張 策，呂為工，柏 軍，李劍雄，初佃輝，季振洲

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）教務(wù)處；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東威海 264209）

0 引言

作為《微機原理/計算機接口技術(shù)》［1］和《計算機組成原理》的后續(xù)課程，考慮到嵌入式計算機系統(tǒng)的專用性、整體性、靈活性，以及內(nèi)容的全面性、復(fù)雜性、系統(tǒng)性、工程性，嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)難點和重點主要集中在如何提高學(xué)生對完整的、微縮的、專用的計算機系統(tǒng)認識、理解、掌握、設(shè)計、開發(fā)、實現(xiàn)的能力。

課程教學(xué)目標：掌握嵌入式系統(tǒng)基本模型、構(gòu)成與運行原理、解決具有典型嵌入式系統(tǒng)特征的計算機工程問題。經(jīng)過多年探索，課程以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和解決實際問題能力為主導(dǎo)思想，形成由理論課、實驗課、在線課堂、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實踐構(gòu)成的課程體系［2］。使學(xué)生系統(tǒng)地理解嵌入式系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握嵌入式硬件系統(tǒng)基本分析與設(shè)計方法，理解嵌入式系統(tǒng)軟件的普遍性與特殊性，建立嵌入式系統(tǒng)整體概念。

本文以嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)建過程為線索進行貫通式教學(xué)模式研究，以培養(yǎng)學(xué)生嵌入式系統(tǒng)設(shè)計能力、實踐動手能力、嵌入式系統(tǒng)分析與調(diào)試能力為核心，提高解決復(fù)雜計算機系統(tǒng)工程問題能力，從歷史到現(xiàn)實、理論到實踐和線上到線下3 個角度開展教學(xué)改革，重點對嵌入式系統(tǒng)貫通式教學(xué)模式進行研究與實踐，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣與潛能，提高學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)成效，增強解決問題能力，提升思辨與創(chuàng)新能力。

1 問題、改革渠道與創(chuàng)新

1.1 改革針對的問題

嵌入式系統(tǒng)課程知識覆蓋面廣，部分章節(jié)內(nèi)容教學(xué)與學(xué)習(xí)難度大，對動手實踐操作能力要求高，為學(xué)生掌握具有完整計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的工程項目開發(fā)能力帶來很大障礙。如從早期的單片機系統(tǒng)到嵌入式80X86 系統(tǒng)，再到各類ARM 系統(tǒng)、FPGA/CPLD，以及樹莓派等開源硬件的出現(xiàn)與迅速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的形態(tài)與開發(fā)范式不斷快速演進，為嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)帶來較大挑戰(zhàn)。與之相對應(yīng)的還有嵌入式系統(tǒng)課程更加注重培養(yǎng)學(xué)生實際動手能力，設(shè)計理論教學(xué)與實踐教學(xué)內(nèi)容，實現(xiàn)由理論到實踐的過渡與融合等。這些現(xiàn)實問題與教學(xué)困境使“滿堂灌”與“單聲道”式的傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式與方法難以提升嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)質(zhì)量與學(xué)習(xí)成效。為提升學(xué)生綜合能力，特別是解決嚴重制約培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的桎梏，必須加以改革。

1.2 改革渠道與創(chuàng)新

依據(jù)嵌入式系統(tǒng)課程知識與技術(shù)要求特點，深入研究體現(xiàn)完整嵌入式計算機系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的教學(xué)模式，從歷史到現(xiàn)實、理論到實踐、線上到線下3 個維度進行探索，把歷史到現(xiàn)實縱向的知識脈絡(luò)貫通、課堂知識教學(xué)到實驗室實踐教學(xué)緊密結(jié)合貫通，以及線上到線下混合式教學(xué)貫通結(jié)合起來，把以解決復(fù)雜工程問題的培養(yǎng)作為重要導(dǎo)向，構(gòu)建出以嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)建過程為主要線索的貫通式教學(xué)模式。

本文主要解決嵌入式系統(tǒng)教學(xué)與人才培養(yǎng)中遇到的關(guān)鍵問題，改革渠道如下：

（1）貫通實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中通用計算機系統(tǒng)與專用計算機系統(tǒng)之間的認知一致性。從歷史到現(xiàn)實視角，對課堂教學(xué)進行內(nèi)容與方法改革，進行內(nèi)容重構(gòu)以實現(xiàn)對嵌入式系統(tǒng)準確深入認知，注重教學(xué)方法運用，貫通嵌入式系統(tǒng)課程與前序計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類課程之間的差異。

（2）貫通實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中理論知識講授與實踐能力提升之間的目標一致性。從理論到實踐視角，以完整的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)建為主線，提升課堂教學(xué)的有效性和針對性。設(shè)計并開展解決真實、具體甚至是復(fù)雜的計算機專用系統(tǒng)問題的核心能力實踐活動。

（3）貫通實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中線上自主式學(xué)習(xí)與線下翻轉(zhuǎn)課堂之間的創(chuàng)新一致性。從線上到線下視角建立基于MOOC 的混合式教學(xué)模式，把以自主式學(xué)習(xí)為核心的網(wǎng)絡(luò)課堂教學(xué)，與以互動研討式學(xué)習(xí)為核心的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)有效結(jié)合，充分發(fā)揮信息技術(shù)對教學(xué)的提升作用。

2 嵌入式系統(tǒng)教學(xué)模型

嵌入式系統(tǒng)課程是一門多學(xué)科交叉的課程，包含計算機系統(tǒng)組成原理、微機原理與接口、操作系統(tǒng)、編譯技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、人機交互、軟件測試等學(xué)科領(lǐng)域的諸多知識點，授課內(nèi)容應(yīng)用性強。為更好地跟蹤嵌入式系統(tǒng)最新發(fā)展，針對計算機專業(yè)特點，進一步發(fā)揮嵌入式系統(tǒng)面向應(yīng)用的特點和優(yōu)勢，調(diào)整嵌入式系統(tǒng)教學(xué)體系和內(nèi)容，特別是對課堂教學(xué)內(nèi)容進行重構(gòu)。重構(gòu)思路是按照嵌入式系統(tǒng)與標準計算機系統(tǒng)歷史性差異，把知識傳授與嵌入式系統(tǒng)實際構(gòu)建統(tǒng)一到解決復(fù)雜工程問題方向，充分利用MOOC 教學(xué)優(yōu)勢，統(tǒng)籌線上和線下兩方面資源，實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化。

以一個功能完整的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)為例，它集成有專用的硬件與軟件業(yè)務(wù)邏輯，運行在操作系統(tǒng)之上，支持數(shù)據(jù)管理、Web 訪問功能，擁有可視圖形界面，其構(gòu)建過程如圖1 所示。

圖1 典型嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)建過程

貫通式教學(xué)模式就是以此為基礎(chǔ)規(guī)劃嵌入式系統(tǒng)教學(xué)模式，把實踐內(nèi)容有機結(jié)合在教學(xué)環(huán)境中，貫通軟件硬件開發(fā)全過程。

3 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

表1 為專用嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷史。從表1 可知，嵌入式系統(tǒng)的專用性正隨著時代的發(fā)展逐步淡化，無論是處理器、硬件、操作系統(tǒng)還是應(yīng)用軟件，都逐漸接近于個人計算機。時至今日，嵌入式系統(tǒng)除了一般只作為應(yīng)用環(huán)境而使用個人計算機作為開發(fā)環(huán)境這一點外，已經(jīng)足夠通用了。

嵌入式系統(tǒng)通用性增加、專用性減小，為嵌入式系統(tǒng)教學(xué)提供了挑戰(zhàn)和機遇。在教學(xué)中跳出嵌入式系統(tǒng)歷史局限，適應(yīng)技術(shù)進步現(xiàn)實，為社會培養(yǎng)更多適應(yīng)應(yīng)用需求的嵌入式系統(tǒng)人才，是時代賦予嵌入式系統(tǒng)課程的使命。

表1 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷史

教學(xué)中重點以多種ARM 嵌入式CPU 為樣本，剖析其功能特性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、使用方法，引導(dǎo)學(xué)生分析以“ARM CPU+嵌入式Linux 操作系統(tǒng)”為核心的嵌入式系統(tǒng)，繼而對專用嵌入式CPU 和Android 系統(tǒng)等進行理論與實驗層面教學(xué)。拓寬學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)認知，實現(xiàn)從經(jīng)典嵌入式系統(tǒng)到現(xiàn)實多種通用或?qū)Ｓ们度胧较到y(tǒng)的教學(xué)過渡。

4 嵌入式系統(tǒng)理論與實踐

嵌入式系統(tǒng)實踐環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生利用嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺及各種功能模塊搭建獨立的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，將實踐環(huán)節(jié)從單一功能實驗過渡到綜合實驗，學(xué)生從功能實驗出發(fā)完成系統(tǒng)集成，形成獨立的應(yīng)用系統(tǒng)，使學(xué)生親歷嵌入式系統(tǒng)開發(fā)全過程。

基于理論教學(xué)與實驗，形成“實驗→課程設(shè)計→校內(nèi)科技立項→競賽→科研項目→實習(xí)→畢業(yè)設(shè)計”的綜合實踐體系。除了完成校內(nèi)既定實踐教學(xué)環(huán)節(jié)外，部分學(xué)有余力的學(xué)生還可積極參加校內(nèi)科技立項，從嵌入式系統(tǒng)角度進行創(chuàng)新開發(fā)，進而凝練出有關(guān)競賽題目，獲得有競爭力的獎項。具有較強實踐動手能力的學(xué)生可加入科研項目，從事項目開發(fā)，在進一步學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上進行嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)，獲得項目開發(fā)經(jīng)歷，提升綜合能力與素養(yǎng)。多種形式的實踐活動有力提升了學(xué)生解決嵌入式系統(tǒng)工程實際問題能力。如學(xué)校定期組織開展校級科技立項，很多學(xué)生參加科技競賽，將嵌入式系統(tǒng)知識與技能拓展至更寬泛的應(yīng)用領(lǐng)域。學(xué)校的物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)研發(fā)中心每年吸納一部分學(xué)生加入科研實驗工作，參加嵌入式系統(tǒng)有關(guān)科研項目中，為提升學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力創(chuàng)造機會，如表2 所示。

表2 實驗環(huán)節(jié)內(nèi)容規(guī)劃

5 基于MOOC 的混合式教學(xué)

5.1 整體結(jié)構(gòu)

基于MOOC 的混合式教學(xué)改革［3-7］在一些課程教學(xué)中發(fā)揮了積極作用，對于提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)、分析與解決問題的思辨與創(chuàng)新能力帶來重要契機。本課程以線上線下混合式教學(xué)模式為改革方向，以翻轉(zhuǎn)課堂為課堂教學(xué)改革核心，嘗試解決當前我國高校專業(yè)核心課程如何創(chuàng)新性開展大班混合式教學(xué)問題。在前期研究［8-11］基礎(chǔ)上，線上線下混合教學(xué)模式改革按照“在線開放課程教學(xué)+啟發(fā)式教學(xué)+互動課堂教學(xué)+翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)”開展，建設(shè)內(nèi)容如圖2 所示。

圖2 展示的線上線下混合式教學(xué)模式，旨在發(fā)揮基于MOOC 的線上線下相結(jié)合的教學(xué)優(yōu)勢，有效提升嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)成效。在MOOC 平臺開展線上教學(xué)前提下，實施有針對性的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)。

5.2 參與式研討型互動課堂教學(xué)改革

課堂教學(xué)仍以教師講授為主。由于學(xué)生已通過MOOC完成了預(yù)習(xí)性學(xué)習(xí)，因此課堂上可對教學(xué)內(nèi)容進行重構(gòu)。

嵌入式系統(tǒng)課堂教學(xué)改革如圖3 所示。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)穿插在整個教學(xué)過程中，整體上是部分翻轉(zhuǎn)（部分學(xué)時進行翻轉(zhuǎn)）。翻轉(zhuǎn)課堂主要通過“雨課堂”形式（A 形式）和生生間與師生間互動研討形式（B 形式）進行。在絕大部分課堂教學(xué)中采用“雨課堂”形式開展測驗，學(xué)生采用手機提交答案，教師據(jù)此進行有針對性的講解，這是一種全員參與但師生互動性較低的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)。在課程教學(xué)中后期，學(xué)生已經(jīng)初步具有嵌入式系統(tǒng)知識與實踐基礎(chǔ)，教師組織若干次翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)。這種方式中，學(xué)生以分組形式登上講臺進行學(xué)習(xí)成果匯報，教師組織臺上組間、臺上臺下組間的研討，教師也參與其中，這是一種部分學(xué)生參與但師生互動性較高的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)。

圖2 混合式教學(xué)模式（參與式研討型互動教學(xué)改革內(nèi)容構(gòu)成）

圖3 嵌入式系統(tǒng)課程課堂教學(xué)改革

可以看出，嵌入式系統(tǒng)課程課堂教學(xué)改革以傳統(tǒng)教師啟發(fā)式講授為主，以信息技術(shù)運用為輔，以參與式教學(xué)為要點，以思辨創(chuàng)新能力提升為內(nèi)涵。

自2017 年至今，基于筆者自建的《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實踐》MOOC 已經(jīng)開展了3 個周期的混合式教學(xué)改革。課前組織學(xué)生登錄MOOC 平臺進行自主學(xué)習(xí)，課上在開展常規(guī)教學(xué)的同時應(yīng)用“雨課堂”開展參與式教學(xué)，并拿出部分學(xué)時開展翻轉(zhuǎn)課堂研討型教學(xué)，形成線上線下混合式教學(xué)模式。

從實踐成效來看，學(xué)生的學(xué)習(xí)思路得到了開拓，學(xué)習(xí)視野得到了提高，學(xué)習(xí)方式得到了轉(zhuǎn)變，直接帶動自主性學(xué)習(xí)能力、探索與鉆研能力提升，提高了實踐動手能力與解決問題的創(chuàng)新能力。目前，從3 個維度進行全面改革的實踐不多，嵌入式系統(tǒng)貫通式教學(xué)模式改革具有一定的啟發(fā)性、創(chuàng)新性，可為同類課程改革提供參考與借鑒。

6 結(jié)語

重構(gòu)課程教學(xué)體系與內(nèi)容，創(chuàng)新實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)與計算機專業(yè)核心課程的有效融通，提高專用計算機系統(tǒng)的深入認知；貫通課程教學(xué)與實踐教學(xué)之間的屏障，做到理論與實踐相互支撐，實現(xiàn)課堂教學(xué)對實踐的指導(dǎo)，實踐對理論知識的鞏固強化，提高解決復(fù)雜計算機系統(tǒng)工程問題能力；構(gòu)建基于MOOC 的線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)模式，以智慧教學(xué)輔助工具有效驅(qū)動翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，提高學(xué)生認知、分析與創(chuàng)新思辨能力。本文通過課堂教學(xué)內(nèi)容與方法的重構(gòu)與改革，形成歷史到現(xiàn)實、理論到實踐、線上到線下3 個維度的貫通，特別是結(jié)合線上與線下優(yōu)質(zhì)資源與方法，提高學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)理論知識的認識與掌握，通過實驗與課程設(shè)計等環(huán)節(jié)有針對性地改革，提高學(xué)生設(shè)計與開發(fā)完整的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)能力，為最終培養(yǎng)具有系統(tǒng)思維與解決復(fù)雜工程問題的卓越工程人才奠定堅實基礎(chǔ)。