“ARM體系架構(gòu)與編程”課程教學(xué)改革探索與實(shí)踐

摘 要：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)于2020年入選省級(jí)一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)，“ARM體系架構(gòu)與編程”是該專業(yè)的一門(mén)專業(yè)拓展類課程，課程在該專業(yè)的培養(yǎng)計(jì)劃中，起著承上啟下的重要作用。本文首先根據(jù)課程的特點(diǎn)，分析了目前課程教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，結(jié)合一流本科專業(yè)的建設(shè)目標(biāo)，針對(duì)具體存在的一系列問(wèn)題，提出了課程改革的思路和具體實(shí)施措施，包括教學(xué)模式改革、多元化考核機(jī)制兩個(gè)方面，為高校物聯(lián)網(wǎng)工程一流本科專業(yè)相關(guān)課程的教學(xué)改革提供一定參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)工程；一流本科課程；教學(xué)改革；教學(xué)模式；多元化；考核機(jī)制

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）02-0-04

0 引 言

教育部辦公廳在《關(guān)于實(shí)施一流本科專業(yè)建設(shè)“雙萬(wàn)計(jì)劃”的通知》中提到，計(jì)劃在2019—2021年建設(shè)萬(wàn)門(mén)左右國(guó)家級(jí)一流本科專業(yè)點(diǎn)和萬(wàn)門(mén)左右省級(jí)一流本科專業(yè)點(diǎn)[1-2]?！半p萬(wàn)計(jì)劃”是高校本科專業(yè)建設(shè)與發(fā)展的重要機(jī)遇，是新時(shí)代我國(guó)高等教育改革的重要抓手[1]，新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程等7個(gè)專業(yè)于2020年入選新疆維吾爾自治區(qū)省級(jí)一流專業(yè)建設(shè)點(diǎn)。

“ARM體系架構(gòu)與編程”是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的一門(mén)專業(yè)拓展類課程，課程以STM32F407系列開(kāi)發(fā)板為例，主要講授ARM嵌入式系統(tǒng)涉及的理論知識(shí)、STM32處理器的功能特點(diǎn)、工作原理、硬件資源、常用外設(shè)包括GPIO、中斷、串口、定時(shí)器以及其他基本外設(shè)接口的程序設(shè)計(jì)方法，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法等內(nèi)容，具有較強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性，是基礎(chǔ)課程的綜合應(yīng)用類課程。同時(shí)又是連接基礎(chǔ)課程與相關(guān)嵌入式類專業(yè)課程的橋梁，對(duì)于后續(xù)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、專業(yè)實(shí)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等的學(xué)習(xí)有著重要的作用。另外，隨著“物聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的到來(lái)，ARM嵌入式系統(tǒng)在智慧農(nóng)業(yè)、智慧交通、機(jī)器人等現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中應(yīng)用日益廣泛。因此，分析研究該課程當(dāng)前存在的問(wèn)題，推進(jìn)課程的教學(xué)改革，對(duì)于實(shí)現(xiàn)一流本科課程的建設(shè)目標(biāo)有著重要的意義。

1 課程特點(diǎn)與當(dāng)前存在的不足

“ARM體系結(jié)構(gòu)與編程”是一門(mén)既與硬件芯片相關(guān)又與軟件關(guān)系緊密的課程。課程圍繞目前流行的Cortex-M4 32位ARM處理器的架構(gòu)與外設(shè)進(jìn)行講解，介紹了ARM處理器的架構(gòu)演進(jìn)過(guò)程和GPIO、NVIC、UART、ADC等常用外設(shè)的使用及編程方法。課程融合了嵌入式軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)的思想，使學(xué)生了解現(xiàn)代處理器的內(nèi)部構(gòu)成和編程技巧，為學(xué)生今后從事物聯(lián)網(wǎng)工程相關(guān)領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)、嵌入式系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前教學(xué)中存在的不足主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.1 教學(xué)模式存在的問(wèn)題

長(zhǎng)期以來(lái)，該課程主要采用以課堂教學(xué)為主，實(shí)驗(yàn)教學(xué)為輔的教學(xué)模式[3]。ARM體系架構(gòu)與編程課程是一門(mén)軟硬件結(jié)合的課程，授課教師在課堂上進(jìn)行理論知識(shí)的講授和演示，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課上具體操作，但僅憑課堂的演示很難掌握具體的硬件操作和調(diào)試方法，普遍存在“一看就會(huì)，一做就廢”的情況。這種情況導(dǎo)致在實(shí)驗(yàn)課上狀況百出，教師的時(shí)間和精力大都集中在糾錯(cuò)環(huán)節(jié)，學(xué)生也體會(huì)不到實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目帶來(lái)的成就感，最終導(dǎo)致學(xué)生對(duì)課程的認(rèn)同感和學(xué)習(xí)興趣較低。

該課程的學(xué)習(xí)對(duì)于學(xué)生參加各類大賽，如全國(guó)大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)競(jìng)賽、全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽等都具有重要的作用，而學(xué)生參加該類大賽對(duì)于其專業(yè)能力、實(shí)踐能力的提升也有著積極的促進(jìn)作用[4]。但是這門(mén)課程的開(kāi)課學(xué)期一般設(shè)在第六學(xué)期，即春季學(xué)期，課程學(xué)習(xí)結(jié)束后學(xué)生進(jìn)入大四年級(jí)，這段時(shí)間學(xué)生開(kāi)始實(shí)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致學(xué)生沒(méi)有足夠的時(shí)間和精力參加這類比賽，而大三、大二年級(jí)可以參賽的學(xué)生又沒(méi)有學(xué)過(guò)這門(mén)課程，需要教師在賽前突擊講授相關(guān)知識(shí)，但是學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)并不能熟練掌握，給參賽造成很大影響。

1.2 考核方式難以反映學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度

在傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中，完全根據(jù)教學(xué)大綱進(jìn)行理論考試，考試內(nèi)容比較固定和單一，學(xué)生通過(guò)突擊和死記硬背也能通過(guò)考試，完全忽略了對(duì)學(xué)生實(shí)操能力的考評(píng)，這與“新工科”人才培養(yǎng)目標(biāo)相悖。因此，課程考核計(jì)劃第一次調(diào)整后，考核方式以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和課程設(shè)計(jì)為主。但這種注重實(shí)操能力而忽略對(duì)理論知識(shí)考評(píng)的考核方式，重實(shí)踐輕理論，忽略了知識(shí)的系統(tǒng)性，依然不能準(zhǔn)確反映學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度。

2 課程改革與實(shí)踐

2.1 教學(xué)模式改革

2.1.1 基于SPOC的混合式教學(xué)

SPOC是一種規(guī)模較小的具有限制性的在線課程教學(xué)模式，其針對(duì)傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式存在的問(wèn)題，主張將線上學(xué)習(xí)和面授課程學(xué)習(xí)相結(jié)合，將學(xué)習(xí)過(guò)程分為課前、課上和課中三個(gè)階段，從而彌補(bǔ)了大規(guī)模開(kāi)放在線課程（MOOC）的不足，有人將其稱為“后慕課時(shí)代”[5-7]。利用該模式，授課教師可以更加靈活地選擇視頻等教學(xué)資源，例如可以不將所有MOOC課程的內(nèi)容作為教學(xué)資源，而是按需選擇部分內(nèi)容作為課程的教學(xué)資源，逐漸過(guò)渡到有選擇性地側(cè)重一些重點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題的教學(xué)方式[3， 8-9]。同時(shí)，授課教師還可以根據(jù)教學(xué)計(jì)劃和大綱內(nèi)容進(jìn)行“查缺補(bǔ)漏”，選擇性地錄制一些教學(xué)短視頻作為課程資源的補(bǔ)充，幫助學(xué)生更好地理解和完成課后內(nèi)容。

在SPOC教學(xué)模式中，任課教師要意識(shí)到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)只是一個(gè)傳授知識(shí)的載體，鞏固教學(xué)效果和掌握教學(xué)節(jié)奏的關(guān)鍵仍然是課堂授課[8-9]，這就意味著線下課堂和線上平臺(tái)相輔相成、密不可分。

基于SOPC的混合式教學(xué)模式將在線課堂與線下課堂緊密結(jié)合，有利于構(gòu)建更具個(gè)性、更加開(kāi)放的教學(xué)環(huán)境，擺脫傳統(tǒng)課堂對(duì)教學(xué)空間、時(shí)間和內(nèi)容的限制，有助于實(shí)現(xiàn)高校教學(xué)工作的創(chuàng)新和轉(zhuǎn)變[6]。研究表明，在SPOC教學(xué)模式中，學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度更積極、對(duì)教學(xué)滿意度較高[8]。

2.1.2 “SPOC+項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”的教學(xué)模式構(gòu)建

本課程基于SPOC，以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)展開(kāi)線上線下混合式教學(xué)，教學(xué)模式主框架如圖1所示。

教學(xué)過(guò)程主要分為四個(gè)環(huán)節(jié)，分別是線上平臺(tái)、線下課堂、實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練和過(guò)程化考核，均圍繞項(xiàng)目?jī)?nèi)容展開(kāi)。這種教學(xué)模式以項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)為核心，以提升學(xué)生興趣、培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的實(shí)踐能力為目標(biāo)，使得授課教師教的方向和學(xué)生學(xué)的方向更加明確，不論是“教”還是“學(xué)”都能更有針對(duì)性和目的性，從而達(dá)到更好的教學(xué)效果[3]。

本課程線上教學(xué)依托新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)MOOC平臺(tái)設(shè)計(jì)完成。該部分主要內(nèi)容包括教學(xué)視頻，知識(shí)庫(kù)、項(xiàng)目（包括課程設(shè)計(jì)）要求及模板，這些內(nèi)容按照教學(xué)計(jì)劃安排，每周日固定時(shí)間在平臺(tái)上發(fā)布本周的學(xué)習(xí)任務(wù)，方便學(xué)生提前預(yù)習(xí)本周學(xué)習(xí)內(nèi)容，了解項(xiàng)目要求，提前做好課堂準(zhǔn)備。課程平臺(tái)結(jié)合課程教學(xué)大綱和教學(xué)計(jì)劃，在線提供與課程相關(guān)的優(yōu)質(zhì)學(xué)習(xí)資料，包括視頻、文檔、知識(shí)庫(kù)等，方便學(xué)生學(xué)習(xí)[10]。

（1）MOOC視頻

在視頻內(nèi)容方面，相關(guān)課程均選擇國(guó)內(nèi)知名大學(xué)的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)視頻，視頻內(nèi)容超出教學(xué)大綱的部分，作為選修內(nèi)容，學(xué)有余力的學(xué)生可以自行選擇學(xué)習(xí)。學(xué)生掌握了必修部分的內(nèi)容后，就可以完成每周理論知識(shí)測(cè)驗(yàn)。同時(shí)，針對(duì)每周項(xiàng)目?jī)?nèi)容，課程組教師可以根據(jù)需要錄制視頻，幫助學(xué)生更好地理解和完成項(xiàng)目。

（2）技術(shù)文檔

在課程平臺(tái)上分享課程相關(guān)的參考書(shū)目、芯片用戶手冊(cè)、數(shù)據(jù)手冊(cè)等技術(shù)文檔的電子版，方便學(xué)生下載查閱。

（3）知識(shí)庫(kù)

該部分圍繞本周教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)，課程組教師設(shè)計(jì)課程知識(shí)庫(kù)，類型包含選擇（單選、多選）、判斷和填空三種題型，每周測(cè)驗(yàn)從對(duì)應(yīng)教學(xué)周內(nèi)容的知識(shí)庫(kù)中抽取，每道題只有一次答題機(jī)會(huì)，由系統(tǒng)實(shí)時(shí)判分，方便學(xué)生及時(shí)了解自己對(duì)于知識(shí)的掌握情況，學(xué)生按照錯(cuò)題知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性復(fù)習(xí)。這種方式不僅有助于學(xué)生及時(shí)查缺補(bǔ)漏，還可以幫助教師及時(shí)、有效地了解學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的掌握情況。

（4）項(xiàng)目和課程設(shè)計(jì)

本課程根據(jù)教學(xué)大綱內(nèi)容設(shè)計(jì)了每周的項(xiàng)目?jī)?nèi)容和最后的課程設(shè)計(jì)。每周線上內(nèi)容的最后一個(gè)單元是項(xiàng)目（課程設(shè)計(jì)在課程的最后一個(gè)教學(xué)周），平臺(tái)提供項(xiàng)目相關(guān)的說(shuō)明、指導(dǎo)書(shū)、報(bào)告模板等資料。學(xué)生在課前通過(guò)預(yù)習(xí)可以明確本周任務(wù)，帶著問(wèn)題和任務(wù)進(jìn)入課堂，對(duì)聽(tīng)課效果和對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握都有很大益處。在實(shí)驗(yàn)課上或課下完成相關(guān)項(xiàng)目，并在時(shí)間節(jié)點(diǎn)之前在線提交項(xiàng)目報(bào)告[3]，

這對(duì)于督促學(xué)生按時(shí)完成項(xiàng)目，培養(yǎng)守時(shí)的學(xué)習(xí)習(xí)慣有著積極作用。課程設(shè)計(jì)在課程的最后進(jìn)行，這是一個(gè)綜合性的物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目，難度大于平時(shí)的項(xiàng)目，該項(xiàng)目有助于對(duì)學(xué)生綜合能力的考察。

線下課堂分為理論和實(shí)驗(yàn)兩部分，理論課根據(jù)教學(xué)計(jì)劃結(jié)合線上材料展開(kāi)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)活動(dòng)，注重知識(shí)點(diǎn)的理解和應(yīng)用；實(shí)驗(yàn)課是以直播方式進(jìn)行實(shí)踐演示為主的教學(xué)，采用騰訊會(huì)議、釘釘直播的方式完成[10]，是對(duì)理論課堂教學(xué)的增量補(bǔ)充。

2.1.3 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法

如圖1所示，“項(xiàng)目”貫穿整個(gè)教學(xué)過(guò)程，線上平臺(tái)設(shè)置項(xiàng)目指導(dǎo)書(shū)、擴(kuò)展視頻等內(nèi)容，學(xué)生通過(guò)提前預(yù)習(xí)，了解教學(xué)周的教學(xué)內(nèi)容和任務(wù)要求；課堂教學(xué)環(huán)節(jié)圍繞項(xiàng)目涉及的知識(shí)點(diǎn)展開(kāi)，講解相關(guān)內(nèi)容，學(xué)生帶著問(wèn)題和目的參與課堂活動(dòng)，完成“解惑”過(guò)程；實(shí)驗(yàn)課上，由學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目要求完成具體的項(xiàng)目，課上沒(méi)有解決的難點(diǎn)問(wèn)題可以返回線上平臺(tái)復(fù)習(xí)或者請(qǐng)教實(shí)驗(yàn)教師；過(guò)程化考核重點(diǎn)考核學(xué)生的項(xiàng)目完成度和相關(guān)知識(shí)點(diǎn)掌握情況，占比為30%，可有效督促學(xué)生認(rèn)真完成每一個(gè)項(xiàng)目，積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法改變了以往教學(xué)和實(shí)踐脫離的授課形式，通過(guò)考核“倒逼”的方法提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

2.1.4 開(kāi)課時(shí)間調(diào)整

研究分析本專業(yè)培養(yǎng)方案發(fā)現(xiàn)，在第五學(xué)期之前，“計(jì)算機(jī)語(yǔ)言”“模擬電路”“數(shù)字電路”等與本課程相關(guān)的前續(xù)課程學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)，在第五學(xué)期開(kāi)設(shè)該課程完全可行。因此對(duì)該課程的開(kāi)課學(xué)期進(jìn)行了調(diào)整，便于學(xué)生為參加大賽和畢業(yè)設(shè)計(jì)提前做好知識(shí)儲(chǔ)備。

2.2 建立合理的課程考核機(jī)制

本課程教學(xué)以過(guò)程考核為主，課程考核具體見(jiàn)表1所列。

考核共由5個(gè)考核項(xiàng)構(gòu)成。小測(cè)驗(yàn)和期末考試以理論知識(shí)考核為主，為項(xiàng)目和課程設(shè)計(jì)的完成打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。項(xiàng)目和課程設(shè)計(jì)的完成和理解情況是重點(diǎn)考核內(nèi)容，除了完成相應(yīng)的內(nèi)容和報(bào)告外，還需要完成項(xiàng)目答辯環(huán)節(jié)。項(xiàng)目?jī)?nèi)容圍繞每周的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)，課程設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合性項(xiàng)目，一般在課程結(jié)束一周內(nèi)完成，學(xué)生可以自選題目，也可以選擇課程組教師設(shè)計(jì)的題目。答辯需要學(xué)生講解本項(xiàng)目涉及的知識(shí)點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)思路及方法等，從而保證學(xué)生將理論與實(shí)踐相結(jié)合。課程設(shè)計(jì)考核方式中增加了錄制視頻環(huán)節(jié)，要求錄制3～5 min的項(xiàng)目講解視頻，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、解決具體問(wèn)題的能力。多元化的考核評(píng)價(jià)體系避免了以往純理論或者重實(shí)驗(yàn)輕理論的考核方式，更能保證評(píng)價(jià)的科學(xué)性和合理性，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提升課程質(zhì)量和教學(xué)效果。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文在省級(jí)一流本科專業(yè)建設(shè)背景下，分析了物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)“ARM體系架構(gòu)與編程”課程存在的問(wèn)題，從教學(xué)模式和考核方式兩個(gè)方面介紹了課程改革的方法和實(shí)踐過(guò)程。

基于SPOC+項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的混合式教學(xué)有助于學(xué)生課前更好地了解學(xué)習(xí)內(nèi)容、帶著問(wèn)題進(jìn)課堂、課后及時(shí)復(fù)習(xí)，較大程度提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，活躍課堂學(xué)習(xí)氛圍，提高教學(xué)質(zhì)量。多元化的考核方式能夠幫助教師更有效地了解學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的掌握程度，及時(shí)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，促使教師及時(shí)督促學(xué)生查缺補(bǔ)漏。本文的研究?jī)?nèi)容對(duì)于一流本科課程建設(shè)背景下的課程教學(xué)模式和考核模式的改革有一定的參考價(jià)值。

注：本文通訊作者為靳晟。

參考文獻(xiàn)

[1]邸金紅.省級(jí)一流本科專業(yè)建設(shè)背景下通信原理教學(xué)改革實(shí)踐[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2021，11（8）：121-122.

[2]教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見(jiàn)[J].中華人民共和國(guó)教育部公報(bào)，2019，32（10）：45-50.

[3]楊樹(shù)媛，郭斌，謝嵐，等.混合式教學(xué)模式探索—以《C++程序設(shè)計(jì)》課程為例[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2022，18（27）：154-156.

[4]李桃.以電子設(shè)計(jì)大賽為導(dǎo)向的“電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革研究[J].無(wú)線互聯(lián)科技，2018，15（22）：164-166.

[5]習(xí)近平在全國(guó)高校思想政治工作會(huì)議上強(qiáng)調(diào)把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過(guò)程 開(kāi)創(chuàng)我國(guó)高等教育事業(yè)發(fā)展新局面[N].人民日?qǐng)?bào)，2016-12-09（01）.

[6]黃晨路.混合式教學(xué)背景下高校SPOC教學(xué)模式的建設(shè)與探究[J].黑龍江教師發(fā)展學(xué)院學(xué)報(bào)，2023，42（1）：55-57.

[7]吳文嘉，蘇理華. SPOC模式下開(kāi)放大學(xué)學(xué)位英語(yǔ)考試培訓(xùn)體系構(gòu)建研究[J]. 教育進(jìn)展，2022，12（1）：218-227.

[8]蘇小紅，趙玲玲，葉麟，等. 基于MOOC+SPOC的混合式教學(xué)的探索與實(shí)踐[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2015，34（7）：60-65.

[9]孔祥宇.“后慕課時(shí)代”的SPOC教學(xué)模式[J].高教發(fā)展與評(píng)估，2020，36（5）：95-104.

[10]蔡朝朝，努爾艾力·艾爾肯.基于SPOC的數(shù)據(jù)挖掘課程混合式教學(xué)模式研究[J].電腦與電信，2020，26（9）：40-42.