張婧婧，李勇偉，王 磊，徐 靜

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，新疆 烏魯木齊；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

0 引 言

在新工科的教育改革背景下，催生了各高校工科理論體系的本土化改進(jìn)策略，即以新興技術(shù)的引領(lǐng)性、實(shí)踐創(chuàng)新的驅(qū)動性為主導(dǎo)，秉持著學(xué)科門類的跨界整合、衍生、創(chuàng)新、協(xié)同育人的理念，開展多元化的教學(xué)實(shí)踐與探索[1]。在新教育生態(tài)的培養(yǎng)模式中，工科課程的集群建設(shè)越來越被關(guān)注，而基于關(guān)聯(lián)性的課程群建設(shè)一定程度地衍生出多元化的教學(xué)模式，進(jìn)而啟動工科課程新一輪自適應(yīng)、自診改的教育教學(xué)改革。

嵌入式技術(shù)類課程在工科課程體系中實(shí)踐性較強(qiáng)，涉及的學(xué)科門類較多[2]，其學(xué)科動態(tài)、前沿技術(shù)與戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)聯(lián)系緊密，在教學(xué)、實(shí)踐中易于有的放矢。嵌入式技術(shù)在學(xué)科上屬于電子信息大類，其教學(xué)體系涉及的相關(guān)課程及技術(shù)廣泛，硬件部分包括模擬電路設(shè)計(jì)、數(shù)字電路設(shè)計(jì)、電磁場與電磁波理論、PCB 板設(shè)計(jì)、傳感器采集技術(shù)等；軟件部分包括Linux 系統(tǒng)的基本應(yīng)用、Linux 的常用命令、C 語言編程基礎(chǔ)、常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等；在各高校工科專業(yè)學(xué)程中，應(yīng)用較為普遍的廣義嵌入式開發(fā)系統(tǒng)包括51 系列單片機(jī)、ARM 架構(gòu)的處理器、FPGA 開發(fā)系統(tǒng)、Arduino 開發(fā)平臺、樹莓派開發(fā)平臺等。整合現(xiàn)有的嵌入式教學(xué)資源，完成其課程體系的集群改革既能與新工科建設(shè)目標(biāo)相互呼應(yīng)，也是新一輪教學(xué)改革的有益嘗試。

1 課程群改革的布局

在新工科教育改革背景下，嵌入式技術(shù)課程門類的改革建立在多范式、多策略的基礎(chǔ)之上，以教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新、教學(xué)模式的突破、實(shí)踐層次的關(guān)聯(lián)為主導(dǎo)，根據(jù)不同課程的特點(diǎn)，展開課程群的教學(xué)改革與探索，具體改革的布局如圖1 所示。

圖1 嵌入式技術(shù)課程教學(xué)體系改革的布局

以硬件原型的C 語言教學(xué)、數(shù)字電路的混合式教學(xué)、單片機(jī)原理與傳感器技術(shù)的綜合案例教學(xué)為實(shí)例，嵌入式技術(shù)課程群的系列改革方案與相應(yīng)的實(shí)施策略如下。

2 硬件原型的C語言教學(xué)

C 語言是一門通用、面向過程的程序設(shè)計(jì)語言。對不同專業(yè)的學(xué)習(xí)者而言，C 語言學(xué)習(xí)中面臨的困境表現(xiàn)不一，較為突出的問題如：掌握標(biāo)準(zhǔn)C 語言教材的知識點(diǎn)后，學(xué)習(xí)者仍不能有效運(yùn)用其編程。在C 語言學(xué)習(xí)的知行合一方面，教學(xué)設(shè)計(jì)者們進(jìn)行了各類探索與實(shí)踐[3-7]，對電子技術(shù)專業(yè)的C 語言教學(xué)者而言，為其還原真實(shí)的應(yīng)用場景，定制基于硬件原型的C 語言教學(xué)內(nèi)容屬于該課程改革的創(chuàng)新與嘗試[8]。

在嵌入式技術(shù)類課程中，基于C 語言的開發(fā)平臺包括51 系列單片機(jī)、ARM 架構(gòu)的處理器、Arduino 開發(fā)板等，其中單片機(jī)運(yùn)用的keil C 程序設(shè)計(jì)最具代表性。以單片機(jī)的程控原型為基礎(chǔ)，展開C 語言各類知識點(diǎn)的理論與實(shí)踐教學(xué)，與標(biāo)準(zhǔn)C 語言教學(xué)內(nèi)容相比，更適于專業(yè)學(xué)習(xí)者的實(shí)踐與體驗(yàn)。

在單片機(jī)開發(fā)的原型案例中，對C 語言相應(yīng)知識結(jié)構(gòu)的梳理和劃分見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)C 語言與KEIL C 的知識結(jié)構(gòu)比較

由表1 可知，標(biāo)準(zhǔn)C 語言與KEIL C 在知識分布上較為接近。在程序設(shè)計(jì)方面，硬件原型設(shè)計(jì)更為具體，計(jì)算的復(fù)雜度更低。就嵌入式技術(shù)的C 語言課程教學(xué)設(shè)計(jì)而言，借助PROTEUS 仿真軟件，進(jìn)行KEIL C 語言程序設(shè)計(jì)的情景化與趣味性更強(qiáng)，其教學(xué)過程亦更為生動、形象。此外在通識課程中接觸專業(yè)基礎(chǔ)知識，對專業(yè)學(xué)習(xí)者后續(xù)課程的學(xué)習(xí)及知識的鞏固將產(chǎn)生積極影響。

在硬件原型的C 語言課教學(xué)中，為了防止硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜而導(dǎo)致語言類課程本末倒置的現(xiàn)象，在課程案例的精選、教學(xué)內(nèi)容的拼接、教學(xué)材料的整合方面，均需要做好充分的準(zhǔn)備。除授課自編的教材外，教學(xué)設(shè)計(jì)者還需儲備程序模板以屏蔽硬件設(shè)計(jì)的干擾，同時整合KEIL C 的常見指令集，便于學(xué)習(xí)者查閱。此外，針對KEIL C 編譯器的使用及PROTEUS 仿真軟件的運(yùn)行編寫基本操作指南，利于解決學(xué)習(xí)者實(shí)驗(yàn)過程中常見的操作難題。基于此，硬件原型的C 語言課程展開了試點(diǎn)，其教學(xué)過程產(chǎn)生的影響還需數(shù)據(jù)分析與觀察，但已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對專業(yè)學(xué)習(xí)者而言，該教學(xué)范式比標(biāo)準(zhǔn)C 語言課程更具吸引力。

3 混合模式的數(shù)字電路課程教學(xué)

嵌入式技術(shù)類課程對學(xué)習(xí)者硬件電路的設(shè)計(jì)與分析能力要求較高。在理論抽象、邏輯復(fù)雜的電路基礎(chǔ)課程教學(xué)中，課堂的授課一貫缺乏有效手段。基于“后MOOC 時代”的本土化策略，定制與電路基礎(chǔ)類課程相適應(yīng)的混合式教學(xué)模式，是目前新工科課程改革的研究熱點(diǎn)之一[9]。

嵌入式技術(shù)的電路基礎(chǔ)主要包括模擬電路、數(shù)字電路、電磁場與電磁波等理論，其與嵌入式開發(fā)平臺如51 系列單片機(jī)、ARM 處理器、Arduino 開發(fā)板的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)相輔相成。該類課程體系規(guī)劃中，對學(xué)習(xí)者實(shí)踐能力的要求較高，以致逐漸稀釋或弱化了課堂的教學(xué)權(quán)威。為此，探索新型的“項(xiàng)目驅(qū)動+MOOC 教學(xué)+翻轉(zhuǎn)課堂+綜合設(shè)計(jì)”混合教學(xué)模式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)者在嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)領(lǐng)域的能力貫通，以促進(jìn)該類課程教學(xué)體系進(jìn)一步地完善。

數(shù)字電路是我院首輪MOOC 本土化教學(xué)的試點(diǎn)課程之一，在課程的線上、線下教學(xué)模式中，教學(xué)的前端設(shè)計(jì)[10]以項(xiàng)目驅(qū)動形式展開，即以課程知識模塊劃分為依據(jù)，進(jìn)行項(xiàng)目式教學(xué)的內(nèi)容設(shè)計(jì)，并通過知識點(diǎn)的梳理、電路模塊的拼接，實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路教學(xué)內(nèi)容由淺入深地推進(jìn)效果；其次通過整合教學(xué)資源（如教學(xué)視頻、在線測試題、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、項(xiàng)目說明等），安排學(xué)習(xí)的進(jìn)度與設(shè)置時間節(jié)點(diǎn)，展開MOOC 的線上教學(xué)；與此同時，通過線下習(xí)題課、答疑課等翻轉(zhuǎn)課堂形式，幫助學(xué)生進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、邏輯推理及錯誤分析；最后對提交的課程報(bào)告定期評價、過程驗(yàn)收等。就教學(xué)過程的完整性而言，以MOOC 平臺定制、實(shí)施的電路基礎(chǔ)課程更易于形成課程教學(xué)的閉環(huán)模式；多數(shù)學(xué)生在混合教學(xué)形式中呈現(xiàn)的學(xué)習(xí)自主性和角色轉(zhuǎn)換效果較之傳統(tǒng)課堂教學(xué)更為顯著?；贛OOC 的數(shù)字電路課程部分教學(xué)內(nèi)容展示見表2。

表2 基于MOOC 的數(shù)字電路課程部分教學(xué)內(nèi)容展示

表2 中，基于MOOC 平臺的數(shù)字電路課程教學(xué)與項(xiàng)目設(shè)計(jì)已運(yùn)行了數(shù)輪，課程組在視頻課程的資源整合及教學(xué)設(shè)計(jì)方面積累了一定實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。學(xué)習(xí)者通過反復(fù)觀看教學(xué)視頻，定期線上測試，展開線下實(shí)驗(yàn)及綜合項(xiàng)目設(shè)計(jì)，并利用翻轉(zhuǎn)課堂答疑解惑等形式，逐漸轉(zhuǎn)換學(xué)習(xí)角色，在自主性學(xué)習(xí)模式中穩(wěn)步提升其邏輯分析與電路設(shè)計(jì)的能力。

4 單片機(jī)原理與傳感器技術(shù)的綜合案例教學(xué)

單片機(jī)原理課程圍繞51 系列單片機(jī)的程控設(shè)計(jì)展開教學(xué)，通過微控制器的核心處理技術(shù)與基礎(chǔ)知識模塊、輸入輸出模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、信號與算法模塊、I/O 擴(kuò)展模塊、機(jī)電控制模塊等建立關(guān)聯(lián)，構(gòu)建課程的知識體系[11]。作為嵌入式系統(tǒng)的底層開發(fā)工具，單片機(jī)的程控技術(shù)及擴(kuò)展方式較為靈活，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，因此其課程教學(xué)的案例資源豐富，且不同程度地與相關(guān)課程知識形成交叉，其中與傳感器技術(shù)課程的銜接最為典型。

在傳感器技術(shù)課程的教學(xué)中，通常以各類傳感器密集的應(yīng)用技術(shù)為主線，通過解決傳感器的數(shù)據(jù)測量及誤差處理、數(shù)據(jù)標(biāo)定和校準(zhǔn)、工程檢測與系統(tǒng)集成等問題展開教學(xué)，課程學(xué)習(xí)中涉及電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、生物學(xué)等多學(xué)科知識[12]。在嵌入式課程體系中，該課程教學(xué)定位于智能系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分，通常布置于課程體系的前端。

以單片機(jī)原理與傳感器技術(shù)課程在實(shí)踐教學(xué)中的關(guān)聯(lián)為基礎(chǔ)，進(jìn)行兩門課程的綜合案例開發(fā)，易于強(qiáng)化嵌入式主干課程的統(tǒng)一與延續(xù)，實(shí)現(xiàn)智能系統(tǒng)的前端采集與過程控制的教學(xué)銜接。

綜合案例庫的建設(shè)以兩門課程的知識結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，以鞏固和衍生原有課程體系為前提，因此對原有案例資源的改進(jìn)或加工即為綜合案例庫建設(shè)的主要手段。通過梳理單片機(jī)原理與傳感器技術(shù)課程的知識模塊，基于不同類型傳感器的功能，以工程應(yīng)用為主要目標(biāo)，建設(shè)綜合案例庫參考的項(xiàng)目見表3。

表3 綜合案例項(xiàng)目

表3 中，基于兩門課程原有的案例素材，加工或改編成綜合案例庫將有助于拓展嵌入式課程的知識體系，且將原有課程資源改編成為綜合案例素材，在教學(xué)中還容易實(shí)現(xiàn)舉一反三的效果。在綜合案例建設(shè)與實(shí)施過程中，需注重結(jié)合特定教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行知識遷移或拓展，并合理穿插在兩門課程中，才能促成綜合案例教學(xué)與前期課程知識的關(guān)聯(lián)與統(tǒng)一。

5 結(jié) 語

與傳統(tǒng)的課堂授課模式相比，我院工科課程改革在教學(xué)內(nèi)容、授課形式、實(shí)踐拓展方面表現(xiàn)了很大的差異。在以硬件原型的語言類課程教學(xué)為基礎(chǔ)，以電路設(shè)計(jì)類課程的混合式教學(xué)為進(jìn)階，以主干課程群的綜合案例開發(fā)為體系延伸的策略下，學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新思維、自主學(xué)習(xí)能力甚至嵌入式設(shè)計(jì)綜合素養(yǎng)有了明顯的提升。在每年招收一個電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)班的條件下，2015 年我院學(xué)生獲得全國電子設(shè)計(jì)大賽國家二等獎1 項(xiàng)，自治區(qū)一等獎1 項(xiàng)，自治區(qū)二等獎3 項(xiàng)，自治區(qū)三等獎1 項(xiàng)；2017 年獲得第七屆中國教育機(jī)器人大賽一等獎2 項(xiàng)，二等獎2 項(xiàng)，三等獎1項(xiàng)；2018 年獲得第八屆中國教育機(jī)器人大賽特等獎1 項(xiàng)，一等獎1 項(xiàng)，二等獎3 項(xiàng)。通過加固專業(yè)基礎(chǔ)，優(yōu)化教學(xué)模式、強(qiáng)化實(shí)踐的關(guān)聯(lián)性，我院嵌入式技術(shù)課程群的教學(xué)改革與探索將向著更為高效、更具特色、更符合綜合應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)的方向繼續(xù)前行。