“ARM體系架構與編程”課程教學改革探索與實踐

摘 要：新疆農業大學計算機與信息工程學院物聯網工程專業于2020年入選省級一流本科專業建設點，“ARM體系架構與編程”是該專業的一門專業拓展類課程，課程在該專業的培養計劃中，起著承上啟下的重要作用。本文首先根據課程的特點，分析了目前課程教學過程中存在的問題，結合一流本科專業的建設目標，針對具體存在的一系列問題，提出了課程改革的思路和具體實施措施，包括教學模式改革、多元化考核機制兩個方面，為高校物聯網工程一流本科專業相關課程的教學改革提供一定參考和借鑒。

關鍵詞：物聯網工程；一流本科課程；教學改革；教學模式；多元化；考核機制

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）02-0-04

0 引 言

教育部辦公廳在《關于實施一流本科專業建設“雙萬計劃”的通知》中提到，計劃在2019—2021年建設萬門左右國家級一流本科專業點和萬門左右省級一流本科專業點[1-2]。“雙萬計劃”是高校本科專業建設與發展的重要機遇，是新時代我國高等教育改革的重要抓手[1]，新疆農業大學物聯網工程等7個專業于2020年入選新疆維吾爾自治區省級一流專業建設點。

“ARM體系架構與編程”是物聯網工程專業的一門專業拓展類課程，課程以STM32F407系列開發板為例，主要講授ARM嵌入式系統涉及的理論知識、STM32處理器的功能特點、工作原理、硬件資源、常用外設包括GPIO、中斷、串口、定時器以及其他基本外設接口的程序設計方法，嵌入式系統設計方法等內容，具有較強的理論性和實踐性，是基礎課程的綜合應用類課程。同時又是連接基礎課程與相關嵌入式類專業課程的橋梁，對于后續的實時操作系統、專業實習和畢業設計等的學習有著重要的作用。另外，隨著“物聯網+”時代的到來，ARM嵌入式系統在智慧農業、智慧交通、機器人等現實場景中應用日益廣泛。因此，分析研究該課程當前存在的問題，推進課程的教學改革，對于實現一流本科課程的建設目標有著重要的意義。

1 課程特點與當前存在的不足

“ARM體系結構與編程”是一門既與硬件芯片相關又與軟件關系緊密的課程。課程圍繞目前流行的Cortex-M4 32位ARM處理器的架構與外設進行講解，介紹了ARM處理器的架構演進過程和GPIO、NVIC、UART、ADC等常用外設的使用及編程方法。課程融合了嵌入式軟件設計和硬件設計的思想，使學生了解現代處理器的內部構成和編程技巧，為學生今后從事物聯網工程相關領域的開發、嵌入式系統研究與開發打下堅實的基礎。目前教學中存在的不足主要表現在以下幾個方面。

1.1 教學模式存在的問題

長期以來，該課程主要采用以課堂教學為主，實驗教學為輔的教學模式[3]。ARM體系架構與編程課程是一門軟硬件結合的課程，授課教師在課堂上進行理論知識的講授和演示，學生在實驗課上具體操作，但僅憑課堂的演示很難掌握具體的硬件操作和調試方法，普遍存在“一看就會，一做就廢”的情況。這種情況導致在實驗課上狀況百出，教師的時間和精力大都集中在糾錯環節，學生也體會不到實驗項目帶來的成就感，最終導致學生對課程的認同感和學習興趣較低。

該課程的學習對于學生參加各類大賽，如全國大學生物聯網設計競賽、全國大學生電子設計競賽等都具有重要的作用，而學生參加該類大賽對于其專業能力、實踐能力的提升也有著積極的促進作用[4]。但是這門課程的開課學期一般設在第六學期，即春季學期，課程學習結束后學生進入大四年級，這段時間學生開始實習和畢業設計，導致學生沒有足夠的時間和精力參加這類比賽，而大三、大二年級可以參賽的學生又沒有學過這門課程，需要教師在賽前突擊講授相關知識，但是學生在短時間內并不能熟練掌握，給參賽造成很大影響。

1.2 考核方式難以反映學生對知識的掌握程度

在傳統教學過程中，完全根據教學大綱進行理論考試，考試內容比較固定和單一，學生通過突擊和死記硬背也能通過考試，完全忽略了對學生實操能力的考評，這與“新工科”人才培養目標相悖。因此，課程考核計劃第一次調整后，考核方式以實驗項目和課程設計為主。但這種注重實操能力而忽略對理論知識考評的考核方式，重實踐輕理論，忽略了知識的系統性，依然不能準確反映學生對知識的掌握程度。

2 課程改革與實踐

2.1 教學模式改革

2.1.1 基于SPOC的混合式教學

SPOC是一種規模較小的具有限制性的在線課程教學模式，其針對傳統課堂教學模式存在的問題，主張將線上學習和面授課程學習相結合，將學習過程分為課前、課上和課中三個階段，從而彌補了大規模開放在線課程（MOOC）的不足，有人將其稱為“后慕課時代”[5-7]。利用該模式，授課教師可以更加靈活地選擇視頻等教學資源，例如可以不將所有MOOC課程的內容作為教學資源，而是按需選擇部分內容作為課程的教學資源，逐漸過渡到有選擇性地側重一些重點、難點問題的教學方式[3， 8-9]。同時，授課教師還可以根據教學計劃和大綱內容進行“查缺補漏”，選擇性地錄制一些教學短視頻作為課程資源的補充，幫助學生更好地理解和完成課后內容。

在SPOC教學模式中，任課教師要意識到網絡教學平臺只是一個傳授知識的載體，鞏固教學效果和掌握教學節奏的關鍵仍然是課堂授課[8-9]，這就意味著線下課堂和線上平臺相輔相成、密不可分。

基于SOPC的混合式教學模式將在線課堂與線下課堂緊密結合，有利于構建更具個性、更加開放的教學環境，擺脫傳統課堂對教學空間、時間和內容的限制，有助于實現高校教學工作的創新和轉變[6]。研究表明，在SPOC教學模式中，學生的學習態度更積極、對教學滿意度較高[8]。

2.1.2 “SPOC+項目驅動”的教學模式構建

本課程基于SPOC，以項目為驅動展開線上線下混合式教學，教學模式主框架如圖1所示。

教學過程主要分為四個環節，分別是線上平臺、線下課堂、實驗訓練和過程化考核，均圍繞項目內容展開。這種教學模式以項目實訓為核心，以提升學生興趣、培養學生解決問題的實踐能力為目標，使得授課教師教的方向和學生學的方向更加明確，不論是“教”還是“學”都能更有針對性和目的性，從而達到更好的教學效果[3]。

本課程線上教學依托新疆農業大學MOOC平臺設計完成。該部分主要內容包括教學視頻，知識庫、項目（包括課程設計）要求及模板，這些內容按照教學計劃安排，每周日固定時間在平臺上發布本周的學習任務，方便學生提前預習本周學習內容，了解項目要求，提前做好課堂準備。課程平臺結合課程教學大綱和教學計劃，在線提供與課程相關的優質學習資料，包括視頻、文檔、知識庫等，方便學生學習[10]。

（1）MOOC視頻

在視頻內容方面，相關課程均選擇國內知名大學的嵌入式系統教學視頻，視頻內容超出教學大綱的部分，作為選修內容，學有余力的學生可以自行選擇學習。學生掌握了必修部分的內容后，就可以完成每周理論知識測驗。同時，針對每周項目內容，課程組教師可以根據需要錄制視頻，幫助學生更好地理解和完成項目。

（2）技術文檔

在課程平臺上分享課程相關的參考書目、芯片用戶手冊、數據手冊等技術文檔的電子版，方便學生下載查閱。

（3）知識庫

該部分圍繞本周教學內容設計，課程組教師設計課程知識庫，類型包含選擇（單選、多選）、判斷和填空三種題型，每周測驗從對應教學周內容的知識庫中抽取，每道題只有一次答題機會，由系統實時判分，方便學生及時了解自己對于知識的掌握情況，學生按照錯題知識點進行針對性復習。這種方式不僅有助于學生及時查缺補漏，還可以幫助教師及時、有效地了解學生對課程內容的掌握情況。

（4）項目和課程設計

本課程根據教學大綱內容設計了每周的項目內容和最后的課程設計。每周線上內容的最后一個單元是項目（課程設計在課程的最后一個教學周），平臺提供項目相關的說明、指導書、報告模板等資料。學生在課前通過預習可以明確本周任務，帶著問題和任務進入課堂，對聽課效果和對知識點的理解和掌握都有很大益處。在實驗課上或課下完成相關項目，并在時間節點之前在線提交項目報告[3]，

這對于督促學生按時完成項目，培養守時的學習習慣有著積極作用。課程設計在課程的最后進行，這是一個綜合性的物聯網項目，難度大于平時的項目，該項目有助于對學生綜合能力的考察。

線下課堂分為理論和實驗兩部分，理論課根據教學計劃結合線上材料展開項目驅動式教學活動，注重知識點的理解和應用；實驗課是以直播方式進行實踐演示為主的教學，采用騰訊會議、釘釘直播的方式完成[10]，是對理論課堂教學的增量補充。

2.1.3 項目驅動式教學方法

如圖1所示，“項目”貫穿整個教學過程，線上平臺設置項目指導書、擴展視頻等內容，學生通過提前預習，了解教學周的教學內容和任務要求；課堂教學環節圍繞項目涉及的知識點展開，講解相關內容，學生帶著問題和目的參與課堂活動，完成“解惑”過程；實驗課上，由學生根據項目要求完成具體的項目，課上沒有解決的難點問題可以返回線上平臺復習或者請教實驗教師；過程化考核重點考核學生的項目完成度和相關知識點掌握情況，占比為30%，可有效督促學生認真完成每一個項目，積累實踐經驗。

項目驅動式教學方法改變了以往教學和實踐脫離的授課形式，通過考核“倒逼”的方法提高了學生的學習積極性。

2.1.4 開課時間調整

研究分析本專業培養方案發現，在第五學期之前，“計算機語言”“模擬電路”“數字電路”等與本課程相關的前續課程學生已經學習過，在第五學期開設該課程完全可行。因此對該課程的開課學期進行了調整，便于學生為參加大賽和畢業設計提前做好知識儲備。

2.2 建立合理的課程考核機制

本課程教學以過程考核為主，課程考核具體見表1所列。

考核共由5個考核項構成。小測驗和期末考試以理論知識考核為主，為項目和課程設計的完成打下堅實的理論基礎。項目和課程設計的完成和理解情況是重點考核內容，除了完成相應的內容和報告外，還需要完成項目答辯環節。項目內容圍繞每周的教學內容設計，課程設計是一個綜合性項目，一般在課程結束一周內完成，學生可以自選題目，也可以選擇課程組教師設計的題目。答辯需要學生講解本項目涉及的知識點、實現思路及方法等，從而保證學生將理論與實踐相結合。課程設計考核方式中增加了錄制視頻環節，要求錄制3～5 min的項目講解視頻，培養學生獨立思考、解決具體問題的能力。多元化的考核評價體系避免了以往純理論或者重實驗輕理論的考核方式，更能保證評價的科學性和合理性，充分發揮學生的主觀能動性，提升課程質量和教學效果。

3 結 語

本文在省級一流本科專業建設背景下，分析了物聯網工程專業“ARM體系架構與編程”課程存在的問題，從教學模式和考核方式兩個方面介紹了課程改革的方法和實踐過程。

基于SPOC+項目驅動的混合式教學有助于學生課前更好地了解學習內容、帶著問題進課堂、課后及時復習，較大程度提升學生的學習興趣，活躍課堂學習氛圍，提高教學質量。多元化的考核方式能夠幫助教師更有效地了解學生對課程知識的掌握程度，及時調整教學內容，促使教師及時督促學生查缺補漏。本文的研究內容對于一流本科課程建設背景下的課程教學模式和考核模式的改革有一定的參考價值。

注：本文通訊作者為靳晟。

參考文獻

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