益于學生知識結構構建和學習遷移的片上系統教學內容設計研究

摘 要：由于電子信息行業的嵌入式技術更新發展快，產品開發工具多樣且變化劇烈，導致《片上電子信息系統》以提高學生自主學習能力為主導的改革勢在必行。本文根據學習理論、學習遷移理論等研究了益于學生知識結構構建和學習遷移的片上系統教學內容設計方法，并以實現流程及工具操作的講解為例提出了具體的相關實施方法。該設計方法能夠提高學生自主學習能力，為培養符合社會需求的人才提供保障。

關鍵詞：片上系統 自主學習 學習遷移 教學內容

中圖分類號：G633 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2013）08（b）-0121-02

1 研究背景

近十年，可編程邏輯器件、單片機、DSP、ARM等技術與市場飛速發展，相關的技術、教學素材有所增加，涌現出大量的技術書籍、教材、實驗案例、開發套件、技術資料等。以SOPC（system on programmable chip）為核心內容片上電子信息系統雖代表著嵌入式系統發展的方向，可由于其內容較新、對人才知識技能要求高、軟硬件結合難度大等原因，國內開設片上電子信息系統的學校也非常少[1]，與片上電子信息系統（SOPC）相關教材、甚至是科技書籍都寥寥無幾[2～5]，精品課更是寥若星辰。鑒于已有的技術書籍主要針對工程技術人員閱讀，不易于相關知識基礎薄弱的本科生學習和理解，我們急需參考國外相關課程和國內外科技書籍，對課程內容進行完整的梳理和總結，仔細編排教學內容，并反映片上電子信息系統最為基礎、本質和實用的內容，體現知識發展前沿，使學生掌握片上電子信息系統最基本的理論和觀點，掌握學習這門課的基本學習態度和方法，相關的操作實踐方法等，達到教學內容豐富全面、邏輯清晰、條理清楚的目標。另一方面，由于電子信息行業中嵌入式技術更新發展較快，產品的更新換代乃至產品開發工具變化較為劇烈[6]，導致《片上電子信息系統》以培養學生自主學習能力為主導的改革勢在必行。這樣對教學內容的設計就提出新的要求。因而，我們課堂教學內容設計應該是在學習理論、學習動機、自主學習等理論的指導下，根據課程的特點、教學目標、學生的先驗知識等進行精心設計，使學生構建起易擴展的、牢固的知識結構，以利于學習遷移的進行，進而提高學生的自主學習能力。

因此，這篇論文在國內《片上電子信息系統》課程現狀下，如何進行益于學生知識結構構建和學習遷移的《片上電子信息系統》教學內容的設計進行研究。

2 研究依據的理論基礎

學習理論解釋是有關學習的實質、過程、條件等根本問題的一些觀點，它強調人類學習是建立、重組認知結構的過程。研究認知學習理論的代表學者之一是布魯納，布魯納認為教學的一大任務就是為最佳的理解提供最佳的知識結構[7～8]。

從教材理解方面，懂得基本原理會使學科更容易理解；從教材遷移方面，掌握了較基本的原理或結構，就可以把事情作為更普遍的事情的特例去理解，從而有助于增進學習中的遷移。

從教材記憶方面來看，“除非把一件事情放進構造得好的模式里面，否則很快就會忘記”。

學習遷移理論研究的是一種學習對另一種學習的影響。其中按照內容劃分為普遍遷移、特殊遷移。主要的遷移相關的觀點有[7]：

（1）現代遷移理論認為認知結構與遷移有重要聯系：主要體現在認知結構的可利用性、可辨別性和鞏固性對遷移的影響。

（2）充分或過度學習是有效遷移的一個有利條件。

（3）學習任務的難易程度與遷移也有影響。

（4）遷移假設理論認為通過假設形成的思考順序和假設范圍會影響以后對類似問題的解決。

3 教學內容設計方法

結合理論，具體的實施方法在本篇文章中以實現流程及工具操作的講解為例作如下說明：

在《片上電子信息系統》這類實踐性較強的課程中，往往涉及在具體編程環境中工具的操作。面對紛繁的命令、原理和流程，如果教師眉毛胡子一把抓，從頭按部就班地把操作一點點講起，就會造成學生不甚清晰的學習結構，造成記憶和將來學習遷移的困難，沒有一個整體的對基本原理、基本態度的掌握，不利于提高學生自主學習能力。本文作者經過分析，得出講授工具與流程過程中，可以圍繞原理的介紹、工具的介紹和流程的介紹三個線索展開。

首先是原理的介紹：指講述諸如高級編程語言源代碼輸入、編譯、連接、形成可執行文件、存儲器分段及配置、程序加載執行等的原理（針對C語言或者處理器內核）；或者講述源代碼輸入、約束條件、綜合、布局布線、添加約束、在線調試、下載等的原理（針對邏輯編程語言verilog或VHDL、FPGA）；這些原理使學生對工具或者流程完成工作的內部機理有所了解，方便學生在理解基礎上認識工具和流程。

然后是工具的功能介紹：分為每個工具組件的介紹、每個工具的窗口界面中顯示內容、命令菜單的介紹，包括工程窗口、信息窗口、內容窗口。菜單包括：文件、調試、編輯、工具、選項等。具體在工具介紹中還涉及某一工具操作流程是哪些命令（動作）組合實現的、哪些窗口顯示哪些內容、如何根據內容調整（交互）等內容。所以這部分既包括按照各種工具功能的介紹，可以滲透工具與原理、流程的對應關系。

最后是流程的介紹：脫離某一具體的工具，因為某流程中可以通過可換的工具或者命令實現。比如下載可以用iMPACT命令，也可以用EDK集成界面上的download bitstream實現[2]。這樣的例子比比皆是。具體講解中應注意片上系統基本原理與Altera開發、C語言軟件開發或FPGA硬件開發的類比性（學習遷移（4）），可以將原理與流程與他們進行類比，分析聯系與區別，加深學生對知識的理解，鞏固學生知識，從而有利于學生學習遷移能力的培養。

實際中編程工具和實現流程的介紹還是比較抽象的。如果能夠以某一實例介紹，就會使學生有非常深刻的印象，從降低學習的難度，將知識掌握扎實而成為堅固的知識結構。根據知識遷移中的“知識的鞏固性、熟練程度、充分或者過度學習”對新舊知識發生聯系，發生有效學習遷移的影響（學習遷移（1），（2））[7]。應該不吝嗇時間來講這些典型的、重要的、基礎的、具有演示性意義的例子和基礎知識。這將有利于易于進行學習遷移的內容留到自主學習中去解決（學習遷移（3））。

這種利于學生進行知識結構構建、學習遷移的教學內容設計方法，對于學習者主動獲取知識、構建知識結構、加強探索能力等具有重要作用，從而能夠提高學生的自主學習能力，這種能力會一直延續到學生將來的學習工作中，使學生終身受益。

4 結語

市場的需求和技術的發展趨勢決定了片上電子信息系統在本科生實踐教學中的非常重要地位，技術的飛速發展、應用環境的多樣、開發工具的大量涌現決定了對這種應用實踐性較強的課程更需要注重提高學生的自主學習能力[6，9]。作者所在的北京信息科技大學非常重視打造信息學科特點的實踐課程，作者根據國內實踐教學和片上電子信息系統課程的現狀，進行了益于提高學生自主學習能力的教學內容設計的探索研究。

本文所述的設計方法都有充分的理論依據，是根據作者一年來在課程教學、課程設計教學和專業綜合實踐等實踐課程的具體實施過程中探索出來的，其中很多應該還需在未來的教學反饋基礎上進一步改進。在此教學內容設計方法的基礎上得到的內容分解體系，與益于提高學生自主學習能力的教學方法、手段結合，才能使得教學的知識性、啟發性、全面培養學生的目標得到更好的實現，使得課程在全方位的得到提升和優化，使得學生在有限的學習時間、有限的學習基礎上，扎實掌握片上電子信息系統相關的理論基礎知識，建立起易拓展的、利于學習遷移的知識結構，培養出較強的片上信息的系統設計、實踐和應用能力，較強創新性能力，滿足未來嵌入式系統發展的需要，與社會應用需求接軌的優異的寬口徑應用實踐型人才。

參考文獻

[1]李蘭英，崔永利，李妍，等.基于FPGA 技術的嵌入式應用型人才培養教學體系[J].計算機教育，2011（16）：18-21.

[2]何賓.片上可編程系統原理及應用[M].清華大學出版社，2010.

[3]楊強浩.基于EDK的FPGA嵌入式系統開發[M].機械工業出版社，2008.

[4]董代潔.基于FPGA的可編程SoC設計[M].北京航空航天大學出版社，2006.

[5]郭兵，沈艷，林永宏，等.SoC技術原理應用[M].清華大學出版社，2006.

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[8]李興蓉，郭紅生，張連剛.大學生網絡自主學習效果影響因素實證分析[J].現代教育管理，2011（10）：57-60.

[9]劉光徽，李耀，章磊.應用型嵌入式系統課堂教學研究[J].中國科教創新導刊，2010（19）：30.

①資助項目：北京信息科技大學2012年度教學改革立項資助“培養學生自主學習能力的《片上電子信息系統》教學內容與方法探索研究”（2012JGYB19）；

北京信息科技大學2012年度教學改革立項資助（2012JGYB17）。