新工科背景下嵌入式系統課程混合式教學模式的研究*

董坤 劉旭 孫長偉

（蚌埠學院電子與電氣工程學院 安徽蚌埠 233000）

隨著《教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知》的發布，各高校對新工科的內涵與建設路徑進行探索，深入實施新工科研究與實踐項目[1]。根據新工科建設要求，需要學生具有良好的科學與工程素養、較強的應用能力和一定的創新意識，能夠適應現代電子信息技術發展，成為擁有較強的創新意識、創業精神和社會責任感的高素質應用型專門人才。但傳統的嵌入式系統課程已滿足不了新時代的發展需求。為了適應新工科背景下對嵌入式系統人才培養的需求，針對其教學中存在的問題，在教學中采用混合式教學模式，以項目化的教學內容為主體，重新對教學內容進行綜合改革，并改進實踐教學環節，強化學生的實習實訓，切實培養學生的工程應用能力[2]。在新工科背景下要樹立工程教育新理念[3]，以學生為中心[4]，關注學生的學習成效，以工程實踐能力培養為目標，持續提升工程人才培養水平，對課程教學模式進行革新，使其滿足行業的技術發展需求[5]。嵌入式系統課程作為電子類專業必修的專業課程，可以幫助學生提升綜合素質和工程實踐的能力。

一、本課程教學現狀

嵌入式系統課程是一門知識面較廣、實踐性較強、多學科交叉的課程，同時該課程知識更新速度和所用硬件的模塊更新速度較快，教學中實驗學時相對理論偏少，學生動手能力較差。傳統理論教學過程主要是教師線下講授，學生學習熱情隨著知識點難度的不斷加大而逐步減少，學生聽課效率不高；實驗課環節多為驗證性實驗，設計性實驗很少，沒有以學生學為主體，學生處于被動學習的狀態，并且一定程度上沒有激發學生的創新精神，學生工程實踐能力和綜合應用能力較差。因此，傳統嵌入式課程教學主要體現在課程內容陳舊，理論基礎薄弱；教學模式單一，學生學習主動性較差。而且傳統嵌入式課程考核方式單一，普遍為平時成績加上期末考試成績的方式[6]。考核占有較大比例的期末考試分數主要采用紙質試卷考核，實踐環節的考核相對較弱甚至沒有體現。所以傳統嵌入式課程教學不利于培養學生的實踐創新和解決復雜實際工程問題的能力。在新工科背景下，利用網上教學平臺，進行線上線下混合式教學模式，使學生參與到課程中來，可以解決當前本課程教學現狀，使學生自主能力和學習效率不斷提高。

二、課程建設方案及實施過程

傳統課堂教學過程中，教師通過引導、提問以及最后小結等方式進行互動性、有針對性地進行知識點教學，一定程度上調動了學生參與的積極性，通過線下的反饋機制使得教師能夠了解學生的學習程度并可以及時調整教學的節奏，實現課堂教學的良性循環，但主要以教師“教”為主，并且傳統課堂有著教學模式單一、過程性考核環節較少、教學知識點在多個班級或實驗小組重復等缺點。因課時有限，教師在教授理論知識的同時沒有引入課程思政教學方式[7]，課題教學缺乏對學生進行思想政治教育和社會責任教育等方面的內容和能力的培養。

基于“互聯網+”的各種信息化教學App，如MOOC、雨課堂、超星學習通等新的教學模式[8]，逐步形成了線上與線下，課前、課中與課后相融合的混合式教學模式。該模式一定程度上突破了傳統線下課程的時間和空間的限制，進一步提高了課程教學的效率[9]。新冠肺炎疫情以來，該模式更是為實施課程教學提供了前所未有的新途徑。本課程中線上線下混合式教學通過學習通平臺，將線上的教學資源，如簽到、視頻課程、作業、章節測驗、搶答、討論等環節引入到線上課程中來。線上的教學資源使得課程中過程性考核環節多樣化，引起學生學習興趣，激發學生學習積極性。線上線下混合式教學過程主要分為課前知識架構、課中教學環節、課后反饋機制三個階段，每個階段中教師和學生完成不同的任務點，不斷地完善此課程的教學效果。線上線下混合式教學流程如圖1 所示。

圖1 線上線下混合式教學流程

（一）課前知識架構

教師通過錄制課程相關知識點、慕課等微課資源、項目案例、PPT 課件、與教材相關的電子書等課程資源上傳在學習通上，并給學生布置一定的預習作業，督促學生進行課前預習。學生通過老師上傳的學習資源在學習通上進行預習，通過對預習作業中的疑惑進行思考，帶著問題進入課程。通過課前知識架構可以使學生從宿舍中解放出來，走進實驗室、大學生活動中心等，減少學生看網劇、打游戲等課余時間，使學生學習主動性以及積極性不斷提高。通過碎片化的學習，使學生充分利用學習時間，一定程度上鞏固所預習的知識點。學生有沒有預習一定程度上體現學生自主學習能力以及學習自覺性和誠實守信等優良品質，教師應當對沒有預習的學生進行積極引導，獎懲有度，使學生處于良好的學習氛圍中。

（二）課中教學環節

第一堂課或第二堂課課前進行學習通簽到，通過發布搶答、討論、問卷、投票等方式增加學生上課積極性與參與感，教師通過不同的過程性環節進行混合式教學，進行知識點的組織、答疑及總結，不斷改進教學方式，提高學生學習效果。線下上課時教師還可以根據學生預習效果、學習狀態進行課程教學的調整，對帶有疑問的學生進行解答。學生可以及時解決自己預習時所留的疑問，并通過教師的點撥加深對知識點的學習，拓寬自己的思路。教師通過學習通討論、留言等，可以與學生“一對一”進行互動交流，及時解決學生疑問，也可以進行問題的探討。線上互動對教師來說是一種“以學生為中心”的體現，是對學生的一種在乎表現，表現出關心愛護學生；對學生來說得到老師的回復，是一種肯定，保證學生求知欲以及被關心的滿足，增加學生學習動力。線上教學模式中互動、答疑等工作量很大，可能不能給教師一定的課時量，但體現了教師的愛崗敬業無私奉獻的精神。線下課程中也可以預留一段時間，供學生展示學生根據所學知識做的一些小項目，提高學生表達能力和自信。

（三）課后反饋機制

教師通過作業布置、章節檢測及期中測試，并對布置內容進行批改與解答，對不認真的學生讓其重做。通過學生投票及私聊等評價方式觀察哪種教學方式較好，并根據學生作業、檢測等學生學習效果來不斷改進教學。學生通過線上資源可以再次鞏固所學知識，不斷完善其學習內容。教師通過布置一定的實踐類大作業讓學生課余時間完成，可以讓學生自由組隊，給學生兩三個星期做一個小的嵌入式實踐項目，讓學生通過實踐將理論知識轉化為實踐能力，并且優秀的作品可以讓學生申報大學生創新創業項目、撰寫論文以及申報專利等，切實提高學生的綜合能力和團隊協作能力。

三、改進教學方法

（一）理論教學模式改革

根據嵌入式系統的教學目標，采用項目教學法進行課程的講解，每一個項目知識點具有一定的聯系，由簡單到復雜、由單一到綜合，前一個項目知識點作為后一個項目知識點的支撐，后一個項目知識點可以鞏固前一個項目知識點的相關內容，每一個項目具有理論知識、項目硬件電路設計、系統軟件設計、安裝及調試等內容。教師通過對身邊及現階段流行的電子產品進行項目的引入，激發學生學習的興趣及學習動力。

（二）實驗教學模式改革

在完成驗證性實驗的基礎上，進行拓展實驗，使用循序漸進的實驗教學法拓展學生思維[10]，加深學生對理論知識的理解和應用，培養學生認知和工程實踐能力。實驗拓展訓練中采用兩三個學生一組的形式，去做一個項目擴展，培養學生的團隊協作能力。同時實驗教學結合學生創新創業訓練項目、“互聯網+”大賽、安徽省電子設計大賽、安徽省單片機比賽等相關題目進行講解，采用“以賽促教，以賽促學”的教學方式。最后學生根據興趣進行自由組隊，分工合作，去查找相關資料，課程結束前完成一個完整的嵌入式系統項目，作為一個課程大作業，以此反映學生學習效果，有效培養學生創新能力和工程實踐能力。實驗項目分為驗證性、拓展性，拓展實驗中體現基礎性、綜合性、設計性和創新性4 個循序漸進的層次。拓展實驗項目如表1 所示。

表1 拓展實驗項目

四、多元考核方式

在新工科背景下，采用OBE 教學理念，對學生的學習效果應采用多元的考核方式，突出過程性考核，客觀有效地反映學生學習成果。學生學習成果主要體現在對知識的理解運用能力、分析和解決問題的能力、表達溝通的團隊協作能力以及創新能力等方面。考核方式采用平時成績、實驗成績，平時成績主要包括簽到、課程討論及作業、測驗等完成情況；實驗成績包括驗證性實驗成績和拓展性實驗成績，包括實驗報告書寫、拓展性實驗PPT 答辯等。考核方式弱化理論性考試以及對實驗報告書寫形式，強化實踐環節，其中實驗報告書寫方面減少機械式的抄寫內容，只需寫清軟硬件設計原理及設計流程即可，強化實驗調試、設計及分析過程。

五、預期效果

適應新工科背景下嵌入式系統人才培養的需求，對嵌入式課程教學進行綜合改革。打造線上資源與線下課堂混合式的優質課程，使嵌入式系統課程教學內容與時俱進，更加豐富精彩，滿足學生實踐創新能力和綜合素質的培養。通過教學改革，使教師和學生的教與學相互促進，培養適應新經濟、新產業發展的卓越工程師，全面提高畢業生的技能水平和就業競爭力。

結語

該課程主要針對本校大三電子類專業學生，在授課過程中采用線上線下混合式教學模式，并且基于OBE 理念進行課程改革，突出“學生為中心”，將教師“教”轉變為學生“學”，使學生主動參與到課程中來，不斷地提高學生積極性和主動性，將所學的理論知識應用到實踐中去。同時將工程案例、電子類比賽等引入教學環節，進一步加強學生對理論知識的學習以及提高學生的實踐技能。通過建立科學的考核評價體系，利用學生的過程性學習數據，科學、客觀地反映學生的綜合工程應用及實踐能力。最后引導學生參與大學生創新創業訓練項目、各類學科競賽等活動，激發學生學習嵌入式系統課程的興趣，有助于學生將各類研究成果轉化為專利技術和學術論文，切實提高學生的科研能力和實踐創新能力，使學生積累一定的工程實踐能力，讓學生就業及考研期間更有自信。新工科背景下嵌入式系統課程混合式教學模式構建是一個長期的過程，只有通過不斷探索才能逐步完善新工科人才培養要求，使學生適應當今電子行業的發展，為嵌入式行業培育更優秀的人才。