建構主義理論在應用型本科嵌入式系統教學中的探究與實踐

劉振恒 王金華 李天工

[摘 要]針對嵌入式系統課程要求知識面廣、涉及基礎課程多、要求學生的綜合能力和實踐能力強、教學難度大等問題，應該結合建構主義教學模式和教學方法，以建構主義核心思想為中心，在嵌入式系統課程開展中引導學生在一定的教學情景下，以協作形式，通過逐級推進和不斷積累、整合知識碎片的方法，主動構建和完成對該課程的學習和實踐，實現理論實用、技能過硬的應用型人才培養目標。

[關鍵詞]建構主義 逐級推進 知識碎片

[中圖分類號] G642[文獻標識碼] A[文章編號] 2095-3437（2015）12-0042-03

一、引言

2014年全球計算機硬件領域正式邁進以嵌入式應用引領的“后PC時代”，嵌入式技術及產品成為信息產業研究和應用的熱點。正是嵌入式技術迅猛的發展以及應用領域的不斷拓寬，社會對嵌入式技術人才的需求量越來越大。近年來許多高校的電子專業、自動化專業、計算機專業及通信工程專業針對市場需求紛紛開設嵌入式系統課程。但各高校在課程設置和內容安排上，還處于探索階段，這主要表現在以下幾個方面。1.嵌入式系統課程涉及電子、計算機、自動化控制等多專業知識，綜合性和實踐性強，對學生的專業知識有較高的要求。2.針對通用于不同專業的嵌入式系統課程教學，市面上的教材及指導書設計多數是面面俱到，缺少專業針對性。3.高校在教學方法上多偏重理論及原理知識的傳授，實驗內容大多由教師指定，學生在完成課程之后，雖然比較清楚的掌握了嵌入式開發的原理、方法，但開發技能和素養與實際的專業需要還有很大的差距。4.隨著課程體系的改革，各高校在不斷壓縮課程的學時與嵌入式系統課程涉及的知識點紛雜繁多相矛盾。[1] [2]

為了提高嵌入式系統課程的教學效果，國內外高校都在不斷探索，嘗試采取一系列的教學改革措施，并提出了一些針對不同學生群體、不同專業需求的教學方法。如長春大學采用講授與實驗一體化的教學方法[3];西南大學提出了“基礎性、綜合設計型、研究創新型”三層次的嵌入式系統實驗教學系統，采用開放式實驗教學思路和方法[4];解放軍信息工程大學提出了機遇自命課題的團組式教學方式，要求學生圍繞專題提出自己的研究題目，集體討論等[5];美國Syracuse University（雪城大學）等在本課程的實驗中根據難度不同、時常不同，采取制定課題和自選課題的綜合性實驗設置方式，以此來提高教學效果。

本文在借鑒國內外嵌入式課程教學方法的基礎上，針對學生感覺課程內容枯燥，不愿意學，達不到好的教學效果;設置的實驗課內容多以實驗箱附帶的驗證性實驗為主，學生缺乏主觀能動性等多種問題，提出基于建構主義的教學方法，讓學生從以往知識的被動接受者轉變成為知識的主動構建者。在理論教學中，設計相應的情境環境，通過課堂講解、推薦和主動收集資料、概括總結和應用等環節，不斷把知識碎片通過運用層次推進的方式，完成對知識主體的建構。另外，在實踐應用中，學生把構建的理論知識主體通過自主、協作和探究等方式應用到實踐內容的學習中。建構主義的教學方法不但讓學生學習了知識，而且能夠做到緊跟當前技術發展的方向，使學生掌握獲取知識和技能的方法，提高學生的創造力。

二、建構主義教學方法的概述

建構主義是由認知主義發展而來的哲學理念，其含義是任何學習的發生都不是在白紙上進行的，而是將新知識與已有知識建立起聯系，從內部通過創造、協調對原有經驗進行改造和重組，對新知識進行意義建構。在此基礎之上的教學理論認為，獲得知識的過程，不能單純通過教師的傳授，通常還要學習者借助教師和學習伙伴的幫助與合作才能完成。

與傳統教學方法相比，建構主義教學法改變了傳統教學的三個中心，即由以教師為中心轉變為以學生為中心、由以課本為中心轉變為以任務為中心、由以課堂為中心轉變為以實踐經驗為中心。在以建構主義理論思想的教學設計中，其主要特征表現在以下幾個方面。1.以學生為中心，在教學過程中，充分發揮學生的發散性思維、創造性思維和批判性思維能力，讓學生根據自身行為的信息來實現自我反饋，教師在此過程中充當協助者、促進者。2.學習的關鍵是主題的選取，以教學內容作為依據，選取合時的教學主題，考慮包括基本教學知識點的同時，能有效調動學生解決問題的積極性和對主題的參與度。3.設計和開發學習資源以及協作學習的良好環境是教師在教學設計上的主要工作，要讓學生有在不同的情景下應用所學知識的機會。[6]

三、建構主義在課程教學中的應用

當前，高等教育更關注大眾、應用型人才的培養，相應的課程理論授課及學習方式從傳統的知識灌輸轉為強調認知主體內部心理過程的學習方式，這符合建構主義的教學策略。以嵌入式系統課程來說，這門課程通常包括以下幾大部分：嵌入式系統概述、嵌入式系統體系結構、嵌入式系統指令與匯編程序設計、各類接口技術、操作系統及Bootloader、設備驅動程序等。但對應的嵌入式處理器類型有成百上千種，因應用不同對應的操作系統、接口也多種多樣，相應每部分知識點都多而繁雜，在有限的課時按傳統的教學方案面面俱到的方式已不能勝任。根據建構主義理念，本文對該課程中課堂教學、實踐教學及課程的延展教學進行了探究。

（一）情景案例式理論教學方法改革

為了解決有限課上學時和相對較多授課內容之間的矛盾，我們通過在授課內容上進行設計，對課程內容進行合理劃分，抽出核心理論部分著重講解，而將概述性、功能性描述等適當分解，學生按照教師的要求進行調研收集資料、整理和總結。這樣每個學生都有建構自己知識體系的壓力，教師結合課程教學要求進行提問，其他學生也可以就自己感興趣或不明白的地方提問，形成教師與學生、學生與學生之間溝通和互動。首先，通過完成課程基本理論知識的建構過程設計，完成基本知識的積累，如嵌入式系統概述部分中的定義、發展、分類和應用;嵌入式系統體系結構中的ARM處理器的版本、處理器的結構、存儲器和總線等。這些章節的知識基本都是概述性的內容，學生完全可以通過分組調研、討論和總結的方式進行知識碎片的收集和學習。其次，教師通過課堂集中梳理脈絡、相互提問等方式完成這部分知識的整合式學習，從而完成嵌入式基本概念的構建。

概念性知識可以通過自主學習、討論等方式構建，但如嵌入式硬件結構中的接口及總線，軟件部分的操作系統、Bootloader、驅動程序及應用程序等對學生綜合知識的要求比較多，在授課中教師講解和學生接受都是比較難的部分。對這部分內容的講解，我們打破傳統的按部就班的方式，采用案例式情景設計方法，設計一個貫穿幾部分知識點的案例核心主線，在課上圍繞這個主線展開教學。比如圍繞硬件結構的案例，構建我們的硬件環境，需要哪些部件，這些部件的基本結構和功能是什么;對于硬件的工作需要哪些軟件支持，從而引入我們使用的操作系統、Bootloader、驅動程序、應用軟件等。正是通過建立這個簡單而綜合的案例，將學生置身于一定的情景環境中。在這個環境中，通過由淺入深，由簡單到復雜，不斷讓學生擴展他們的知識碎片，然后把這些知識碎片拼接在一起，從而完成部分知識的建構，然后再采取逐級推進像搭積木一樣完成全部知識的架構。建構主義教學設計的核心是鼓勵學生自主學習策略，在基本知識構建后，對每一部分知識的拓展通過提綱的方式提供給學生，鼓勵他們自己學習和討論。

（二）逐級推進式實踐教學方法改革

嵌入式系統課程實踐性非常強，這就對理論課程的理解和實踐內容銜接、安排提出了挑戰。本文對嵌入式實踐教學環節根據理論授課內容進行逐級推進式安排，在充分利用有限的課內實踐時間和調動學生課余自主時間的情況下，在實驗室真實硬件環境和學生電腦模擬環境的支持下，把理論課中綜合案例融入一定情境，要求進行分解、分級和升級，實現理論與實踐的有效銜接。首先，選定課內課外基本實驗內容。如把軟件支持環境的安裝部署進行分解，把虛擬機、操作系統、交叉開發環境的安裝等設置為基礎性實驗，要求學生在參見實驗指導書及自行查閱資料的情況下在課外完成;如把硬件環境相關實驗分解，把資源熟悉、設備基本連接測試、GPIO輸入輸出、定時器、中斷實驗等設置為課內基礎型實驗，教師統一講解，每個學生獨立完成，教師指導學生采取原理引導實驗，在實驗中體會原理的學習方式。其次，在完成基礎性實驗的情況上，通過分級處理，提出提高性實驗內容，如軟件部分在熟悉操作系統結構的情況下完成系統裁剪及燒寫、Bootloader結構認知和燒寫、Makefile文件編寫等;在硬件環境中驅動程序的結構及編寫。本部分采取教師指導、學生分組討論及協作完成。最后是實踐環節的升級設計。模擬在一定的情景環境下，設計綜合性實踐內容，本部分內容適合在集中訓練時間內完成。比如房間監控系統、智能家居、房間出入記錄系統等，通過綜合實踐環節模擬嵌入式項目的開發，教師協助各小組對模擬項目進行分析，講解學習和解決問題的思路，小組以團隊開發的方式推進，以此培養學生綜合實踐和團隊協作能力，為日后延展性學習打下基礎。

（三）后期延展性教學方法改革

學生在前期基礎性、提高性理論和實踐學習之后，希望能在動手能力和工作能力上進一步提升，所以后期的延展性課程改革是十分重要的環節。對嵌入式系統開發感興趣的學生可以參與教師的相關課題，通過實際課題的深入研究提升自己。另外，鼓勵學生參加嵌入式設計大賽、物聯網等相關大賽，以賽代練的方式提高自己解決問題的能力。目前，高校中校企合作已經成為常態，通過與相關企業進行合作，在教學內容上能夠與社會需求接軌，同時給學生提供到企業實習和實踐的機會，做好從學校到與企業、行業的過渡。

四、結語

在嵌入式技術高速發展的今天，高校的嵌入式教學對社會人才需求培養起著非常重要的作用。本文結合各高校教學經驗，在建構主義教學模式和方法的指導下，對嵌入式系統課程教學方法進行探討。在理論課方面采用構建情景式案例教學的方法，在實踐中采用逐漸推進式方法，使學生在有限的學時內，較好地掌握教學內容，這對培養學生的實踐和開發能力具有一定的現實意義。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 倪蘊濤.基于嵌入式系統實驗課程教學方法改革和教學思路探討的研究[J].牡丹江教育學院學報，2007（4）：130-131.

[2] 嚴迎建，劉軍偉，張立朝.改革嵌入式系統實驗內容與組織方式[J].教學研究，2013（2）：55-57.

[3] 張淑艷，馬春龍，王金莉.嵌入式系統課程教學研究[J].中國科技創新導刊，2012（11）：53-54.

[4] 丁珠玉，張濟龍，吳永烽.嵌入式系統課程實踐教學模式的研究與探索[J].西南農業大學學報，2009（6）：182-183.

[5] 王震宇，汪永紅，司彬彬，蔣烈輝.基于自命課題的團組式教學模式改革[J].計算機教育，2014（16）：43-45.

[6] 余勝泉，等.基于建構主義的教學設計模式[EB/OL]http：//www.etc.edu.cn / articledigest6 / jiyujiangou.htm.

[責任編輯：陳 明]