基于翻轉課堂與MOOC的嵌入式軟件工程實踐教學研究

王冠軍, 周　勇, 江海峰, 趙　瑩, 李向群

(中國礦業大學 計算機科學與技術學院, 江蘇 徐州　221116)

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基于翻轉課堂與MOOC的嵌入式軟件工程實踐教學研究

王冠軍, 周勇, 江海峰, 趙瑩, 李向群

(中國礦業大學 計算機科學與技術學院, 江蘇 徐州221116)

分析了目前嵌入式軟件工程實踐課程中存在的問題及原因,提出該課程實驗教學中采用翻轉課堂與MOOC相結合的教學形式和教學手段。對其中的實踐教學環節改革提出了新的構想,并利用Android+Arduino的教學形式加以實踐。結果表明,該改革措施可以激發學生的學習興趣,促進學生對理論知識的掌握與理解,并提高學生的實踐和創新能力培養。

Android + Arduino； 翻轉課堂； MOOC

“卓越工程師教育培養計劃”是貫徹落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010-2020年)》和《國家中長期人才發展規劃綱要》的重大改革項目,也是促進我國由工程教育大國邁向工程教育強國的重大舉措,旨在培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才。加強培養學生實踐能力和創新能力的工程實踐[1-2],注重綜合性、包容性,更加注重選擇性, 促進學生的知識、能力、素質綜合協調發展[3-4],是一項亟待解決的課題。

1　嵌入式軟件工程國內外發展現狀與前景

嵌入式軟件工程課程是信息技術行業的核心課程,在國外信息類人才培養中尤其得到重視[5-6]。目前嵌入式軟件市場的規模劇增,已形成了一個充滿商機的巨大產業,并且成為整個軟件業的發展支柱。在家電、手機、各種數碼產品等都向智能化方向發展的今天,嵌入式技術越來越成為當前最熱門、最具發展前景的IT應用領域,吸引了越來越多的工程師投入到這一行業。

(1) “嵌入式軟件工程實踐”課程可通過各種移動終端實現學生與教師隨時隨地的溝通與交流，有效地解決課堂教學學時不足與溝通不暢的問題。

(2) 允許學生自定步調地選擇自己感興趣的課題進行開發,特別是對于開發中的重點與難點。

(3) 項目開發成果的應用可以使項目開發過程變得生動有趣,學生可利用學習平臺迅速了解實驗環境、開發環境和關鍵環節編程提示。

(4) 此課程改革實施可使教師有更多的時間解答學生的疑問,做到個性化輔導。

嵌入式軟件方面人才的職業發展前途光明。“大眾創業、萬眾創新”,如果想創業開發自主知識產權產品,嵌入式軟件開發是非常好的切入點。Phillip Torrone 大膽地預測Google 將用 Android+Arduino的形式掀起自已的“Kinect模式”浪潮。硬件領域基于Arduino的開發方興未艾,軟件領域基于Android的開發也是如火如荼。嵌入式軟件開發對學生的發展與未來工作晉升能都發揮至關重要的作用。

2　嵌入式軟件工程實踐教學改革與探討

針對傳統教學模式和手段存在的弊端,結合研究型大學卓越工程師培養目標和課程特點,參考了流行的實踐教學方法[7-9],提出了具體的課程實踐方法與思路。實驗教學中采用翻轉課堂與MOOC相結合[10-11]的教學形式和教學手段。翻轉課堂是運用現代技術實現知識傳授與知識內化的顛倒教學模式,是一種師生互動、激發學習興趣的有力手段,真正體現“以學生為中心”的教育理念。將MOOC資源與翻轉課堂有機結合應用到實踐類課程中,可以取得良好的教學效果。在此基礎上利用Arduino+Android的形式進行課程實踐,提高學生的學習主動性、增強學生的動手能力、培養學生的創新意識和創新能力,使得學生能夠獨立地進行項目開發和編程。

2.1實驗改革內容

采用基于翻轉課堂與MOOC嵌入式學習平臺的形式呈現,使學生掌握嵌入式開發的核心內容,并輔以相應的學習資源、課后研討以及在線交互等后續支持服務。首先利用嵌入式系統設計與應用、單片機應用與設計、微機原理與接口等嵌入式類課程群進行知識講解,然后在實踐課中進行選題的講解與分析,與學生研討選題后進行開發過程的跟蹤管理,及時與學生進行課題研討與改進,最后將成果進行演示與應用,最終完成課題的開發過程。

2.1.1課程相關資料收集

(1) 研究了近幾年嵌入式軟件工程實踐發展的國內外動態,把握課程發展的動向；

(2) 研究了嵌入式軟件課程設計的相關理論與方法[12]；

(3) 研究了翻轉課堂理論與實踐方法；

(4) 研究學生的知識獲取途徑與興趣點；

(5) 研究適合嵌入式類課程的課程知識體系；

(6) 研究和建構高效課程設計實踐模式[13]。

2.1.2課程設計項目開展

(1) 研究借鑒嵌入式軟件工程理論與方法；

(2) 研究嵌入式開發項目的選題與組織；

(3) 研究嵌入式開發流程管理技術；

(4) 設計制作相關MOOC資源。

2.1.3研討反饋

(1) 研究微學習平臺上關于本課程實踐項目的相關反饋與建議；

(2) 研究和了解學生使用本系統進行實際應用過程中遇到的問題和建議；

(3) 研究同行和各種研討會上關于本課程的總結與改進建議。

2.1.4課程項目應用

(1) 研究嵌入式開發系統的應用媒介；

(2) 研究嵌入式項目應用推廣的方法和技巧；

(3) 研究和提高課程實踐成果應用的廣度和深度。

2.2實施方案

2.2.1第一步:調研考察階段

主要調研了高校“嵌入式軟件工程實踐”課程的組織實施情況,進行課程改革的前期資料收集工作。掌握嵌入式軟件工程實踐改革的前沿動態與最新進展。做好課程實施的前期準備工作,包括視頻資料準備、開發環境與開發工具準備以及課程設計題目的構思與選取。例如推薦學生使用圖1套件和圖2的開發板進行嵌入式系統的開發工作。

圖1　Arduino開發套件

圖2　ARM開發板

2.2.2第二步:嵌入式系統開發階段

學員通過微視頻進行課程知識學習,利用翻轉課堂與教師進行討論研討。課題組成員依據討論結果與前期的資料儲備進行嵌入式系統開發工作。教師給出相應的選題,示例如下:

(1) 多旋翼自主飛行器項目；

(2) 基于Arduino的移動氣象站小車制作；

(3) 超聲波小車避障系統；

(4) 基于Arduino的智能巡邏小車制作；

(5) 基于Arduino監考助手小車設計與實現；

(6) 基于Arduino+Android的創新系統設計；

(7) 基于Android的智能遙控小車系統；

(8) 撿乒乓球機器人小車制作；

(9) 基于FPGA的多功能信號發生器設計；

(10) 基于Android手機語音和Arduino控制板的智能機器人設計。

學生在調研基礎上結合自身實際進行選題(題目不限于上述范圍),在此基礎上按軟件工程開發方法進行開發,開發完成后進行檢查評定。

2.2.3第三步:研討反饋階段

將開發完成的系統在課程微學習平臺上進行小范圍的試用,邀請學生對所開發系統的各個方面進行反饋。根據線上的點擊量、投票數量、收藏數量、分享數量、討論熱度等掌握開發系統的不足。根據反饋結果舉行師生研討,在系統的功能、可擴展性、可移植性、易操作性等方面進行總結,確定進一步的修改方向和內容。

2.2.4第四步:總結應用階段

將最后確定的系統發布在本課程的微學習網站上并在實際教學中不斷地豐富和完善。課程實施的流程如圖3所示。

圖3　課程實施流程圖

3　實驗改革效果

本文所講述的教學改革方法,已在電子科學與技術專業在校學生及校內熱愛嵌入式系統設計學生的“嵌入式軟件工程實踐”實驗教學中實踐一年,這些措施很受學生歡迎,學生在實驗教學環節表現出濃厚的興趣,學習的積極性和主動性明顯高于往屆學生。改革取得的成果主要有:獲全國電子設計競賽二等獎、全國機器人大賽一等獎、2015中國工程機器人大賽一等獎、“飛思卡爾”智能車大賽二等獎等諸多獎項,同時在校內開展嵌入式與機器人競賽，培養了大批嵌入式設計愛好者,有力地激發了學生參與嵌入式開發的熱情。一些成果見圖4、圖5。

圖4　基于Arduino的實踐開發

圖5　基于Android+Arduino的機器人開發

4　結語

本次教學改革大大提高了學生的學習興趣,提升了學生學習的主動性、動手實踐能力、創新能力、分析

問題與解決問題的能力及學生的綜合素質[2]。在這門課的激勵下,學院學生積極參加各類全國科技創新創業競賽與嵌入式系統設計專題邀請賽,提高了學生的綜合能力,成績喜人。

References)

[1] 徐偉.用現代多媒體技術提升科學實驗教學的課堂效率[J].電子世界,2014(18):478-479.

[2] 韓濤,黃友銳,凌六一,等.電工電子實驗教學改革的研究與實踐[J].中國電力教育:下,2014(10):65-66.

[3] 王小妮.嵌入式軟件設計課程研究與探索[J].中國電力教育,2014(8):104-105.

[4] 林連南,左寶河,劉嘉偉.“三位一體”的卓越軟件工程師培養模式[J].計算機教育,2015(2):1-4.

[5] 劉宏珍,侯義斌,黃樟欽,等.國際校企深度合作培養卓越工程人才的實踐[J].中國大學教學,2012(5):16-18.

[6] 張騰飛,王保云.基于問題設計的嵌入式實踐創新人才培養體系研究[J].中國電力教育,2013(22):57-58.

[7] 馮小燕,陳昌興,朱靈娟. 地方高校嵌入式實踐教學體系的構建[J].實驗科學與技術,2011,9(1):98-100.

[8] 萬智萍,王鳳,王高亮.基于工程訓練模式的嵌入式復合型拔尖創新人才培養的研究[J].電子設計工程,2012(11):163-166.

[9] 王鴻磊,張雪松.高職通信專業嵌入式系統實踐教學研究[J].實驗技術與管理,2010,27(8):171-173.

[10] 宋金璠,郭新峰,石明吉,等.翻轉課堂在大學物理實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理,2015,32(3):33-36.

[11] 曾明星,周清平,蔡國民,等.基于MOOC的翻轉課堂教學模式研究[J].中國電化教育,2015(4)：102-108頁

[12] 榮國平,劉天宇,謝明娟,等.嵌入式系統開發中敏捷方法的應用研究綜述[J].軟件學報,2014(2):267-283.

[13] 梁秀波,黃啟春.互動式立體化軟件工程教學模式探索[J].計算機教育,2015(3):10-15.

Research on practical teaching of embedded software engineering based on flipped classroom and MOOC

Wang Guanjun, Zhou Yong, Jiang Haifeng, Zhao Ying, Li Xiangqun

(Department of Computer Science and Technology, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

Problems and the reasons in the current Embedded software engineering practical course are analyzed. The combination of flipped classroom and MOOC is put forward in the course of experimental teaching. New ideas are put forward on practical teaching reform and use the form of Android + Arduino into practice. The results show that the reform measures can stimulate the interest of students, promote students to grasp theoretical knowledge and understanding, and improve practical and innovative ability of students.

Aandroid+Arduino; flipped classroom; MOOC(massive open online courses)

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.04.048

2015- 09- 10修改日期：2015- 11- 19

國家青年科學基金項目(61402483)；江蘇省卓越工程師教育培養計劃；中國礦業大學教育教學改革與建設課題(2014YB27)；卓越工程師專業教學成果培育項目(20150626-11)；國家大學生創業實踐項目(201310290080)

王冠軍(1981—)男,山東臨沂,博士,講師,主要從事機器人與EDA技術研究.

E-mail：zywgj@cumt.edu.cn

G642.4

A

1002-4956(2016)4- 0176- 03