新工科背景下嵌入式系統(tǒng)課程混合式教學(xué)模式的研究*

董坤 劉旭 孫長偉

（蚌埠學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 安徽蚌埠 233000）

隨著《教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》的發(fā)布，各高校對新工科的內(nèi)涵與建設(shè)路徑進(jìn)行探索，深入實(shí)施新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目[1]。根據(jù)新工科建設(shè)要求，需要學(xué)生具有良好的科學(xué)與工程素養(yǎng)、較強(qiáng)的應(yīng)用能力和一定的創(chuàng)新意識，能夠適應(yīng)現(xiàn)代電子信息技術(shù)發(fā)展，成為擁有較強(qiáng)的創(chuàng)新意識、創(chuàng)業(yè)精神和社會責(zé)任感的高素質(zhì)應(yīng)用型專門人才。但傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)課程已滿足不了新時代的發(fā)展需求。為了適應(yīng)新工科背景下對嵌入式系統(tǒng)人才培養(yǎng)的需求，針對其教學(xué)中存在的問題，在教學(xué)中采用混合式教學(xué)模式，以項(xiàng)目化的教學(xué)內(nèi)容為主體，重新對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行綜合改革，并改進(jìn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)，切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力[2]。在新工科背景下要樹立工程教育新理念[3]，以學(xué)生為中心[4]，關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)成效，以工程實(shí)踐能力培養(yǎng)為目標(biāo)，持續(xù)提升工程人才培養(yǎng)水平，對課程教學(xué)模式進(jìn)行革新，使其滿足行業(yè)的技術(shù)發(fā)展需求[5]。嵌入式系統(tǒng)課程作為電子類專業(yè)必修的專業(yè)課程，可以幫助學(xué)生提升綜合素質(zhì)和工程實(shí)踐的能力。

一、本課程教學(xué)現(xiàn)狀

嵌入式系統(tǒng)課程是一門知識面較廣、實(shí)踐性較強(qiáng)、多學(xué)科交叉的課程，同時該課程知識更新速度和所用硬件的模塊更新速度較快，教學(xué)中實(shí)驗(yàn)學(xué)時相對理論偏少，學(xué)生動手能力較差。傳統(tǒng)理論教學(xué)過程主要是教師線下講授，學(xué)生學(xué)習(xí)熱情隨著知識點(diǎn)難度的不斷加大而逐步減少，學(xué)生聽課效率不高；實(shí)驗(yàn)課環(huán)節(jié)多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)很少，沒有以學(xué)生學(xué)為主體，學(xué)生處于被動學(xué)習(xí)的狀態(tài)，并且一定程度上沒有激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神，學(xué)生工程實(shí)踐能力和綜合應(yīng)用能力較差。因此，傳統(tǒng)嵌入式課程教學(xué)主要體現(xiàn)在課程內(nèi)容陳舊，理論基礎(chǔ)薄弱；教學(xué)模式單一，學(xué)生學(xué)習(xí)主動性較差。而且傳統(tǒng)嵌入式課程考核方式單一，普遍為平時成績加上期末考試成績的方式[6]。考核占有較大比例的期末考試分?jǐn)?shù)主要采用紙質(zhì)試卷考核，實(shí)踐環(huán)節(jié)的考核相對較弱甚至沒有體現(xiàn)。所以傳統(tǒng)嵌入式課程教學(xué)不利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新和解決復(fù)雜實(shí)際工程問題的能力。在新工科背景下，利用網(wǎng)上教學(xué)平臺，進(jìn)行線上線下混合式教學(xué)模式，使學(xué)生參與到課程中來，可以解決當(dāng)前本課程教學(xué)現(xiàn)狀，使學(xué)生自主能力和學(xué)習(xí)效率不斷提高。

二、課程建設(shè)方案及實(shí)施過程

傳統(tǒng)課堂教學(xué)過程中，教師通過引導(dǎo)、提問以及最后小結(jié)等方式進(jìn)行互動性、有針對性地進(jìn)行知識點(diǎn)教學(xué)，一定程度上調(diào)動了學(xué)生參與的積極性，通過線下的反饋機(jī)制使得教師能夠了解學(xué)生的學(xué)習(xí)程度并可以及時調(diào)整教學(xué)的節(jié)奏，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)的良性循環(huán)，但主要以教師“教”為主，并且傳統(tǒng)課堂有著教學(xué)模式單一、過程性考核環(huán)節(jié)較少、教學(xué)知識點(diǎn)在多個班級或?qū)嶒?yàn)小組重復(fù)等缺點(diǎn)。因課時有限，教師在教授理論知識的同時沒有引入課程思政教學(xué)方式[7]，課題教學(xué)缺乏對學(xué)生進(jìn)行思想政治教育和社會責(zé)任教育等方面的內(nèi)容和能力的培養(yǎng)。

基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的各種信息化教學(xué)App，如MOOC、雨課堂、超星學(xué)習(xí)通等新的教學(xué)模式[8]，逐步形成了線上與線下，課前、課中與課后相融合的混合式教學(xué)模式。該模式一定程度上突破了傳統(tǒng)線下課程的時間和空間的限制，進(jìn)一步提高了課程教學(xué)的效率[9]。新冠肺炎疫情以來，該模式更是為實(shí)施課程教學(xué)提供了前所未有的新途徑。本課程中線上線下混合式教學(xué)通過學(xué)習(xí)通平臺，將線上的教學(xué)資源，如簽到、視頻課程、作業(yè)、章節(jié)測驗(yàn)、搶答、討論等環(huán)節(jié)引入到線上課程中來。線上的教學(xué)資源使得課程中過程性考核環(huán)節(jié)多樣化，引起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。線上線下混合式教學(xué)過程主要分為課前知識架構(gòu)、課中教學(xué)環(huán)節(jié)、課后反饋機(jī)制三個階段，每個階段中教師和學(xué)生完成不同的任務(wù)點(diǎn)，不斷地完善此課程的教學(xué)效果。線上線下混合式教學(xué)流程如圖1 所示。

圖1 線上線下混合式教學(xué)流程

（一）課前知識架構(gòu)

教師通過錄制課程相關(guān)知識點(diǎn)、慕課等微課資源、項(xiàng)目案例、PPT 課件、與教材相關(guān)的電子書等課程資源上傳在學(xué)習(xí)通上，并給學(xué)生布置一定的預(yù)習(xí)作業(yè)，督促學(xué)生進(jìn)行課前預(yù)習(xí)。學(xué)生通過老師上傳的學(xué)習(xí)資源在學(xué)習(xí)通上進(jìn)行預(yù)習(xí)，通過對預(yù)習(xí)作業(yè)中的疑惑進(jìn)行思考，帶著問題進(jìn)入課程。通過課前知識架構(gòu)可以使學(xué)生從宿舍中解放出來，走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、大學(xué)生活動中心等，減少學(xué)生看網(wǎng)劇、打游戲等課余時間，使學(xué)生學(xué)習(xí)主動性以及積極性不斷提高。通過碎片化的學(xué)習(xí)，使學(xué)生充分利用學(xué)習(xí)時間，一定程度上鞏固所預(yù)習(xí)的知識點(diǎn)。學(xué)生有沒有預(yù)習(xí)一定程度上體現(xiàn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力以及學(xué)習(xí)自覺性和誠實(shí)守信等優(yōu)良品質(zhì)，教師應(yīng)當(dāng)對沒有預(yù)習(xí)的學(xué)生進(jìn)行積極引導(dǎo)，獎懲有度，使學(xué)生處于良好的學(xué)習(xí)氛圍中。

（二）課中教學(xué)環(huán)節(jié)

第一堂課或第二堂課課前進(jìn)行學(xué)習(xí)通簽到，通過發(fā)布搶答、討論、問卷、投票等方式增加學(xué)生上課積極性與參與感，教師通過不同的過程性環(huán)節(jié)進(jìn)行混合式教學(xué)，進(jìn)行知識點(diǎn)的組織、答疑及總結(jié)，不斷改進(jìn)教學(xué)方式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果。線下上課時教師還可以根據(jù)學(xué)生預(yù)習(xí)效果、學(xué)習(xí)狀態(tài)進(jìn)行課程教學(xué)的調(diào)整，對帶有疑問的學(xué)生進(jìn)行解答。學(xué)生可以及時解決自己預(yù)習(xí)時所留的疑問，并通過教師的點(diǎn)撥加深對知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)，拓寬自己的思路。教師通過學(xué)習(xí)通討論、留言等，可以與學(xué)生“一對一”進(jìn)行互動交流，及時解決學(xué)生疑問，也可以進(jìn)行問題的探討。線上互動對教師來說是一種“以學(xué)生為中心”的體現(xiàn)，是對學(xué)生的一種在乎表現(xiàn)，表現(xiàn)出關(guān)心愛護(hù)學(xué)生；對學(xué)生來說得到老師的回復(fù)，是一種肯定，保證學(xué)生求知欲以及被關(guān)心的滿足，增加學(xué)生學(xué)習(xí)動力。線上教學(xué)模式中互動、答疑等工作量很大，可能不能給教師一定的課時量，但體現(xiàn)了教師的愛崗敬業(yè)無私奉獻(xiàn)的精神。線下課程中也可以預(yù)留一段時間，供學(xué)生展示學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識做的一些小項(xiàng)目，提高學(xué)生表達(dá)能力和自信。

（三）課后反饋機(jī)制

教師通過作業(yè)布置、章節(jié)檢測及期中測試，并對布置內(nèi)容進(jìn)行批改與解答，對不認(rèn)真的學(xué)生讓其重做。通過學(xué)生投票及私聊等評價(jià)方式觀察哪種教學(xué)方式較好，并根據(jù)學(xué)生作業(yè)、檢測等學(xué)生學(xué)習(xí)效果來不斷改進(jìn)教學(xué)。學(xué)生通過線上資源可以再次鞏固所學(xué)知識，不斷完善其學(xué)習(xí)內(nèi)容。教師通過布置一定的實(shí)踐類大作業(yè)讓學(xué)生課余時間完成，可以讓學(xué)生自由組隊(duì)，給學(xué)生兩三個星期做一個小的嵌入式實(shí)踐項(xiàng)目，讓學(xué)生通過實(shí)踐將理論知識轉(zhuǎn)化為實(shí)踐能力，并且優(yōu)秀的作品可以讓學(xué)生申報(bào)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、撰寫論文以及申報(bào)專利等，切實(shí)提高學(xué)生的綜合能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

三、改進(jìn)教學(xué)方法

（一）理論教學(xué)模式改革

根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)目標(biāo)，采用項(xiàng)目教學(xué)法進(jìn)行課程的講解，每一個項(xiàng)目知識點(diǎn)具有一定的聯(lián)系，由簡單到復(fù)雜、由單一到綜合，前一個項(xiàng)目知識點(diǎn)作為后一個項(xiàng)目知識點(diǎn)的支撐，后一個項(xiàng)目知識點(diǎn)可以鞏固前一個項(xiàng)目知識點(diǎn)的相關(guān)內(nèi)容，每一個項(xiàng)目具有理論知識、項(xiàng)目硬件電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、安裝及調(diào)試等內(nèi)容。教師通過對身邊及現(xiàn)階段流行的電子產(chǎn)品進(jìn)行項(xiàng)目的引入，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣及學(xué)習(xí)動力。

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革

在完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行拓展實(shí)驗(yàn)，使用循序漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)法拓展學(xué)生思維[10]，加深學(xué)生對理論知識的理解和應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)知和工程實(shí)踐能力。實(shí)驗(yàn)拓展訓(xùn)練中采用兩三個學(xué)生一組的形式，去做一個項(xiàng)目擴(kuò)展，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。同時實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目、“互聯(lián)網(wǎng)+”大賽、安徽省電子設(shè)計(jì)大賽、安徽省單片機(jī)比賽等相關(guān)題目進(jìn)行講解，采用“以賽促教，以賽促學(xué)”的教學(xué)方式。最后學(xué)生根據(jù)興趣進(jìn)行自由組隊(duì)，分工合作，去查找相關(guān)資料，課程結(jié)束前完成一個完整的嵌入式系統(tǒng)項(xiàng)目，作為一個課程大作業(yè)，以此反映學(xué)生學(xué)習(xí)效果，有效培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為驗(yàn)證性、拓展性，拓展實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)基礎(chǔ)性、綜合性、設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性4 個循序漸進(jìn)的層次。拓展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如表1 所示。

表1 拓展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

四、多元考核方式

在新工科背景下，采用OBE 教學(xué)理念，對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果應(yīng)采用多元的考核方式，突出過程性考核，客觀有效地反映學(xué)生學(xué)習(xí)成果。學(xué)生學(xué)習(xí)成果主要體現(xiàn)在對知識的理解運(yùn)用能力、分析和解決問題的能力、表達(dá)溝通的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力以及創(chuàng)新能力等方面。考核方式采用平時成績、實(shí)驗(yàn)成績，平時成績主要包括簽到、課程討論及作業(yè)、測驗(yàn)等完成情況；實(shí)驗(yàn)成績包括驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)成績和拓展性實(shí)驗(yàn)成績，包括實(shí)驗(yàn)報(bào)告書寫、拓展性實(shí)驗(yàn)PPT 答辯等。考核方式弱化理論性考試以及對實(shí)驗(yàn)報(bào)告書寫形式，強(qiáng)化實(shí)踐環(huán)節(jié)，其中實(shí)驗(yàn)報(bào)告書寫方面減少機(jī)械式的抄寫內(nèi)容，只需寫清軟硬件設(shè)計(jì)原理及設(shè)計(jì)流程即可，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)調(diào)試、設(shè)計(jì)及分析過程。

五、預(yù)期效果

適應(yīng)新工科背景下嵌入式系統(tǒng)人才培養(yǎng)的需求，對嵌入式課程教學(xué)進(jìn)行綜合改革。打造線上資源與線下課堂混合式的優(yōu)質(zhì)課程，使嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)內(nèi)容與時俱進(jìn)，更加豐富精彩，滿足學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。通過教學(xué)改革，使教師和學(xué)生的教與學(xué)相互促進(jìn)，培養(yǎng)適應(yīng)新經(jīng)濟(jì)、新產(chǎn)業(yè)發(fā)展的卓越工程師，全面提高畢業(yè)生的技能水平和就業(yè)競爭力。

結(jié)語

該課程主要針對本校大三電子類專業(yè)學(xué)生，在授課過程中采用線上線下混合式教學(xué)模式，并且基于OBE 理念進(jìn)行課程改革，突出“學(xué)生為中心”，將教師“教”轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生“學(xué)”，使學(xué)生主動參與到課程中來，不斷地提高學(xué)生積極性和主動性，將所學(xué)的理論知識應(yīng)用到實(shí)踐中去。同時將工程案例、電子類比賽等引入教學(xué)環(huán)節(jié)，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生對理論知識的學(xué)習(xí)以及提高學(xué)生的實(shí)踐技能。通過建立科學(xué)的考核評價(jià)體系，利用學(xué)生的過程性學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，科學(xué)、客觀地反映學(xué)生的綜合工程應(yīng)用及實(shí)踐能力。最后引導(dǎo)學(xué)生參與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目、各類學(xué)科競賽等活動，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)課程的興趣，有助于學(xué)生將各類研究成果轉(zhuǎn)化為專利技術(shù)和學(xué)術(shù)論文，切實(shí)提高學(xué)生的科研能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力，使學(xué)生積累一定的工程實(shí)踐能力，讓學(xué)生就業(yè)及考研期間更有自信。新工科背景下嵌入式系統(tǒng)課程混合式教學(xué)模式構(gòu)建是一個長期的過程，只有通過不斷探索才能逐步完善新工科人才培養(yǎng)要求，使學(xué)生適應(yīng)當(dāng)今電子行業(yè)的發(fā)展，為嵌入式行業(yè)培育更優(yōu)秀的人才。