IT專業嵌入式課程教學模式改革研究

李薇　何先波　劉敏　沈雪珍　王錦

摘 要：針對IT就業應用和人才需求，分別從理論教學、實驗教學、課余教學、測試考核四大教學子模式的研究內容和重點目標出發，對內容體系、資源庫、集成平臺、教學模式、運作機制等方面提出具體改革措施，同時說明理論和實驗教學的具體內容安排，以改善IT專業嵌入式課程的教學效果和人才培養能力。

關鍵詞：IT專業；嵌入式課程；教學改革；教學模式

作為IT領域重要技術之一，嵌入式技術現已被廣泛應用于航天軍事、工業控制、信息家電、物聯網、醫療儀器等領域。社會快速發展使嵌入式人才需求旺盛，長時間內，嵌入式人才都是企業爭奪目標。目前，國內外高校IT專業大多設有嵌入式方向課程，但因理念、體制和師資等原因，畢業生難以達到嵌入式從業人員標準，國內嵌入式教育還未滿足市場需要。嵌入式課程作為一門覆蓋面廣、綜合性強、應用性強的交叉學科，知識技術更新日新月異。面對市場發展和人才培養的迫切需求，基于該課程復雜特點和國內教學問題[1-2]，針對軟硬件復合開發要求，如何結合現有教學和實驗條件，以課題化項目化[3]應用為導向，在有限的教學和實驗課時內，既能保證學生對基本內容的理解，又能提高學生的實踐創新能力，是亟待解決的問題，也是多數高校面臨的共同課題。

1 教學模式研究的主要內容和重點目標

美國學者喬伊斯和韋爾認為：“教學模式是構成課程和作業、選擇教材、提示教師活動的一種范式或計劃”[4]。也有人認為：“教學模式可定義為在一定教學思想或教學理論指導下建立起來的較為穩定的教學活動結構框架和活動程序”[5]。任何教學模式都需要指向和完成一定教學目標，教學目標在教學模式結構中處于核心地位。筆者以應用能力為最重要目標，主要考慮研究理論教學、實驗教學、課余教學和測試考核四個子模式，明確教學模式研究四個重點目標，如圖1所示。從教學過程角度，按照理論—實驗—課余—考核的環節順序可形成完整的順序教學過程；從教學模式結構角度，各子模式對應模塊功能既相對獨立又彼此促進。要真正實現四個子模式及重點目標，最終達到培養良好應用能力這一最重要目標，必須進行教學模式改革。

2 理論教學模式改革措施及教學內容安排

（1）設計從硬到軟多層次的可與其他多學科融合的通用型可自適應的嵌入式開發教學內容體系：按照從底層硬件、中層軟件到高層應用的思路，從整體上規劃嵌入式課程教學內容體系，使其涵蓋嵌入式系統開發生命周期（開發環境建立和熟悉、嵌入式處理器開發、嵌入式操作系統移植、基于嵌入式操作系統的軟件開發、嵌入式軟件中間件開發、嵌入式綜合應用開發）。同時，教學內容體系考慮以模塊化組合方式自適應地涵蓋或擴展多方面基礎知識和技術（ARM、DSP、C語言、匯編、單片機、EDA等），既兼顧軟硬件兩方面的基礎內容，又具有和其他專業課融合應用的通用性和靈活性。

（2）建立立體優化可共享的復合型集成型多媒體教學資源庫：通過分批分類分級建立可重復可共享的、多角度多媒體的、豐富優化的、嵌入式相關的多方位多課程復合型教學素材庫、資源庫、課件庫，構建學生全面互聯的綜合知識結構體系，以擴大理論教學廣度、深度，擴大學生學習選擇面和自由度。

（3）建立在線/離線可學的綜合型集成型近遠程教學平臺：針對嵌入式課程群（ARM、 DSP、單片機、EDA等），充分應用多媒體、網絡通信、數據庫等技術，建立可在線離線學習的混合型可集成的、可近遠程多終端（PC，移動端，網絡等）的按權限訪問和共享的教學平臺。

（4）將以“教授—學習”為主的傳統理論教學模式轉變為以“自學—引導/指導/輔導”為主的翻轉課堂[6-7]模式：通過充分利用建立的多媒體教學資源庫和在線離線可自學的近遠程教學平臺，教師采用實物展示、案例分析、操作演示、視頻參考、同步開發、代碼共享、項目引導[3]、分組討論、互動總結、游戲競賽、課堂交流、專題講座等直觀動態、互動性強的課堂教學方法和手段，建立自主學習的理論教學模式，提高學生學習能動性和積極性，實現學生第一次知識內化[7]和初步建模。

考慮通信、軟件、物聯網、計算機、網絡5個專業，針對ARM和DSP處理器，進行理論教學內容模塊化安排設計（見表1），以初步建立軟硬多層次的多學科融合的通用型自適應的嵌入式開發教學內容體系。

嵌入式課程理論教學大致安排6個內容單元模塊，其中，單元模塊2、4、5作為嵌入式課程核心內容，應安排20～35學時的教學。

3 實驗教學模式改革措施及教學內容安排

（1）設計從硬到軟多層次的完整的嵌入式開發實驗內容體系：按照從底層到高層、從硬件到軟件、從平臺到應用的思路，從整體上規劃嵌入式課程實驗體系，使實驗體系完全涵蓋嵌入式系統開發生命周期。

（2）建立整合嵌入式及相關課程群的復合型集成型實驗資源庫：通過分批分類分級建立可重復可共享的、多角度多媒體的、豐富優化的實驗素材、資源、案例項目庫，培養學生全面互聯的綜合應用實踐能力。

（3）建立可依據學生層次條件和專業特長進行模塊化自適應伸縮調節和階段式進度控制的綜合集成型實驗平臺：采用內容模塊化設計，分階段設計和逐步深入措施，在不同階段（初學、應用、創新）設計不同功能實驗（驗證型、創新型和設計型實驗）。采用因材施教方針，根據基礎不同的各層次學生（高職、本科、研究生）和特長不同的各專業學生（通信、計算機、軟件）適當組合操作/實驗模塊，調節各階段功能實驗側重比例，靈活調整實踐內容和深入程度。

（4）轉變“上機—指導”為主的傳統實驗模式到“分級引導—分工開發—團隊討論”為主的合作實驗模式：在嵌入式實驗室軟硬件設備和平臺支持和嵌入式創新團隊教師聯合指導背景下，針對案例或項目的應用和開發，采用教師—高年級開發者—低年級學習者（或導師—研究生—本科生）的跨年級分級引導/指導/開發的合作實驗模式，即教師/導師帶領跨年級學生團隊，以分工合作競爭開發項目的形式，采用每周研討式團隊內進度溝通和實時通信等手段，緊緊圍繞案例學習或應用項目實際需求，開展嵌入式開發知識和技能的實驗，通過實時教學及跟蹤指導， 實現學生第二次知識內化[7]和深入建模。

針對ARM和DSP處理器，同樣考慮5個專業，對實驗教學內容模塊化安排（見表2），以初步建立多層次的涵蓋開發生命周期的復合型自適應的嵌入式實驗教學內容體系。

嵌入式課程實驗教學大致安排5個單元的實驗項目，見表2。上述實驗中，驗證型實驗作為必選基礎實驗，應安排16～28學時的實踐上機；設計型和創新型實驗作為各專業可選的提升實驗和綜合應用實驗，應安排至少14學時的實訓練習。

4 課余教學模式改革措施

（1）設計從硬到軟多層次的完整的嵌入式開發課余教學內容體系：整體上規劃嵌入式課程課余教學體系，并結合其他相關課程（C語言、匯編、數據結構、軟件工程、微機接口、單片機、物聯網、DSP、EDA等）設計嵌入式交叉復合應用項目課題，以可選可組合可交叉復合應用的模塊化課件/組件形式支持課余碎片化自由化時間的在線離線式自主學習和對應的提示性發問式[8]指導。

（2）建立整合嵌入式及其相關課程群的復合型集成型課余資源庫：通過分批分類分級建立豐富共享的課余素材、資源、案例項目庫，以滿足課余利用豐富資源進行參考式學習的需求。

（3）構建可在線聊天或離線留言的方便自由互動交流的社區或網絡空間平臺：在社區（離線論壇）或網絡空間（在線聊天室）平臺開展以互動探討交流總結為形式的課余學術會議型討論和教學指導活動，以期實現在自由討論中獲得結論、以課余指導補充完善結論，最終實現結論的強效獲取，達到利用多角度觀點對比和多沖突觀點碰撞促進所學知識的快速第三次內化[7]和完整建模的目的。

（4）建立可充分復用實驗室及設備的可溝通指導和合作開發的師生課余指導團隊：通過三級（教師—高年級指導者—低年級指導者，或導師—研究生—本科生）師生課余指導團隊及時有規律在線指導（如三級指導1次/周，二級指導1次/半周）和定時參與課余活動互動討論（如全范圍自由討論1次/周），實現對學生課余學習的泛在式指導和溝通，解決其學習疑問、促進其學習進展并掌握其學習進度，進而促進師生的課余實踐能力的提高和專業素質的提升。

（5）建立具有實踐能力和創新意識的競賽型企業型師生團隊：通過組建有良好技術基礎、實踐項目經驗、產品開發能力和創新意識的課余競賽師生團隊，充分復用實驗室和企業設備，利用開放創新實驗機制和校企合作平臺或實訓基地，教師帶領學生承擔或參與校內專業技能比賽，參加嵌入式橫縱向項目、企業或國家專業競賽（如嵌入式物聯網設計大賽、嵌入式系統大賽等），參與權威認證考試，完成基于競賽或項目的課余深度指導性實踐教學，使學生獲取更豐富競賽型/項目型實踐開發經驗，進一步促進學生專業素質的提升和從業競爭力的提高。

5 測試考核模式改革措施

（1）設計從硬到軟多層次分模塊的嵌入式開發測試考核內容體系：測試考核主要包含理論、實驗、課余三方面。在整體上規劃測試考核內容體系，并結合其他相關課程設計測試考核課題，以可選可組合可交叉復合應用的模塊化測試組件和進度記錄機制實現在線/離線式自主或隨堂測試、平時和期末考核。

（2）建立整合嵌入式及相關課程群的復合型集成型測試考核資源庫：通過分批分類分級分模塊分進度建立豐富共享的測試和考核素材、資源和案例項目庫，以滿足多角度測試考核需求。

（3）建立依賴個人教學實踐完成進度和開發團隊合作能力及貢獻度的分級測試考核機制：構建綜合集成型在線離線測試考核平臺，充分反映學生知識和技術掌握進度，將個人學習進展和實踐能力分級量化記錄，采用由理論學習進度和各級實驗完成度決定的分級測試考核，并補充課余互動參與度和貢獻度測試考核，同時以學生團隊（3～6人）為主體，引入個人在團隊中的任務技術難度、重要度、工作量、完成度、協作性等多項測評系數，并加入個人在團隊的合作能力和團隊貢獻度測試考核。

（4）建立涵蓋個人多方面能力的綜合成績評估機制：在測試考核平臺上，將個人理論學習能力、實踐實訓開發能力、知識吸收內化能力、團隊合作能力、團隊貢獻程度和競賽創新能力等多方評估因素納入成績評估，其中，個人實踐實訓開發能力、團隊合作能力、競賽創新能力應給予優先重點考慮權重，力求滿足企業選擇人才標準。

6 結 論

通過分析和實踐可知，IT專業嵌入式課程教學模式的改革措施具有如下特點：全面完整的教學內容有利于多層次復合型的學習實踐訓練；可提高市場型實踐型創新型人才的培養能力；多資源多手段多角度特點可改善教學效果；全面立體式實時性教學和指導可提高教學效率；模塊化分階段分類分級的自適應性教學可提高教學靈活性和方便性；關注嵌入式與其他相關課程的聯系和交叉融合，有助于幫助完善整個專業綜合知識體系；分級跟隨進度、綜合個人團隊等相關多因素、涵蓋多方面能力的分級測試考核和成績評估，提高學習效率和教學自適應性。

參考文獻：

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（編輯：史志偉）