網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)嵌入式課程雙主動(dòng)教學(xué)改革研究

王海珍　廉佐政　滕艷平　金梅

摘要：針對(duì)目前嵌入式相關(guān)課程教學(xué)效果不理想的問題，探討網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)嵌入式課程的教學(xué)方法，提出雙主動(dòng)教學(xué)模式，指出該模式以建構(gòu)主義理論為指導(dǎo)，面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，并采用拋錨式教學(xué)方法，通過創(chuàng)設(shè)情境實(shí)施理論環(huán)節(jié)教學(xué)，從學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)和興趣出發(fā)分層次實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：嵌入式；構(gòu)建主義；拋錨式教學(xué)方法；物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用；雙主動(dòng)

1 建構(gòu)主義教學(xué)理論

近年來，嵌入式技術(shù)和嵌入式產(chǎn)品已經(jīng)滲透到各個(gè)領(lǐng)域，如信息家電、通信設(shè)備、工業(yè)控制等，社會(huì)需要大量掌握嵌入式技術(shù)的人才，因此，越來越多的高校開設(shè)了嵌入式相關(guān)課程。嵌入式系統(tǒng)是一種軟硬件結(jié)合的技術(shù)，與產(chǎn)品和市場有緊密的聯(lián)系，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和應(yīng)用性。在教學(xué)中，教師普遍認(rèn)為該課程難教，學(xué)生學(xué)習(xí)起來也很吃力，難以深入掌握相關(guān)知識(shí)，教學(xué)效果不理想，因此，筆者主張以建構(gòu)主義理論為基礎(chǔ)，探索新的教學(xué)模式。

建構(gòu)主義觀點(diǎn)是由瑞士心理學(xué)家讓·皮亞杰于1966年提出的，他創(chuàng)立的學(xué)派被稱為“皮亞杰派”，是認(rèn)知發(fā)展領(lǐng)域中最有影響的學(xué)派。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論包括以下3個(gè)基本觀點(diǎn)。

1.1 學(xué)習(xí)是一種過程

學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)新知識(shí)時(shí)，不是通過傳授獲得知識(shí)，而是通過他對(duì)知識(shí)的經(jīng)驗(yàn)解釋，將知識(shí)轉(zhuǎn)變成了自己的東西，即知識(shí)和技能的獲得，是學(xué)習(xí)者與外部環(huán)境交互作用的結(jié)果，而不是教師單向灌輸?shù)慕Y(jié)果。

1.2 學(xué)習(xí)是協(xié)商活動(dòng)的過程

學(xué)習(xí)不是單向的接受過程，教師不但肩負(fù)著“傳”的使命，更肩負(fù)著調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)者積極性的使命。教師要分析學(xué)習(xí)者的知識(shí)結(jié)構(gòu)，找到合適的切入點(diǎn)，才能確保新知識(shí)單元被建構(gòu)到原有知識(shí)結(jié)構(gòu)中，形成一個(gè)新的結(jié)構(gòu)。然而，不同的學(xué)習(xí)者知識(shí)結(jié)構(gòu)不一樣，對(duì)知識(shí)的理解不一樣，從而導(dǎo)致學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果不一樣。因此只有通過“協(xié)商”和磨合，才可能達(dá)成共識(shí)。

1.3 學(xué)習(xí)是一種真實(shí)情境的體驗(yàn)

學(xué)習(xí)的目的是讓學(xué)習(xí)者真正使用所學(xué)的知識(shí)來解決問題。“懂了”只是第一步，“會(huì)用”才是更關(guān)鍵的，會(huì)用才證明真正學(xué)會(huì)了。只有在真實(shí)情境中，才能使學(xué)習(xí)變得更有效，因?yàn)閷W(xué)習(xí)者可以在真實(shí)情境中解決實(shí)際問題。

分析以上3個(gè)基本觀點(diǎn)可知，建構(gòu)主義教學(xué)理論應(yīng)該以學(xué)生為中心，在整個(gè)教學(xué)過程中教師是組織者、指導(dǎo)者、幫助者和促進(jìn)者，利用情境、協(xié)商等學(xué)習(xí)環(huán)境要素充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性、積極性和首創(chuàng)精神，最終達(dá)到使學(xué)生有效實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前所學(xué)知識(shí)的理解和應(yīng)用。可見，在建構(gòu)主義教學(xué)理論下，教師和學(xué)生的角色、作用與傳統(tǒng)教學(xué)相比已經(jīng)發(fā)生了很大的變化，而這種變化必將給嵌入式課程的教學(xué)注入新鮮力量，為改善教學(xué)效果開辟了新的途徑。

2 物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的概念于1999年提出。根據(jù)2005年國際電信聯(lián)盟（ITU）的定義，物聯(lián)網(wǎng)主要解決物到物（Thing to Thing，T2T）、人到物（Human to Thing，H2T）、人到人（HumantoHuman，H2H）之間的互聯(lián)。物聯(lián)網(wǎng)這一高度交叉的新興前沿領(lǐng)域在國際上備受關(guān)注，美國IBM公司基于物聯(lián)網(wǎng)提出“智慧的地球”概念；中國科學(xué)院早在物聯(lián)網(wǎng)概念誕生之初就啟動(dòng)了傳感網(wǎng)研究；2009年，無錫物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)研究院成立，考察時(shí)提出“感知中國”的概念。

在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中有3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，即傳感器技術(shù)、RFID（射頻識(shí)別）技術(shù)、嵌入式技術(shù)。把物聯(lián)網(wǎng)用人體做一個(gè)簡單比喻，傳感器相當(dāng)于人的眼睛、鼻子、皮膚等感官，網(wǎng)絡(luò)就是神經(jīng)系統(tǒng)用來傳遞信息，嵌入式技術(shù)則是人的大腦，在接收到信息后要進(jìn)行分類處理；物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展為嵌入式技術(shù)的發(fā)展提供了新的應(yīng)用領(lǐng)域。因此，嵌入式課程的教學(xué)內(nèi)容安排要面向物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。

3 雙主動(dòng)教學(xué)模式

3.1 理論教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

在建構(gòu)主義的教學(xué)理論下，目前已開發(fā)的比較成熟的教學(xué)方法主要有：支架式教學(xué)法、拋錨式教學(xué)法和隨機(jī)進(jìn)入教學(xué)法。筆者主張采用拋錨式教學(xué)方法進(jìn)行課程理論環(huán)節(jié)的教學(xué)。拋錨式教學(xué)也稱“實(shí)例式教學(xué)”或“基于問題的教學(xué)”，它要求在教學(xué)過程中，依據(jù)教學(xué)內(nèi)容、對(duì)象和方式，確定錨點(diǎn)，即選取有感染力的真實(shí)問題，通過拋錨引導(dǎo)出講授的知識(shí)，設(shè)計(jì)出問題來指導(dǎo)教學(xué)。所謂的“拋錨”就是教師通過選取有感染力的真實(shí)問題創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，以確定教學(xué)內(nèi)容用，“拋錨”是否成功，取決于教學(xué)情境的創(chuàng)設(shè)能否激起學(xué)生的積極性。由此可以看出，“拋錨式”教學(xué)方法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是教學(xué)情境的創(chuàng)設(shè)。下面筆者針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，分析嵌入式課程的理論教學(xué)內(nèi)容，然后給出創(chuàng)設(shè)的教學(xué)情境。

3.1.1 教學(xué)內(nèi)容安排

嵌入式理論教學(xué)目的是掌握嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)，為物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，而嵌入式軟件是物聯(lián)網(wǎng)的重要的核心技術(shù)之一，它的發(fā)展促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的工程應(yīng)用，因此，為了更好地應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)，嵌入式課程安排6個(gè)知識(shí)單元的教學(xué)，具體內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面。

第1知識(shí)單元：嵌入式系統(tǒng)緒論。掌握嵌入式系統(tǒng)定義、特點(diǎn)，了解嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢、特點(diǎn)，理解嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。

第2知識(shí)單元：ARM體系結(jié)構(gòu)。掌握ARM9結(jié)構(gòu)，了解ARM9的指令集、工作模式，理解ARM9儲(chǔ)器格式、存儲(chǔ)器映射I/O結(jié)構(gòu)、ARM異常，掌握ARM9的尋址和加載/存儲(chǔ)指令、算術(shù)和邏輯指令、比較指令、分支指令、軟件中斷指令。

第3知識(shí)單元：嵌入式系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)。掌握接口的控制方式、存儲(chǔ)器接口設(shè)計(jì)、引腳連接模塊應(yīng)用、GPIO接口設(shè)計(jì)，了解中斷的分類、中斷源，掌握中斷設(shè)計(jì)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器接口設(shè)計(jì)、串行口設(shè)計(jì)、人機(jī)接口設(shè)計(jì)。

第4知識(shí)單元：嵌入式系統(tǒng)的軟件平臺(tái)構(gòu)建。了解嵌入式系統(tǒng)軟件平臺(tái)的發(fā)展、典型嵌入式操作系統(tǒng)，理解嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)的特點(diǎn)，掌握UC/OS—II移植規(guī)劃、移植文件構(gòu)成、移植代碼與系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)、任務(wù)設(shè)計(jì)、常用的系統(tǒng)函數(shù)、任務(wù)問通信程序設(shè)計(jì)方法、內(nèi)存管理的程序設(shè)計(jì)方法。endprint

第5知識(shí)單元：嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。了解分布式嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、通信方式，掌握異步串行通信網(wǎng)絡(luò)、12C總線網(wǎng)絡(luò)、CAN總線網(wǎng)絡(luò)、USB網(wǎng)絡(luò)，理解嵌入式TCP/IP協(xié)議的特點(diǎn)，掌握嵌入式TCP/IP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法。

第6知識(shí)單元：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例。通過實(shí)例掌握嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程和方法。

其中第2、4、5知識(shí)單元是嵌入式軟件的核心內(nèi)容，不少于20學(xué)時(shí)。

3.1.2 教學(xué)情境創(chuàng)設(shè)

針對(duì)每節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)設(shè)一個(gè)學(xué)習(xí)情境，設(shè)計(jì)一個(gè)總體任務(wù)，并向?qū)W生展示出整體情境，提出總體任務(wù)，然后引導(dǎo)學(xué)生對(duì)總?cè)蝿?wù)進(jìn)行分析，嘗試將總?cè)蝿?wù)分解成有序的各級(jí)子任務(wù)，并討論出各級(jí)子任務(wù)所需要的知識(shí)和技能，最后學(xué)習(xí)這些知識(shí)，鍛煉這些技能，以解決問題。下面以UC/OS—II移植為例來說明進(jìn)行教學(xué)情境創(chuàng)設(shè)的過程，具體步驟如下：

第1步，運(yùn)行一個(gè)簡單的多任務(wù)程序，展示移植UC/OS—II后程序的設(shè)計(jì)方法。通過感性認(rèn)識(shí)，引出要講授的知識(shí)，并強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)該部分知識(shí)的重要性。

第2步，在ADS集成開發(fā)環(huán)境下設(shè)計(jì)一個(gè)工程，給學(xué)生展示移植UC/OS—II后多任務(wù)程序設(shè)計(jì)的運(yùn)行情況，分析應(yīng)用UC/OS—II系統(tǒng)函數(shù)進(jìn)行多任務(wù)程序設(shè)計(jì)的方便性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提出總體任務(wù)：移植需要完成的工作。

第3步，分析總體任務(wù)，完成移植工作需要在OS cpu.h、OS cup C.C和OS cup a.s中設(shè)計(jì)移植代碼。在工程的h文件夾下打開OS_cpu.h，在工程的arm文件夾下分別打開OS_cup_c.c和OS cup a.s分析移植代碼的設(shè)計(jì)思路，依據(jù)設(shè)計(jì)思路，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行關(guān)鍵程序段的編寫。

第4步，總結(jié)移植步驟和方法。

內(nèi)容講授完畢后，讓學(xué)生總結(jié)UC/OS—II移植的步驟和方法，加深學(xué)生對(duì)該部分知識(shí)的理解。

從上面的設(shè)計(jì)步驟可以看出，情境創(chuàng)設(shè)是從真實(shí)情境展示出發(fā)，由真實(shí)情境引出要講授的知識(shí)，即先給出問題再說明問題的解決方法。相對(duì)傳統(tǒng)的灌輸教學(xué)方法，可以讓學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的重要性有更好的理解，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

3.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)以建構(gòu)主義理論為指導(dǎo)，從學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)和興趣出發(fā)，進(jìn)行分層次教學(xué)，即將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分成驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性3個(gè)層次，課前教師布置預(yù)習(xí)內(nèi)容，提供與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相關(guān)的大量資料，給予學(xué)生充分的時(shí)間進(jìn)行查閱和理解資料，課上教師僅指導(dǎo)學(xué)生探索問題、解決問題，充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性，讓學(xué)生自己學(xué)習(xí)、自己操作，驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)在課上完成，并由教師對(duì)完成情況進(jìn)行檢驗(yàn)，現(xiàn)場給出成績；此外，對(duì)實(shí)驗(yàn)感興趣的學(xué)生可以利用課余時(shí)間完成創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，這需要定期開放實(shí)驗(yàn)室，允許學(xué)生動(dòng)態(tài)使用實(shí)驗(yàn)室的所有資源，在教師的指導(dǎo)下充分發(fā)揮學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，運(yùn)用已有的知識(shí)基礎(chǔ)，自己思考并動(dòng)手解決實(shí)際問題。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生對(duì)所做實(shí)驗(yàn)的性質(zhì)、規(guī)律以及知識(shí)之間的內(nèi)在聯(lián)系有較深刻的理解，形成對(duì)知識(shí)的意義建構(gòu)。表1給出了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及類型。

創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容綜合性強(qiáng)，涉及的知識(shí)較多，學(xué)生2～3人一組，每一組內(nèi)的學(xué)生相互協(xié)作共同完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。此外，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以動(dòng)態(tài)變化，學(xué)生可以從表1中選取題目，也可以由教師設(shè)計(jì)題目，這取決于完成創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的學(xué)生的興趣狀況和知識(shí)基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

以建構(gòu)主義理論為指導(dǎo)的雙主動(dòng)教學(xué)模式，對(duì)嵌入式課程的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)，是對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行的有益探索。該教學(xué)模式不僅提高了教師教學(xué)的積極性，還能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和知識(shí)積累，有助于提高學(xué)生分析問題、解決問題和創(chuàng)造性思維的能力，從而提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

（編輯：孫怡銘）endprint