基于引領式SPOC的嵌入式系統課程教學模式初探

劉花香 郭文 方江雄 劉軍

摘? ?要：為了提高本科電子類應用型人才培養質量，針對嵌入式系統課程學習內容多、課時少、難度大等問題，文章提出了引領式SPOC的課程教學模式。通過結合引領式SPOC混合教學模式的優點和嵌入式系統課程的特點，從引領式教學內容探索、引領式教學活動設計和引領式教學評價體系建立三個方面進行設計，構建了課程教學模式的整體框架，可為高校實踐類課程建立引領式SPOC課程教學模式提供借鑒。

關鍵詞：引領式SPOC;嵌入式系統;Moodle; 教學模式改革

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2021）12-0066-04

一、引言

近年來，在“互聯網+”國家戰略計劃的推動下，MOOC[1]和SPOC[2][3]等“互聯網+教育”典型教學模式發展風起云涌。特別是在疫情防控期間“停課不停學”的特殊背景下，各大慕課平臺和釘釘、騰訊等在線直播平臺發揮了重要作用，善于利用各種信息化手段有效開展網絡教學成為當代教師的必備技能。但是傳統的網絡在線教學模式，教學效果主要取決于學生的自覺和自主學習能力，教師的引領作用發揮不足。[4]引領式SPOC在線學習模式[5]，針對目前SPOC模式存在的問題，融入引領式在線學習[6]思想，強調教師在整個教學過程中的全程引領和監管作用，通過構造多樣的交互環境，讓學生在高質量的交互活動中獲取知識，能有效提高教學質量。

嵌入式系統課程作為電子類專業的主干核心課程，存在學習內容多、課時少、難度大等問題。為了提高課程教學質量，通過引入引領式SPOC翻轉課堂教學模式來彌補傳統課堂教學的不足，采用雙平臺（線上Moodle平臺[7]+線下課堂實踐平臺）三階段（課前預習+課中實踐+課后總結）混合教學模式，融入CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate，構思-設計-實施-運作）工程教育模式[8]，設計基于引領式SPOC的嵌入式系統課程教學模式，以培養學生開發嵌入式系統的工程實踐能力和創新能力。

二、引領式SPOC教學模式與嵌入式系統課程教學現狀

1.引領式SPOC教學模式

SPOC教學模式最早由阿曼多·福克斯教授在2013年提出，該模式通過控制課程準入門檻、增加師生面對面交流討論機會，有助于顯著提升教學質量。[2]當前高校所使用的SPOC教學平臺仍然以人機交互模式為主，教師主要負責將學習資料上傳到平臺，教學效果取決于學生的自主學習和自律能力，在整個在線學習過程中，教師的監管作用發揮不足。引領式學習模式強調教師在整個教學過程的全程引領和監管作用，采用該模式課程的開發重點在于如何引導學生在限定的時間內利用已有的學習資源完成課程內容的學習，使學生通過豐富的交互活動來獲取知識。[6]引領式SPOC在線學習模式，通過在SPOC模式中融入引領式在線學習，強調教師的引領和監管作用，通過設計高質量的交互活動，能有效解決SPOC模式教師監管不足等問題。[5]

2.嵌入式系統課程教學現狀

嵌入式系統是一門實踐性很強的綜合性課程，如何在有限的學時內讓學生理解掌握扎實的基礎知識，并具有開發嵌入式應用系統的工程實踐能力和創新性思維一直是一個難題。嵌入式系統課程主要有以下特點。

（1）課程內容覆蓋面很廣，但教學課時少。我校電子信息工程專業嵌入式系統課程總共有54學時（其中實驗16學時），需要學生掌握STM32芯片常用外設功能部件使用和μC/OS操作系統工作的原理、移植和應用。傳統的“理論+實驗”教學模式，大部分課時被理論課占用，實驗學時非常有限，通過有限獨立的實驗訓練，學生難以建立起系統設計的宏觀概念，工程實踐能力難以提升，所以傳統教學模式不適合用于開展“實踐性強”的課程。

（2）學生層次差異大，課程評價方式單一，目前機電學院電子信息工程招生層次有統招一本、“卓越計劃”試點班、國際合作辦學和留學生等，學生基礎各不相同且對課程先修知識的掌握程序也存在一定差異，采用統一的課程教學計劃很難達到好的效果，傳統的單一課程考核模式（實驗報告+試卷）難以考察學生對知識點的實踐應用和創新能力。

為了破解上述難題，需要徹底革新原來的教學模式。我們的整體改革思路是為了切實提高學生工程實踐能力和創新能力，將部分理論知識的學習搬到引領式Moodle教學平臺上，延長實踐教學學時，解決教學課時少、學生實踐能力鍛煉不足的問題;針對不同層次學生，設計并確定個性化教學和考核內容，采用多元化評價機制，實行全過程考核，強化對學生工程實踐能力和創新能力的培養。

三、嵌入式系統課程的引領式SPOC教學模式設計

筆者依托江西省高等學校教學改革研究課題，依據我校電子信息工程專業已有的教學條件，結合近幾年課程教學反饋存在的問題，圍繞基于引領式SPOC的嵌入式系統課程教學模式探索這個主題，從引領式教學內容探索、引領式教學活動設計和引領式教學評價體系建立三個方面展開研究，提出了一種新的嵌入式系統課程教學模式，如圖1所示。

1.引領式教學內容探索和設計

嵌入式系統課程是一門以電子技術（數字電路、模擬電路、電路分析）和計算機程序設計為基礎，數字信號處理、傳感器技術、計算機網絡等多學科交叉融合的課程。隨著嵌入式處理器、嵌入式操作系統、計算機程序設計等技術的發展，嵌入式系統軟硬件及開發工具不斷更新，還要針對不同層次學生，設計并確定個性化教學和考核內容，主要研究內容如圖2所示。

（1）引領式教學大綱的制定

依據教學目標和學生的學習能力來確定教學任務，建立動態的學習過程。以提高學生工程實踐和創新能力為指導思想，我們對本課程教學大綱進行了徹底改革，在2018版教學大綱中將原來的“理論+實驗”課程模式改成為期4周的嵌入式應用實踐實習課程，采用基于CDIO工程教育理念的項目式教學方法，由學生采用小組合作的方式參與完成一個嵌入式項目。教師將整個項目的完成過程分解成基本任務和拓展創新任務兩個部分，加強對學生基礎實踐能力和拓展創新能力的培養和考核。教學大綱只列出了課程的基本綱要，在課程實際運行時，考慮到不同層次的學生對知識理解程度不同，教師可有針對性地對不同層次學生選擇不同難度的項目任務，并對單個子任務設置不同的完成指標，制訂個性化的課程教學計劃。

（2）引領式教學資源開發

嵌入式系統課程是一門多學科融合的綜合性課程，通過開展項目化教學，可以很好地把課程知識點融入到實際工程項目的具體應用功能實現中。[7]隨著物聯網、大數據和人工智能等技術的廣泛應用，嵌入式系統的課程內容設置必須緊跟時代的步伐，本課程教學資源的開發主要包含4個方面：①主控芯片功能部件的使用，主要包括根據當前嵌入式行業的進展情況選擇代表性典型芯片，錄制視頻介紹芯片各功能外設的基本工作原理，并提供實驗樣例代碼模版。②操作系統部分，主要包括操作系統的基本工作原理、移植、系統裁剪和應用，需要對單個知識點錄制視頻，并提供實驗樣例。③項目案例庫建設，項目案例的來源盡量選擇緊跟時代步伐、滿足社會需求的真實項目，前期可以從合作企業、教師科研項目、往屆學生優秀畢業設計和平時的科技創新競賽活動中，篩選出一些有代表性的項目樣板加入嵌入式項目案例庫，并在后續課程運行時不斷對項目進行更新。④項目管理方法，科學有效的項目管理方法是一個項目最終成功的關鍵因素，在本課程項目實施過程中引入現代項目管理方法，培養技術與管理并行的綜合型人才。

（3）引領式教學交互方式

引領式教學模式強調教師在整個學習過程中的全程引領和監管作用，通過構造多樣的交互環境，讓學生在高質量的交互活動中獲取知識。現有的免費在線學習平臺，如學習通提供了新建課程、上傳教學資源、布置作業并進行專題討論等常用功能，但是這些功能是固定的，教師無法根據課程需要進行個性化的定制。Moodle是一個深受全世界教育工作者歡迎的開源課程管理系統，[9]上面提供了非常豐富的師生交互活動方式，除了常用活動外，該系統還有如問卷調查、投票、聊天、互動評價等功能，并且每種功能都設計得非常靈活，比如其中作業和測試中的題目可以亂序顯示，能有效防止學生作弊。教師可以在該平臺上進行二次開發，根據課程需要靈活設計師生交互活動。

在本課程運行過程中，我們通過構建引領式Moodle線上平臺和項目實踐課堂線下平臺開展線上和線下交互活動，通過線上平臺教師分發資源和任務，在規定時間內，學生通過自主學習并完成任務，教師監管學生的完成情況并及時給予評價和反饋，師生和其他學習共同體一起協作完成疑難問題的討論;線下交互主要指在項目實踐場所，師生面對面進行深度交互活動。

2.引領式教學活動設計

通過結合引領式SPOC和CDIO項目化教學模式的特點與優勢，依托雙平臺（線上Moodle平臺+線下課堂實踐平臺），我們對嵌入式系統課程的具體教學活動進行了設計。基于研究具體項目任務而實施的教學活動過程，主要包括課前預習階段、課中實踐階段和課后總結階段，具體內容如圖3所示。

（1）課前預習階段

本階段包括教師課前教學資料準備和課前學習引導，通過優質的教學資源來引領學生達到認識并掌握新知識的目的。教師在課前利用SPOC平臺，通過深挖現有豐富的慕課和網上開放課程資源，錄制未涉及的部分知識點視頻，同時輔助相關教學資源（軟硬件、外設接口等開發流程視頻，提供實驗樣例源碼），針對當前層次學生特點，有針對性地引導學生分組并分配合適難度的項目任務，在任務完成過程中為學生答疑解惑。學生通過平臺預習課程內容，完成隨堂測驗，參與在線討論。同時，學生可以將問題發布到主題討論區，通過師生之間在線討論來尋找解決方案。

（2）課中實踐階段

學生能靈活地實踐所學理論知識并可以解決實際工程問題，即“學以致用”是本課程的最終目地，課中實踐階段是本課程模型的知識完整建構階段，主要分為基礎任務和創新拓展兩個階段。作為教學活動的引領者，教師需將整個項目任務根據知識點進行合理分解，制訂詳實可行的教學計劃。在基礎任務階段，對每一個單一基礎任務，又可以分為理論教學和實踐教學兩個部分，引導學生在合理的時間內完成單個基礎任務，可以大大增加學生學習的信心和樂趣，為整個項目的成功打下基礎。在創新拓展階段，教師需要對學生進行引導，不能“為了不同而創新”，創新不是天馬行空，創新點要來源于生活實際需要，創新要解決工程應用的實際問題，讓學生掌握完成創新拓展任務所需的技能。

（3）課后總結階段

在此階段，學生每天都要以日志的形式來對當天所學的知識進行總結，并寫明整個團隊任務的完成情況和個人所做的貢獻，形成文檔提交到系統，這樣有助于學生對當天所學的知識進行梳理，通過反復總結和反思來固化知識。教師需及時對每位學生的任務完成情況進行點評，對存在的問題進行反饋，并根據項目任務實際進展調整后續課程計劃。通過教師評價和學生總結反思使知識得到升華。

3.引領式教學評價體系建立

為了全面評估課程教學效果和學生表現，嵌入式系統課程采用多元評價體系。評價主體多樣化，以教師評價為主，同時在課程開展全程引入學生自評和同伴互評，通過引導學生參與評價過程，使整個評價視野更開闊。評價內容多元化，采用全過程持續性評價考核機制，整個課程評價包括過程性評價和總結性評價兩部分，其中過程性評價包括課前預習任務完成情況、課堂實踐表現及團隊合作情況、課后總結反思討論等部分，以此來全面考核學生對項目和團隊的貢獻度，這部分總占比40%。總結性評價主要考察團隊項目的整體完成情況，其中基礎任務的完成情況占30%，創新拓展任務完成情況占20%，最后的文檔報告部分占10%，在這里我們通過加大創新任務評價占分來加強對學生創新思維和能力的培養，具體評分構成如圖4所示。最后根據課程達成度的分析反饋情況，持續更新教學內容、優化教學過程和改進評價體系，使整個課程教學形成一個良性的閉環系統。

四、結語

本文通過分析嵌入式系統課程特點和引領式SPOC混合教學模式優點，構建了一種基于引領式SPOC的嵌入式系統課程教學模式。通過徹底革新原課程教學大綱，引入CDIO工程教育理念，采用雙平臺（線上Moodle平臺+線下課堂實踐平臺）三階段（課前預習+課中實踐+課后總結）混合教學模式，強調教師在整個教學過程中的全程引領和監管作用，建立多元評價體系，彌補在原課程體系中學生工程實踐能力和創新能力培養不足等缺陷，讓學生以團隊形式參與完成工程項目從無到有的全過程，大大激發了學生的學習興趣，加強了學生團隊協作能力、項目管理以及系統設計等綜合能力的培養，可以為高校實踐類課程建立引領式SPOC課程教學模式提供借鑒。

參考文獻：

[1]謝幼如，倪妙珊，柏晶，張惠顏.融合翻轉課堂與MOOCs的高校MF教學模式[J].中國電化教育，2015（10）：40-46.

[2]徐葳，賈永政，（美）阿曼多·福克斯等.從MOOC到SPOC——基于加州大學伯克利分校和清華大學MOOC實踐的學術對話[J].現代遠程教育研究，2014（4）：13-22.

[3]康葉欽.在線教育的“后MOOC時代”——SPOC解析[J].清華大學教育研究，2014（1）：85-93.

[4]Marco Piccioni，Christian Estler，Bertrand Meyer.SPOC-supported Introduction to Programming[R].ITiCSE 14 Proceedings of the 2014 conference on Innovation & technology in computer science education，2014：3-8.

[5]王朋嬌，崔璨，姜爽.引領式SPOC教學模式構建及在開放大學中的應用研究[J].中國電化教育，2018（9）：123-131.

[6]秦宇.引領式在線學習模式[J].教育信息化，2005（16）：37-39.

[7]Moodle官網[EB/OL].https：//moodle.org/.

[8]劉花香，方江雄，肖靜等.基于“卓越計劃”和CDIO的《嵌入式系統設計》課程改革實踐[J].中國教育信息化，2017（14）：28-30.

[9]Moodle百科[EB/OL].https：//baike.baidu.com/item/moodle/5135846？fr=aladdin.

（編輯：王天鵬）