王曉斐

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院無錫分院，江蘇 無錫 214028)

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，以嵌入式技術(shù)為核心的智能設(shè)備正日益普及，嵌入式技術(shù)已成為物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)研發(fā)人員（輔助研發(fā)人員）必須掌握的關(guān)鍵技術(shù)，很多高職院校都開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用的相關(guān)專業(yè)。對于物聯(lián)網(wǎng)大類的學(xué)生，“嵌入式技術(shù)”是一門核心專業(yè)課。其課程特點有：①多學(xué)科交叉，且軟硬件技術(shù)相結(jié)合,專業(yè)性、綜合性強；②學(xué)習(xí)門檻高，要求學(xué)生具有一定的專業(yè)基礎(chǔ)及自主學(xué)習(xí)能力；③缺少通用的實驗平臺及配套教材。在實際教學(xué)中往往發(fā)現(xiàn)學(xué)生存在理論知識理解困難、綜合設(shè)計能力差等問題。如何設(shè)計以職業(yè)能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的課程體系成為該課程教學(xué)的重要挑戰(zhàn)。

職業(yè)教育的重要特征是面向職業(yè)崗位，教材應(yīng)緊跟行業(yè)企業(yè)的發(fā)展需求，而當(dāng)前職業(yè)院校教材存在與企業(yè)生產(chǎn)實際脫節(jié)、出版周期長，內(nèi)容不夠與時俱進(jìn)，表現(xiàn)形式不夠豐富等問題。要解決這些問題，職業(yè)院校應(yīng)加強校企合作，探索基于產(chǎn)教融合的人才培養(yǎng)模式。2019年初，國務(wù)院印發(fā)的《國家職業(yè)教育改革實施方案》中明確提到“建設(shè)一大批校企‘雙元’合作開發(fā)的國家規(guī)劃教材，倡導(dǎo)使用新型‘活頁式、工作手冊式’教材并配套開發(fā)信息化資源”[1]。

1 當(dāng)前教學(xué)現(xiàn)狀及活頁式、工作手冊式教材的內(nèi)涵

1.1 嵌入式技術(shù)教學(xué)、教材現(xiàn)狀

關(guān)于“嵌入式技術(shù)”課程的授課內(nèi)容，本科院校更偏重于嵌入式操作系統(tǒng)和上位機開發(fā)等幾方面的學(xué)習(xí)，而高職院校更側(cè)重于ARM 的硬件結(jié)構(gòu)和外圍接口電路的設(shè)計方法。

從輔助教學(xué)的實驗裝置和教材來看，一般采用以下幾種方法。

⑴用proteus 仿真或物聯(lián)網(wǎng)虛擬平臺代替實物開發(fā)。由于仿真和虛擬環(huán)境都與實際電路存在一定的差異，這種方法不利于培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力。

⑵購買現(xiàn)成的實驗箱。常見的實驗平臺驗證性實驗較多，設(shè)計性實驗少；單一性基礎(chǔ)實驗多，綜合性開發(fā)實驗少，不適合應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

⑶自主開發(fā)更具性價比的實驗平臺并開發(fā)配套教學(xué)資源。如重慶理工大學(xué)采用自己研發(fā)的教學(xué)輔助系統(tǒng)，以經(jīng)典的 ARM7LPC2148/38 MCU 為學(xué)習(xí)對象，開發(fā)了核心板和擴展板[2]。

我校“嵌入式技術(shù)”課程以2～4周的實訓(xùn)課形式進(jìn)行，以往使用LPC2214 芯片為核心的ARM7 實驗平臺，并采用周立功的《ARM 嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程》作為輔助教材。但是存在一系列的局限性，如教材不適配、只能部分參考，實驗平臺功能有限，引出的GPIO、外部中斷等端口數(shù)量少，導(dǎo)致實訓(xùn)項目拓展空間小，以及課程內(nèi)涵和知識點與“單片機技術(shù)”課程有部分重復(fù)等。

1.2 活頁式、工作手冊式教材的內(nèi)涵

調(diào)研顯示，近幾年各個專業(yè)大類都開展了新形態(tài)教材的開發(fā)探索，國家教材建設(shè)重點研究基地徐國慶主任和北京理工大學(xué)出版社分別總結(jié)了當(dāng)前新形態(tài)教材開發(fā)遇到的一些誤區(qū)和困境。一是對“活頁式、工作手冊式”教材的內(nèi)涵理解不夠，刻板地用一頁一頁可拆卸的書本或芯片的工作手冊作為教材[3]。二是大多教師缺乏企業(yè)工作經(jīng)歷，不知道如何對教材內(nèi)容進(jìn)行活頁式設(shè)計，也沒有針對新型教材做出相對應(yīng)的教學(xué)方法調(diào)整，導(dǎo)致效果達(dá)不到預(yù)期[1]。

徐國慶主任指出，教材的本質(zhì)不是其物理形態(tài)，而是課程的內(nèi)容和組織模式?！盎铐撌健笔侵附滩木哂锌伸`活組織的模式，實質(zhì)就是模塊化教材，在設(shè)計上以職業(yè)能力、工作項目為基本組織單位?！肮ぷ魇謨允浇滩摹笔侵附滩膬?nèi)容具有像企業(yè)操作指導(dǎo)手冊那樣的實踐指導(dǎo)性[3]。

目前較為常見的做法是在紙質(zhì)教材的基礎(chǔ)上，用植入二維碼的方式引入動畫、視頻、VR 等數(shù)字化資源，以彌補傳統(tǒng)教材表現(xiàn)手段單一、技術(shù)更新遲滯等不足。

2 嵌入式技術(shù)新形態(tài)教材開發(fā)

2.1 開發(fā)目標(biāo)

引入企業(yè)專家深度合作，以職業(yè)能力為導(dǎo)向調(diào)整授課內(nèi)容，以樹莓派為實訓(xùn)平臺，以Python 語言為編程工具重新設(shè)計實訓(xùn)項目，引入HedgeDoc 編輯器建設(shè)“活頁式、工作手冊式”新形態(tài)教材，最后通過云班課平臺在不同專業(yè)、不同班級開展課程實踐，并根據(jù)反饋不斷完善教材。

2.2 開發(fā)流程

調(diào)研本地物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景、崗位用人需求，成立由行業(yè)指導(dǎo)、學(xué)校、企業(yè)共同參與的專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會，并對“嵌入式技術(shù)”課程授課教師和物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)群的學(xué)生進(jìn)行訪談，明確課程教學(xué)現(xiàn)狀與需求，重構(gòu)符合企業(yè)崗位要求和五年制高職學(xué)生具體學(xué)情的課程標(biāo)準(zhǔn)、實施方案、教學(xué)模式、評價方式等。組建校企聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊，設(shè)計兼具先進(jìn)性與實用性的實訓(xùn)項目，最大限度地把物聯(lián)網(wǎng)感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的知識點糅合進(jìn)去，協(xié)同編輯在線教材、構(gòu)建課程網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺，并根據(jù)學(xué)生實踐的效果和反饋意見進(jìn)一步完善課程的定位、內(nèi)容架構(gòu)及教育教學(xué)理念方法。開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 新形態(tài)教材開發(fā)流程

2.3 嵌入式技術(shù)新形態(tài)教材開發(fā)工具

2.3.1 樹莓派

樹莓派（Raspberry Pi）是一款基于ARM的微型電腦主板，以SD卡為內(nèi)存硬盤，可連接wifi和藍(lán)牙，整個主板只有一張信用卡的大小，卻幾乎具備了PC的全部功能，只需通過USB 口連上鼠標(biāo)、鍵盤和顯示器，就是一臺個人電腦。

由于樹莓派處理器性能強大，又能方便地搭載各種傳感器和外部設(shè)備，使它被廣泛地應(yīng)用到了物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中。

2.3.2 Python語言

新開發(fā)的嵌入式課程采用Python 語言進(jìn)行程序開發(fā)，Python 對計算機編程語言基礎(chǔ)比較薄弱的學(xué)生非常友好，簡單易學(xué)，API 函數(shù)庫強大，還能夠?qū)崿F(xiàn)跨平臺編程設(shè)計[4]。

目前，國內(nèi)院校除了在計算機專業(yè)的程序設(shè)計課程中嘗試了Python 教學(xué)以外，也有很多院校嘗試將Python 編程引入大數(shù)據(jù)、人工智能、甚至投資學(xué)、化學(xué)等學(xué)科，都取得了可喜的教學(xué)效果。

2.3.3 HedgeDoc編輯器

HedgeDoc 編輯器是一個開源的、基于Web 的、自托管的、協(xié)作的Markdown 編輯器，引入HedgeDoc編輯器可開發(fā)適用于線上線下混合教學(xué)的在線教材。

實際使用過程中發(fā)現(xiàn)，用HedgeDoc 編輯器開發(fā)“活頁式”教材有很多優(yōu)勢。

⑴可以實現(xiàn)多人協(xié)同編輯，如圖2所示。例如針對某一個項目，可以先由企業(yè)專家根據(jù)工作實際需求編寫項目架構(gòu)，對項目的實現(xiàn)目標(biāo)、包含的模塊等首先進(jìn)行一個規(guī)劃，接著由物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的教師編輯其中樹莓派硬件及嵌入式開發(fā)的相關(guān)模塊、由電子信息專業(yè)的教師編輯PCB 板設(shè)計的模塊、由計算機專業(yè)的教師編輯服務(wù)器和前端網(wǎng)頁設(shè)計的模塊，最后再由企業(yè)專家進(jìn)行統(tǒng)籌調(diào)整和修改。這樣能夠充分地調(diào)動物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)群教師的力量，形成全員參與的開放型編寫機制，也能讓企業(yè)專家真正地參與進(jìn)課程的設(shè)計和教學(xué)過程，實現(xiàn)產(chǎn)教融合，培養(yǎng)具有工程實踐能力的應(yīng)用型人才。

圖2 HedgeDoc編輯器多人協(xié)同編輯

⑵可方便地插入圖片、超鏈接和程序并保留程序的格式和注釋，還能將暫時不想公布的作業(yè)答案折疊起來，如圖3所示。同時，可方便地將在線教材針對不同用戶設(shè)置為只讀、可讀寫、私人可見等，以此區(qū)分師生的不同權(quán)限。

圖3 插入流程圖并折疊參考答案

想象一個上課情境：首先學(xué)生根據(jù)課前發(fā)布的在線教材進(jìn)行預(yù)習(xí)，提前了解項目框架、目標(biāo)及基礎(chǔ)知識點。課堂上教師帶領(lǐng)學(xué)生分析項目架構(gòu)、拆分項目任務(wù)、通過超鏈接跳轉(zhuǎn)到樹莓派工作手冊中學(xué)習(xí)相應(yīng)的硬件連線方式、API函數(shù)和例程等。接著，教師布置一個工作任務(wù)，并引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計程序流程圖，完成后直接將任務(wù)要求和流程圖在線編輯進(jìn)教材，方便學(xué)生在實踐的時候隨時查閱。在學(xué)生做練習(xí)期間，教師可將參考答案編輯入在線教材，等學(xué)生做完后，再發(fā)布給學(xué)生并進(jìn)行作業(yè)講解。

這樣隨著課程的進(jìn)程和學(xué)生學(xué)習(xí)的節(jié)奏，不斷豐富、完善在線教材，極大地彌補了傳統(tǒng)教材一旦出版就無法修改的弱點，同時方便學(xué)生在課后進(jìn)行系統(tǒng)性地復(fù)習(xí)，針對不同基礎(chǔ)不同專業(yè)的學(xué)生，也可以根據(jù)實際情況生成不同難度、不同側(cè)重點的“定制”教材，更靈活更貼近學(xué)生需求。

⑶每一個典型的工作任務(wù)構(gòu)成了新型活頁式教材的一個基礎(chǔ)單元，就像是一塊“積木”。教學(xué)中可以隨時根據(jù)崗位需求設(shè)計新的項目，對教材進(jìn)行拆分和重構(gòu)。同時HedgeDoc 編輯器會在每個頁面頂端自動生成索引，方便學(xué)生理解學(xué)習(xí)路徑，也方便學(xué)生隨時檢索定位知識點或操作步驟，如圖4所示。

圖4 自動生成的索引

⑷只要登錄賬戶，師生可以在臺式機、平板電腦甚至手機上方便地編輯、閱讀教材。

2.4 開發(fā)成果

針對我校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)、電子信息工程專業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)群實驗班的學(xué)生，設(shè)計開發(fā)了由不同模塊組合的新形態(tài)教材。

針對普通班（圖5）的學(xué)生，課程主要目標(biāo)是培養(yǎng)嵌入式技術(shù)的一般應(yīng)用能力，初步具有智能電子產(chǎn)品輔助研發(fā)與創(chuàng)新能力。需要掌握的技能點有：學(xué)會查閱、解讀樹莓派外設(shè)相關(guān)的數(shù)據(jù)手冊，學(xué)會在Thonny開發(fā)環(huán)境下Python 程序的編寫與調(diào)試，學(xué)會通過手機藍(lán)牙控制樹莓派上連接的各種外設(shè)，學(xué)會使用樹莓派的圖形化工具等。根據(jù)能力清單設(shè)計項目如：樹莓派基礎(chǔ)、LED 控制、藍(lán)牙控制樹莓派、廣告牌顯示、乒乓球模擬游戲機、智能小車遠(yuǎn)程控制、帶調(diào)節(jié)面板的智能家居系統(tǒng)等。其中點陣顯示、智能家居系統(tǒng)項目對電子信息專業(yè)的學(xué)生不做要求。通過這些有趣的實訓(xùn)項目，充分調(diào)動學(xué)生的興趣和學(xué)習(xí)積極性。

圖5 普通班課程目錄示意圖

針對實驗班（圖6）的學(xué)生，除了基礎(chǔ)項目之外，將乒乓球模擬游戲機等較簡單的項目替換為難度更高、綜合性更強的項目，如校園氣象站、智能門禁系統(tǒng)等。包括傳感器的選型、終端設(shè)備的設(shè)計與裝調(diào)、服務(wù)器的搭建、前端顯示窗口的設(shè)計與優(yōu)化等完整流程，從而體驗物聯(lián)網(wǎng)全棧開發(fā)的技術(shù)過程。

圖6 實驗班課程目錄示意圖

教材將知識點分布在各個項目模塊中，每個模塊從基礎(chǔ)知識鏈接開始，將目標(biāo)分解成一個個小任務(wù)，輔以詳細(xì)的操作步驟，并通過流程圖、視頻等手段，幫助學(xué)生突破重/難點，逐步引導(dǎo)學(xué)生掌握相關(guān)技能，充分體現(xiàn)了“工作手冊式教材”的特點。

3 嵌入式技術(shù)新形態(tài)教材的實施

從18 級到21 級，從一個班試點到所有班加入，嵌入式技術(shù)新形態(tài)教材逐步在我校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)群不同專業(yè)、不同層次的學(xué)生中推廣，并通過教學(xué)效果和師生的反饋不斷修改、完善教材。通過云班課平臺創(chuàng)建班級，在課程資源中發(fā)布新形態(tài)教材的鏈接，將學(xué)生以2-4 人為單位分成若干個小組，提高學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作能力。

教師可以將做得最好的學(xué)生的成果整合進(jìn)在線教材，這樣既形成了良性競爭，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造性，又可以讓學(xué)生也參與到課程建設(shè)中來，提升他們的價值感與認(rèn)同感，真正體現(xiàn)了“以學(xué)生為中心、學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向”的思路。

企業(yè)專家引入工程實際中常用的SVN、GitHub-Desktop 等工具帶領(lǐng)師生實現(xiàn)程序的版本管理和多人協(xié)作。

每個綜合項目完成之后，通過匯報答辯的方式讓學(xué)生進(jìn)行知識點的梳理、總結(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的表達(dá)能力，全方位地提高學(xué)生的就業(yè)競爭力。

對企業(yè)專家、授課教師和學(xué)生的問卷調(diào)查與訪談結(jié)果顯示，與新型“活頁式、工作手冊式”教材使用前對比，學(xué)生在學(xué)習(xí)興趣、知識認(rèn)識、技能掌握、團(tuán)隊精神、教學(xué)效果等方面提升效果明顯。在與企業(yè)專家合作開發(fā)課程的過程中，專業(yè)教師拓寬了視野，增加了對企業(yè)實際需求的了解，獲得了長足的專業(yè)成長；企業(yè)專家也表示，通過校企“雙元”合作開發(fā)、培訓(xùn)學(xué)生的過程，企業(yè)相當(dāng)于進(jìn)行了“訂單式”培養(yǎng)，縮短了學(xué)生就業(yè)后的培訓(xùn)時間。

4 結(jié)束語

新型“活頁式、工作手冊式”教材的設(shè)計與開發(fā)，是“三教”改革的重要元素[5]?！盎铐撌?、工作手冊式”教材在形態(tài)上分離、內(nèi)容上集中與分散結(jié)合，以問題為導(dǎo)向、項目為中心，可靈活地增、減、組合各項目模塊，并通過“手冊式”引導(dǎo)，幫助不同學(xué)情不同基礎(chǔ)的學(xué)生掌握所需的知識和技能[6]。

本校針對“嵌入式技術(shù)”課程，組建了校企合作研發(fā)團(tuán)隊，將行業(yè)企業(yè)生產(chǎn)實際融合到教材中，開發(fā)了針對不同基礎(chǔ)、不同專業(yè)學(xué)生的新型“活頁式、工作手冊式”教材。考慮到原課程從內(nèi)容到實驗設(shè)備上存在局限性，新教材采用基于樹莓派和Python 語言的教學(xué)新思路，使編程基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生能更容易地掌握嵌入式技術(shù)的相關(guān)知識點。設(shè)計了更多從實際應(yīng)用出發(fā)、效果直觀有趣的實訓(xùn)項目，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性。同時，采用了新型的HedgeDoc 編輯器，形成了適用于線上線下混合學(xué)習(xí)的教學(xué)資源。

新形態(tài)教材以云班課平臺為依托在18 級到21 級的學(xué)生中由點到面地開展了教學(xué)實踐，并通過教學(xué)效果和師生反饋對教材不斷加以改進(jìn)，獲得了企業(yè)專家和師生的一致好評?！扒度胧郊夹g(shù)”課程新型活頁式教材的應(yīng)用，為線上線下教學(xué)的切換，帶來了極大的方便。