目驅(qū)動、以賽促教：①將經(jīng)典案例、工程項目引入課程，引導(dǎo)學(xué)生提升解決復(fù)雜工程問題的能力；②鼓勵參加各類學(xué)科競賽，有助于學(xué)生知識面的拓寬以及學(xué)習(xí)潛能和創(chuàng)新思維的激發(fā)。

5.開展混合式實(shí)踐教學(xué)，將思政建設(shè)目標(biāo)融入課程教學(xué)全過程。嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用課程運(yùn)用超星網(wǎng)絡(luò)平臺，開展線上線下混合式實(shí)踐教學(xué)，包括課堂講授、在線自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐操作三部分。在授課時從育人維度拓展課程價值；在學(xué)習(xí)中融入思政要素，使教學(xué)與育人的同步；培養(yǎng)學(xué)生求真務(wù)實(shí)的品質(zhì)，鼓勵學(xué)生勇于開拓創(chuàng)新，使課堂更具有活力趣味以及感染力。

四 課程考核評價的方法機(jī)制改革

科學(xué)合理的考評機(jī)制對于課程思政教學(xué)改革尤為重要。本課程對學(xué)生的考核評價機(jī)制包括三個維度，一是對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計環(huán)節(jié)的考評；二是對綜合運(yùn)用專業(yè)知識進(jìn)行產(chǎn)品調(diào)試與目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的考評；三是對學(xué)生思想政治素質(zhì)的考評。

本課程以三個課程目標(biāo)為依據(jù)，合理設(shè)置考核評價機(jī)制三個維度的評定標(biāo)準(zhǔn)和比例。結(jié)合學(xué)生的出勤率、言行舉止、精神面貌、團(tuán)隊協(xié)作、創(chuàng)新應(yīng)用等表現(xiàn)，檢驗課程思政的教學(xué)效果，合理評價學(xué)生對知識的掌握和對思政目標(biāo)的達(dá)成情況[6]。

五 課程評價及改革成效情況

依據(jù)本專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，對標(biāo)課程思政建設(shè)目標(biāo)，修訂教學(xué)大綱，撰寫思政教育導(dǎo)向明確的教案、錄制教學(xué)視頻等，完善超星教學(xué)資源建設(shè)，充分展示了課程思政建設(shè)成果。

基于PBL，提高課程目標(biāo)在畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的重要程度，科學(xué)設(shè)計課程目標(biāo)，重視過程性評價和發(fā)展性評價，完善課程考核評估方式。評價內(nèi)容和形式多元化，全面考核學(xué)生的知識、能力和綜合素質(zhì)。針對評價結(jié)果，形成完整的支持教學(xué)質(zhì)量提升的持續(xù)改進(jìn)閉環(huán)系統(tǒng)。

六 結(jié)語

課程思政融入點(diǎn)有效激發(fā)了學(xué)生的愛國熱情和社會責(zé)任感，學(xué)生在探尋知識的過程中，提升了專業(yè)素養(yǎng)，樹立了開拓精神和引領(lǐng)意識。這些改進(jìn)的教學(xué)過程不僅讓老師體會到教學(xué)成效，更體會到未來可期！

在未來工作中，我們還要繼續(xù)將思政要素與實(shí)習(xí)教學(xué)大綱深度融合，在實(shí)踐中完善專業(yè)思政的拓展重點(diǎn)、融入載體、教學(xué)方法等，探索思政育人目標(biāo)達(dá)成評價方法。