“第二課堂”引領(lǐng)下的嵌入式課程教學(xué)探索與研究

王敏旺 鄧?yán)?/p>

摘?要：現(xiàn)代社會(huì)對(duì)人才的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力要求越來越高，高校培養(yǎng)學(xué)生的主要方法和途徑是課堂教學(xué)，課堂教學(xué)傳授知識(shí)效率高，但在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力方面有明顯不足。學(xué)科競賽活動(dòng)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力的主陣地，但參與競賽活動(dòng)的學(xué)生畢竟是少數(shù)，效率較低。為了提升學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力的平均水平，在車輛工程專業(yè)嵌入式課程中，將課堂教學(xué)和學(xué)科競賽結(jié)合起來，即把學(xué)科競賽融入到課堂教學(xué)中，優(yōu)勢互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)高效率培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：學(xué)科競賽；課堂教學(xué)；嵌入式；創(chuàng)新意識(shí)；實(shí)踐能力

中圖分類號(hào)：G642??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1?概述

創(chuàng)新是促進(jìn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的最大驅(qū)動(dòng)力，經(jīng)過幾十年發(fā)展，我國科學(xué)技術(shù)水平已有顯著提升，但在一些關(guān)鍵技術(shù)方面仍面臨著“卡脖子”的困境，具有創(chuàng)新實(shí)踐能力的人才是影響科技進(jìn)步、突破科技封鎖的關(guān)鍵因素。高校的主要職能之一就是培養(yǎng)社會(huì)需要的人才，培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力的人才是現(xiàn)階段高校教學(xué)改革的重要方向之一。［12］通過各種學(xué)科競賽，高校培養(yǎng)了許多具有創(chuàng)新實(shí)踐能力的優(yōu)秀人才，但學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力的平均水平仍然較低，大部分學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力沒有得到充分的鍛煉和提升。

南京信息工程大學(xué)的唐鐳將教學(xué)組織形式總結(jié)為“第一課堂”“第二課堂”和“第三課堂”三種類型。［3］“第一課堂”是班級(jí)集體授課，其優(yōu)勢在于知識(shí)傳授效率高，容易組織實(shí)施，但弊端也很明顯?！暗诙n堂”是學(xué)科競賽活動(dòng)，能夠顯著提升學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)踐能力，但參賽的學(xué)生畢竟是少數(shù)，從培養(yǎng)人數(shù)來說效率很低?！暗谌n堂”是基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬課堂，正處于快速發(fā)展階段，尚未達(dá)成共識(shí)?，F(xiàn)階段，“第一課堂”培養(yǎng)的大學(xué)生越來越不能滿足企業(yè)和社會(huì)對(duì)人才創(chuàng)新實(shí)踐能力的要求，“第二課堂”雖然能改善這個(gè)缺陷，但效率太低。通過“第一課堂”和“第二課堂”的深入融合，可以高效率、全覆蓋地培養(yǎng)具有創(chuàng)新實(shí)踐能力的大學(xué)畢業(yè)生。

陳新欣以大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽為契機(jī)，對(duì)電氣專業(yè)的專業(yè)課程做部分改革，將電子設(shè)計(jì)競賽融入平時(shí)的正常教學(xué)中，重視“323”課程教學(xué)，既要完成正常教學(xué)，又要達(dá)到電子設(shè)計(jì)競賽需要具備的基本知識(shí)和技能的傳授。［4］趙麗紅將競賽引入教學(xué)中，收集歷屆比賽案例，構(gòu)建教學(xué)案例數(shù)據(jù)庫，開展案例化教學(xué)，以達(dá)到“以賽促學(xué)、以賽促教”的目的。［5］以上兩個(gè)案例都是將競賽中的知識(shí)融入教學(xué)中，屬于內(nèi)容融合，既可以不斷更新教學(xué)內(nèi)容，又為學(xué)生參加競賽奠定了基礎(chǔ)。但內(nèi)容融合缺少了競賽的重要屬性“賽”，只有在競爭中才能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，深化學(xué)生的實(shí)踐能力。

本文探討以“第二課堂”為引領(lǐng)，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力為重要目標(biāo)的“第一課堂”教學(xué)方法。從內(nèi)容和形式兩個(gè)方面，將競賽融入到課堂教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)課中學(xué)、課中賽。

2?課程基礎(chǔ)

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)需求靈活組織軟硬件模塊的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。汽車是嵌入式系統(tǒng)的主要應(yīng)用場景之一，隨著汽車智能化、電氣化的發(fā)展，應(yīng)用于汽車上的嵌入式系統(tǒng)種類更加豐富、功能更為強(qiáng)大。單片機(jī)原理及應(yīng)用是學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)課程，其主要內(nèi)容為：單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、單片機(jī)工作原理、中斷系統(tǒng)、定時(shí)計(jì)數(shù)器、串口等，以及一些常用的外設(shè)，如數(shù)碼管、矩陣鍵盤、蜂鳴器、步進(jìn)電機(jī)等。課程由理論課和實(shí)驗(yàn)課組成，以往的課時(shí)安排中，理論課時(shí)較實(shí)驗(yàn)課時(shí)多，學(xué)生的編程能力和單片機(jī)開發(fā)板應(yīng)用能力沒有得到充分鍛煉。因課時(shí)所限，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也只能聚焦于單片機(jī)系統(tǒng)的基本功能，難以開展學(xué)科前沿探索和解決汽車工程實(shí)際問題。課程教學(xué)局限于基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)，沒有體現(xiàn)出對(duì)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力的重點(diǎn)培養(yǎng)和提升。

本次研究以單片機(jī)課程為依托，以汽車嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用為特色，以工程認(rèn)證畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)為導(dǎo)向，將競賽融入教學(xué)中，在發(fā)揮班級(jí)集體授課培養(yǎng)效率高的基礎(chǔ)上，彌補(bǔ)班級(jí)集體授課在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力方面的不足。單片機(jī)系統(tǒng)易于操作，價(jià)格便宜，因其能充分鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，許多學(xué)科競賽都與單片機(jī)系統(tǒng)有關(guān)。相比于其他課程，單片機(jī)課程更易于與競賽結(jié)合。競賽的題目來源于實(shí)際工程項(xiàng)目，結(jié)合了學(xué)科前沿技術(shù)和社會(huì)熱點(diǎn)。在競賽的引領(lǐng)下，持續(xù)地將新知識(shí)、新技能更新和優(yōu)化到教學(xué)內(nèi)容中，學(xué)生既掌握了基礎(chǔ)知識(shí)，也能緊跟時(shí)代潮流。

學(xué)生參加競賽的高峰期是大學(xué)一年級(jí)和二年級(jí)，進(jìn)入大學(xué)三年級(jí)后，開始專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)任務(wù)繁重，同時(shí)很多同學(xué)也開始了研究生備考。車輛工程專業(yè)中單片機(jī)課程為專業(yè)限選課，開設(shè)于第5學(xué)期。將競賽引入課程，可以繼續(xù)發(fā)揮競賽在培養(yǎng)人才創(chuàng)新實(shí)踐能力方面的優(yōu)勢。在大學(xué)前兩年里，主動(dòng)參加競賽的通常是班級(jí)里比較優(yōu)秀的同學(xué)，通過參加競賽，這些同學(xué)的創(chuàng)新實(shí)踐能力得到了鍛煉，變得更加優(yōu)秀，但更多的同學(xué)并沒有參加競賽，競賽這項(xiàng)活動(dòng)也很難做到覆蓋所有學(xué)生。課堂教學(xué)活動(dòng)與競賽有顯著區(qū)別，所有學(xué)生都必須參加課堂教學(xué)，在課堂教學(xué)中引入競賽環(huán)節(jié)，這樣就能讓所有的學(xué)生都能參與到競賽中，有效地把課堂培養(yǎng)效率高和競賽培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的優(yōu)勢結(jié)合起來，所有學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力都能得到鍛煉，提升學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的平均水平。

3?實(shí)施方案

在“第二課堂”的引領(lǐng)下，從內(nèi)容和形式兩個(gè)方面對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)進(jìn)行調(diào)整。在教學(xué)內(nèi)容上，不斷地將競賽中出現(xiàn)的新知識(shí)、新方法、新理念更新到日常教學(xué)中，使教學(xué)內(nèi)容能夠緊跟行業(yè)發(fā)展。在組織形式上，引入課內(nèi)競賽，采用相對(duì)評(píng)分，針對(duì)性地鍛煉學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力。

為了能夠開展課內(nèi)競賽，需要對(duì)課程進(jìn)行調(diào)整。將競賽引入課內(nèi)，相比于傳統(tǒng)教學(xué)，增加了課內(nèi)的學(xué)習(xí)內(nèi)容，也增加了課內(nèi)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，因此需要對(duì)課程內(nèi)容和學(xué)時(shí)安排進(jìn)行調(diào)整。單片機(jī)課程中的部分內(nèi)容較為簡單，學(xué)生自學(xué)就可以掌握，可以調(diào)整到課前學(xué)生自學(xué)完成。課前發(fā)布自學(xué)指南，學(xué)生根據(jù)自學(xué)指南進(jìn)行自學(xué)并完成自學(xué)筆記，同時(shí)將自學(xué)過程中難以理解的問題記錄下來，以自學(xué)筆記的形式考核學(xué)生的自學(xué)效果，可以避免自學(xué)流于形式。部分內(nèi)容轉(zhuǎn)移到課前，課堂上就留出了時(shí)間，可以用于學(xué)習(xí)新增的競賽相關(guān)內(nèi)容。單片機(jī)課程有48學(xué)時(shí)，其中32個(gè)理論學(xué)時(shí)、16個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)偏少，不足以支撐課內(nèi)競賽的開展。增加單片機(jī)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)所占比例，將課時(shí)調(diào)整為16個(gè)理論學(xué)時(shí)和32個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，更多的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)可以給學(xué)生更多的實(shí)踐機(jī)會(huì)，也更適合于開展課內(nèi)競賽。

大學(xué)生學(xué)科競賽項(xiàng)目繁多，內(nèi)容豐富。與單片機(jī)及汽車嵌入式系統(tǒng)相關(guān)的競賽約有15項(xiàng)，其中A類競賽13項(xiàng)，B類競賽2項(xiàng)。其中，全國大學(xué)生智能汽車競賽與單片機(jī)課程和汽車專業(yè)結(jié)合緊密，并且智能汽車結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單、價(jià)格便宜，也適于在課程中應(yīng)用。因此，選擇全國大學(xué)生智能汽車競賽作為課程融合的主要對(duì)象，將競賽的內(nèi)容和形式都融入課程中。智能汽車競賽包括競速比賽和創(chuàng)意比賽兩大類，競速賽按難度分為9個(gè)組別，適合不同水平的學(xué)生參賽，其中四輪電磁組和四輪攝像頭組適合在課堂上開展。四輪電磁組可以使用電磁傳感器和光電傳感器檢測賽道，賽道上鋪設(shè)電磁引導(dǎo)線，車模在賽道上運(yùn)行兩周后返回車庫。四輪攝像頭組可以使用紅外光電傳感器、攝像頭、超聲傳感器檢測賽道，賽道采用黑色邊線，車模從車庫出發(fā)在賽道上往返一周后返回車庫。這兩項(xiàng)競賽中使用的電磁傳感器、光電傳感器、超聲傳感器等部件原理簡單、價(jià)格便宜，適合在課堂上進(jìn)行學(xué)習(xí)和使用，以這兩個(gè)組別作為課內(nèi)競賽的主要參考對(duì)象。

以汽車嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用為特色的單片機(jī)課程內(nèi)容可以分為兩大部分，基礎(chǔ)知識(shí)和工程應(yīng)用。單片機(jī)型號(hào)層出不窮，但所涉及的基本工作原理并未發(fā)生較大變化，所以基礎(chǔ)知識(shí)的更新速度較慢。單片機(jī)的應(yīng)用場景隨著時(shí)代發(fā)展及汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展快速變化，為了能夠讓學(xué)生跟上時(shí)代步伐，滿足社會(huì)需求，就必須對(duì)單片機(jī)課程中的工程應(yīng)用部分進(jìn)行持續(xù)更新。競賽內(nèi)容體現(xiàn)了實(shí)際工程問題，結(jié)合了社會(huì)熱點(diǎn)和知識(shí)前沿，將競賽內(nèi)容轉(zhuǎn)化為問題或案例，不斷地更新到課程中，保證課程的新鮮度，使學(xué)生具備解決當(dāng)前實(shí)際工程問題的能力。跟蹤15項(xiàng)學(xué)科競賽，把競賽中出現(xiàn)的學(xué)科前沿知識(shí)和當(dāng)前工程實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為知識(shí)點(diǎn)，融入單片機(jī)課程知識(shí)體系中，為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力打下基礎(chǔ)。

為了在課內(nèi)開展四輪車競速比賽，需要將四輪車相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)融入單片機(jī)課程中。依據(jù)單片機(jī)課程內(nèi)容和課時(shí)要求，將四輪電磁組和四輪攝像頭組競賽要求簡化，簡化后四輪車主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊組成。單片機(jī)最小系統(tǒng)采用C51系列單片機(jī)，與課程知識(shí)體系保持一致，通過進(jìn)一步的深入應(yīng)用，使學(xué)生達(dá)到熟練使用C51系列單片機(jī)的目的。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使用L298N芯片，驅(qū)動(dòng)帶減速機(jī)構(gòu)的直流電機(jī)，L298N芯片工作原理相對(duì)簡單，資料豐富，便于學(xué)生學(xué)習(xí)。傳感器模塊主要包含尋跡傳感器和避障傳感器，這兩種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝。在課程中的單片機(jī)應(yīng)用章節(jié)添加電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和傳感器模塊知識(shí)點(diǎn)，作為基礎(chǔ)內(nèi)容在課堂上進(jìn)行集中學(xué)習(xí)，為開展四輪小車比賽做準(zhǔn)備。

單片機(jī)課程含有課內(nèi)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，以往的做法是開展驗(yàn)證型或綜合型實(shí)驗(yàn)，在教師的指導(dǎo)下學(xué)生獨(dú)立完成全部實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在此環(huán)節(jié)引入競賽機(jī)制，開展四輪小車競速賽。競速賽分為兩個(gè)階段，基礎(chǔ)學(xué)習(xí)階段和自由發(fā)揮階段。在基礎(chǔ)學(xué)習(xí)階段，以四輪車可以在賽道上行駛為目標(biāo)，設(shè)置多個(gè)知識(shí)節(jié)點(diǎn)，帶領(lǐng)學(xué)生逐步掌握控制四輪小車的方法。在自由發(fā)揮階段，以取得最短競賽時(shí)間為目標(biāo)，學(xué)生自己進(jìn)行探索，此時(shí)老師身份發(fā)生轉(zhuǎn)變，由引領(lǐng)者變?yōu)楦傎愵檰?，只在學(xué)生需要的時(shí)候提供必要的幫助。課程中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容比較基礎(chǔ)，在實(shí)驗(yàn)條件允許的情況下，通常以學(xué)生個(gè)體為單位，要求學(xué)生獨(dú)立完成，這樣能夠保證每個(gè)學(xué)生都有充足的練習(xí)機(jī)會(huì)。四輪小車競賽以小組形式開展，學(xué)生自由組隊(duì)合作完成。相比于課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，競賽的難度更大，以小組的形式開展可以提高效率，以利用好課堂時(shí)間。小組形式也能鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。四輪小車競賽采用相對(duì)評(píng)分，根據(jù)小組成績在全班所處的相對(duì)位置進(jìn)行評(píng)分，成績最好的得分最高，成績最差的得分最低。相比于絕對(duì)評(píng)分方式，相對(duì)評(píng)分方式能激發(fā)學(xué)生潛力，吸引學(xué)生不斷探索，不斷挑戰(zhàn)更好的比賽成績。適度的競爭可以有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促使他們?nèi)ニ伎疾ふ倚碌姆椒?、新的思路以贏得比賽。

在競賽的引領(lǐng)下，持續(xù)更新教學(xué)內(nèi)容，開展具有競爭性的實(shí)驗(yàn)課程，使實(shí)驗(yàn)更接近于實(shí)戰(zhàn)。將競賽與課程在形式和內(nèi)容上進(jìn)行深度融合，在學(xué)生理解并掌握單片機(jī)通用知識(shí)的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力，提升學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力。

結(jié)語

目前課堂授課仍為課程實(shí)施的主要形式，為了提升學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，需要對(duì)課程內(nèi)容以及組織形式進(jìn)行改革。以“第二課堂”為引領(lǐng)，優(yōu)化“第一課堂”的內(nèi)容和形式，高效率、全覆蓋地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行創(chuàng)新，將競賽內(nèi)容不斷更新優(yōu)化到課程內(nèi)容中，保證課程內(nèi)容與時(shí)代同步。對(duì)組織形式進(jìn)行創(chuàng)新，模仿全國大學(xué)生智能汽車競賽，在課程內(nèi)開展四輪小車競賽并采用小組的形式，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。這種方法適合于推廣到其他與競賽聯(lián)系緊密的課程，發(fā)揮競賽在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力方面的優(yōu)勢。

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基金項(xiàng)目：“機(jī)電汽車”湖北省優(yōu)勢特色學(xué)科群開放基金（ZDSYS202219）；湖北文理學(xué)院2020年教學(xué)研究項(xiàng)目——新工科背景下科教協(xié)同在車輛工程專業(yè)人才培養(yǎng)中的探索與實(shí)踐（JY2020039）

作者簡介：王敏旺（1986—?），男，湖北襄陽人，碩士研究生，講師，研究方向：新能源汽車電池組管理及驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制。