“互聯網＋”背景下“嵌入式系統(tǒng)”課程研究性混合式教學模式改革研究

摘 要：本文以“互聯網＋”背景下的“嵌入式系統(tǒng)”課程研究性混合式教學模式為研究對象，針對該課程傳統(tǒng)教學方式存在的問題，研究構建“課前—線上學習、課中—翻轉課堂、課后—拓展實踐”的混合式課程教學模式。通過對“嵌入式系統(tǒng)”課程的全面分析與規(guī)劃設計，進一步豐富了研究性混合式教學模式的理論與實踐內涵，優(yōu)化了教學模式與方案。在教學模式研究過程中，識別并分析了存在的問題，及時總結原因并優(yōu)化教學方案。本文分析了基于該教學模式的學生學習效果，驗證了該模式與學生的學習需求相契合，顯著提高了學生的學習興趣與自主性，取得了較為理想的教學效果。

關鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 研究性混合式教學 創(chuàng)新實踐能力 項目設計

“互聯網＋教育”是將互聯網思維應用于推動教育創(chuàng)新的過程中，實現了“互聯網”與教育的深度融合，打破了時空限制，逐漸成為教育發(fā)展的新趨勢。在互聯網背景下，教育教學研究受到了廣泛關注，尤其是關于線上教學與混合式教學的研究越來越多，顯示出此領域的重要性。謝幼如等構建了特殊時期“停課不停學”在線教學模式的分析模型，重點強調了“互聯網＋教育”的思維方式、特殊時期的教育需求以及學生居家學習的規(guī)律性，并基于此提出了在線教學模式的分析維度。^［1］李秀晗等則以培養(yǎng)大學生國際視野為目標，在教學實踐中逐步完善了同步混合教學模式，認為該模式能夠有效滿足學生的國際化學習需求，促進多樣化與個性化的學習方式。^［2］

一、嵌入式系統(tǒng)概述

“嵌入式系統(tǒng)”是電子信息類專業(yè)高年級的核心課程，通過對本課程的學習，學生能夠掌握嵌入式系統(tǒng)的基本理論和實踐技能，可以設計、開發(fā)和調試嵌入式系統(tǒng)。通過學習嵌入式處理器架構、實時操作系統(tǒng)、接口技術、嵌入式編程和系統(tǒng)優(yōu)化等內容，學生可以掌握硬件和軟件協(xié)同設計的能力，為未來從事電子信息工程領域的嵌入式系統(tǒng)研發(fā)奠定堅實基礎。

“嵌入式系統(tǒng)”是一門應用性較強的課程，強調對學生動手實踐能力的培養(yǎng)。在“互聯網＋教育”背景下，如果單一使用線上大規(guī)模開放課程，忽視授課教師與學習者有效互動，就會存在很大的局限性。因此，近年來國內外學者更加傾向于采用線上與線下教學平臺相結合的混合式教學模式。馮昕燁構建了基于超星學習通移動學習平臺的混合式教學模式，并應用于“數字圖像處理”的教學實踐中。^［3］隨著對教學改革的不斷深入研究，近年來多個學者針對不同專業(yè)方向的需求，結合“嵌入式系統(tǒng)”課程特點，開展了項目式教學改革與實踐，為該課程相關的教師提供了參考。付三麗等針對嵌入式系統(tǒng)課程內容多、課時少等特點，引入項目式教學模式，激發(fā)學生學習興趣，提高實踐能力。^［4］劉偉偉等針對嵌入式系統(tǒng)及實踐教學中存在的問題，通過設計案例進行實踐教學改革，體現學生主體性，同時保證教學深度和創(chuàng)新性。^［5］黃智聰等針對新工科背景下實驗教學環(huán)節(jié)中缺少真實環(huán)境下實踐的問題，提出處理器在環(huán)的半實物仿真實驗教學方案，培養(yǎng)學生自主探索和實踐能力。^［6］霍新明等結合生物醫(yī)學工程學科特點，通過分組對比的形式進行綜合實踐課題的學習和訓練，有助于學生理論聯系實際的學習。^［7］

隨著智慧農業(yè)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)在農業(yè)物聯網、智慧農機等方面發(fā)揮著重要作用。李芳分析探討了計算機、物聯網、人工智能等技術在智慧農業(yè)中的應用。^［8］孫百惠通過具體的應用案例分析了嵌入式系統(tǒng)對智能農機發(fā)展的推動作用。^［9］本文以南京農業(yè)大學人工智能學院電子信息類專業(yè)為例，開展了嵌入式系統(tǒng)的研究性混合式教學模式改革與實踐。探索在“互聯網＋教育”的背景下，如何制訂適用于農業(yè)大學電子信息類專業(yè)的“嵌入式系統(tǒng)”課程培養(yǎng)方案，幫助學生培養(yǎng)理論、實踐、創(chuàng)新并重的學習思維。

二、教學現狀分析

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)能力是從事電子信息工程領域系統(tǒng)開發(fā)的基本技能。在傳統(tǒng)的教學培養(yǎng)方案中，該課程教學方案共32個課時，以理論課為主，配合小部分的課內實驗。實驗課的目的是加深學生對基礎理論知識和方法的理解，初步培養(yǎng)學生理論聯系實際的能力。這種教學方式以教師講授為主，學生被動接受學習，知識點多且分散，專業(yè)性強且難度大，學生學習興趣不高。教學過程中，理論教學、課內實驗、課程設計等實踐教學環(huán)節(jié)設置上相互獨立，缺乏連貫性和相關性，直接導致所學與所用相互割裂。學生從理論課程中學到的內容無法真正在實踐中得到驗證及應用，從而直接導致實踐教學效果大打折扣。

隨著物聯網、人工智能技術的發(fā)展，嵌入式技術在智能裝備、機器人等產品中得到了大量應用。嵌入式新技術與新知識也大量涌入教育領域，傳統(tǒng)教學模式逐漸難以滿足學生進行后續(xù)項目開發(fā)的學習需求。培養(yǎng)方案中該課程課時總體偏少，傳統(tǒng)的教學方法達不到理想的教學效果。^［10］隨著互聯網技術與信息技術的迅速發(fā)展，教學方法與學習模式發(fā)生了顯著變革，傳統(tǒng)高等教育面臨著前所未有的問題與挑戰(zhàn)。^［11］這些挑戰(zhàn)包括：如何在線上教學環(huán)節(jié)中缺少教師面對面監(jiān)督的情況下，促進學生自主學習；如何尊重學生個體的差異性，激發(fā)學生潛能和創(chuàng)造性，實現基于不同目標導向的因材施教；如何在混合式教學模式下對學生學習情況和教師教學質量進行客觀全面的評價。

三、研究性混合式教學模式改革方案

（一）“課前—線上學習、課中—翻轉課堂、課后—拓展實踐”混合式教學模式

研究性混合式教學模式包括課前自主學習、課堂深入教學和課后互動實踐三大環(huán)節(jié)，旨在通過精心設計的學習資源與活動，提升學生參與度，確保教學過程與評價緊密結合。線上部分注重計劃和進度，線下部分側重于實踐與討論，各環(huán)節(jié)緊密結合，教師與學生需要密切配合以發(fā)揮混合式教學的優(yōu)勢。該教學模式的總體設計如圖1所示。

學生在課前學習階段，通過在線上對碎片化的知識點的自主學習，構建學習主線；課中線上課堂教學階段，教師通過組織多元化的教學活動，建立翻轉課堂的教學模式，幫助學生完成多任務線交叉的面上學習，自主探究過程；課后拓展實踐教學階段，教師通過挑戰(zhàn)任務、課程項目，搭建線上教學平臺，引導學生在項目研究中培養(yǎng)自主學習及探索創(chuàng)新能力。

在課前自主學習和課后拓展學習中，學生是學習的主體，教師則主要扮演引導者的角色。在混合式教學模式下，學生在課前通過網絡教學平臺進行預習，并在課堂上與教師進行深入互動學習。課后階段則用于鞏固和擴展課堂所學知識，使學生能夠在不同學習階段持續(xù)深化理解和應用。

課中翻轉課堂教學環(huán)節(jié)中，教師組織多種形式的翻轉課堂教學活動，形成多主線支撐的面上教學，使在線教學中翻轉課堂的教學模式不再是單調的討論和灌輸或知識內容答疑，而是師生互動、生生互動的探究場所，也是學生展示實踐能力的競技場。教師可采用教師講壇、任務挑戰(zhàn)、專題討論等多種形式，鞏固和拓展學生的課程知識。

（二）分層次、因材施教的人才培養(yǎng)模式

分層教學通過科學的分層，將學生按不同水平分為不同目標層次，教師根據各層次學生的需求，制訂相應的學業(yè)目標和教學策略。評價方式也因層次而異，對不同層次的學生采用不同的考核方法。分層教學理念是因材施教的具體實踐，充分體現了教育的內涵。在分層教學過程中，針對課程內容更新快、信息量大、教學時間有限的特點，教師在課前、課中和課后分別引導不同層次的學生，通過設計多主線交叉的混合式教學環(huán)節(jié)，并結合翻轉課堂模式，達到更好的教學效果。分層次、因材施教的人才培養(yǎng)模式有三個層次，分別針對基礎型人才、實踐型人才和創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)目標，強調以學生為中心，以學生自主學習能力和創(chuàng)新研究能力培養(yǎng)為重點，多種教學方法融合。分層次培養(yǎng)模式架構如圖2所示。

在課后項目拓展實踐環(huán)節(jié)中，教師根據不同培養(yǎng)層的培養(yǎng)目標差異化實現學生的階梯式分層次培養(yǎng)。對于基礎教學層的學生，教師應充分利用實驗課程的擴展訓練，幫助其夯實基礎；對于技能實踐層的學生，利用課程挑戰(zhàn)任務促進其對于實踐技能的自主學習；對于創(chuàng)新研究層的學生，通過全國大學生電子設計大賽、機器人大賽等權威大賽中組建項目目標的實現，激發(fā)其創(chuàng)新的熱情和研究開發(fā)的樂趣。

（三）構建以立德樹人為宗旨的混合式教學模式

評價指標體系混合式教學模式結合多元化評價體系，重點監(jiān)控學生自主學習、合作學習、課堂互動和課后實踐，注重形成性評價和階段性成果，通過超星學習通平臺采集學習數據，并結合教師評價、學生互評和學生自評，形成完整的立體評價體系，并及時反饋以促進學生改進。教學評價系統(tǒng)綜合考慮線上教學和線下教學對學生學習能力的不同影響，翻轉課堂的具體實施情況，學生參與挑戰(zhàn)任務、項目制作和實踐平臺的訓練對核心競爭力的影響狀況。

同時課程，通過激勵式成果為導向的課程考核方式，引導學生在學習中產生興趣、明確目標；通過個人自主學習形成的多層次靶向定位，為不同層次學生提供不同的知識獲取、技能鍛煉和自我實現平臺；通過多元化的課程考核評價體系，促進學生開展個性化學習并實現差異化考核評價方式，課程考核方式及評價指標設計如下（見表1）。

四、教學改革實施效果

“嵌入式系統(tǒng)”課程教學中，深入實施上述研究性混合式教學模式改革方案，把改革方案應用到理論教學、課內基礎實驗和課程項目設計3個教學環(huán)節(jié)。教師在課程學期初完成線上學習、討論專題、課程項目分組等任務布置，線上學習采用超星學習通平臺學習嵌入式系統(tǒng)基本原理和設計方法，課內基礎實驗基于正點原子的I.MX6U開發(fā)板進行嵌入式軟硬件設計開發(fā)訓練，在基礎編程、驅動開發(fā)、音視頻控制、QT界面開發(fā)等方面設置了7個不同類型的實驗。具體實施方法及效果如下。

（一）通過多元化教學方式提高了學生的學習主動性

在“嵌入式系統(tǒng)”教學改革中，研究性混合式教學模式的應用不僅促進了學生的學習主動性，還有效提升了教學內容的深度與廣度。通過科學的教學組織形式，教師能夠在教學中引導學生深入理解和探索復雜的知識結構，幫助學生將理論與實際應用相結合。此外，線上與線下相結合的混合式教學平臺為學生提供了更多的學習渠道，學生可以根據個人學習進度和興趣選擇適合的學習資源。在課堂上，學生通過專題的形式進行分享和討論。例如，在智能農機、自動灌溉、智能家居等方面的嵌入式系統(tǒng)專題中，教師可以用關鍵技術進行引導、完善和補充，這種翻轉課堂的教學模式，使學生從被動接收知識轉變?yōu)橹鲃訉W習知識，提高了學生的參與度和自主性。

為了進一步激發(fā)學生的學習興趣，教學改革中還增加了創(chuàng)新性實驗和項目挑戰(zhàn)。這些實驗課題緊密結合實際應用，學生在解決問題的過程中，不僅掌握了嵌入式系統(tǒng)的專業(yè)技能，也培養(yǎng)了獨立思考和解決問題的能力。例如，通過設計和實施一個完整的小項目，學生能夠從中體驗到知識的意義，增強了學習的成就感和責任感。教師可在此過程中增加思政內容，引導學生積極投入現代農業(yè)建設的同時培養(yǎng)其工匠精神。

在多元化教學方法的支持下，學生的學習主動性得到了顯著提高，課堂參與度和學習效果也相應提升。通過學生的反饋和教學數據分析，教師能夠及時調整教學策略，使教學更具針對性和有效性，從而實現教學質量的持續(xù)提升。

（二）通過分層培養(yǎng)的方式啟發(fā)了學生的學習潛能

為了適應學生個性化發(fā)展的需求，教學改革引入了分層培養(yǎng)模式。這種模式不僅為學生提供了更多的自主選擇權，還在一定程度上激發(fā)了學生的學習潛能。在基礎教學層，學生打下了堅實的理論基礎，掌握了必備的基本技能；在技能實踐層，學生通過實踐操作，將理論知識應用到具體情境中，提升了動手能力和專業(yè)素養(yǎng)；在創(chuàng)新研究層，學生有機會參與前沿課題研究，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和科研能力。

分層教學的優(yōu)勢在于能夠因材施教，針對不同學生的學習需求提供個性化的教育資源和支持。例如，對于實踐型學生，未來可能從事嵌入式系統(tǒng)軟硬件開發(fā)崗位的工作，技能實踐層的教學更加注重實際操作和經驗積累。對于學術型學生，未來的目標是要攻讀相關專業(yè)的碩士甚至博士研究生，創(chuàng)新研究層則提供了更多參與科研項目的機會。對于創(chuàng)新型學生，教師可以鼓勵其在參與科研項目過程中撰寫學術論文，近三年學生需要以第一作者的身份發(fā)表3篇SCI論文。同時，在嵌入式系統(tǒng)教學實踐中注重以賽促學，通過電子設計大賽、機器人大賽、藍橋杯大賽等多種競賽，提高學生的實踐能力和系統(tǒng)開發(fā)水平。這種分層次的教學方式，不僅拓寬了學生的學習視野，還增強了學生的綜合設計實踐能力和自主學習能力。

通過分層培養(yǎng)模式，學生的學習潛能得到了充分挖掘，他們能夠在不同的學習階段找到適合自己的發(fā)展路徑，并在各自的專業(yè)領域中取得顯著進步。這種教育理念的實施，有助于培養(yǎng)多元化人才，為社會輸送具有創(chuàng)新能力和實踐能力的高素質人才。

（三）通過構建混合式教學模式

評價指標體系優(yōu)化了考核機制為了更好地評估混合式教學模式的實施效果，改革中構建了一套全面的混合式教學模式評價指標體系。在該體系的構建過程中，學校廣泛收集了專家和學生的意見，確保評價內容的科學性和全面性。評價指標不僅涵蓋了教學內容的深度和廣度，還包括了學生學習效果、教學資源利用率、教學方法的創(chuàng)新性等多方面的因素。

在教學實踐中，這套評價指標體系被用來監(jiān)控和評估混合式教學模式的實施情況。通過定期收集和分析教學數據，學校能夠及時發(fā)現教學中存在的問題，并進行優(yōu)化改進。例如，如果發(fā)現某一教學環(huán)節(jié)中學生的參與度較低，教師可以通過調整教學方法或內容，增強課堂的互動性和吸引力。

這套評價指標體系的應用，不僅提高了考核的科學性和客觀性，也促進了教學質量的持續(xù)提升。分層次、多元化的評價方式，使學生的學習效果能夠得到全面準確的評估，從而為進一步優(yōu)化教學提供了有力的數據支持。通過不斷完善和優(yōu)化評價機制，學校能夠更好地實施以學生為中心的教育理念，推動教學改革的深入發(fā)展。

五、結語

本文主要針對電子信息類專業(yè)嵌入式系統(tǒng)課程中，學生學習主動性不強，沒有因材施教等問題，提出了研究性混合式教學模式改革的方案，提出了“課前—線上學習、課中—翻轉課堂、課后—拓展實踐”混合式教學模式，對不同目標層次的學生進行分層次、因材施教的人才培養(yǎng)，并構建以立德樹人為宗旨的混合式教學模式評價指標體系，對學生進行差異化考核。通過研究性混合式課程教學改革，學生對本課程的學習更具有針對性，并可將知識和技術應用于實際項目開發(fā)，他們解決問題的能力和創(chuàng)新性思維也得到提升，這對其他相關課程的教學實踐也具有一定的參考價值。

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