基于翻转课堂与MOOC的嵌入式软件工程实践教学研究

王冠军, 周　勇, 江海峰, 赵　莹, 李向群

(中国矿业大学 计算机科学与技术学院, 江苏 徐州　221116)



基于翻转课堂与MOOC的嵌入式软件工程实践教学研究

王冠军, 周勇, 江海峰, 赵莹, 李向群

(中国矿业大学 计算机科学与技术学院, 江苏 徐州221116)

分析了目前嵌入式软件工程实践课程中存在的问题及原因,提出该课程实验教学中采用翻转课堂与MOOC相结合的教学形式和教学手段。对其中的实践教学环节改革提出了新的构想,并利用Android+Arduino的教学形式加以实践。结果表明,该改革措施可以激发学生的学习兴趣,促进学生对理论知识的掌握与理解,并提高学生的实践和创新能力培养。

Android + Arduino； 翻转课堂； MOOC

“卓越工程师教育培养计划”是贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》和《国家中长期人才发展规划纲要》的重大改革项目,也是促进我国由工程教育大国迈向工程教育强国的重大举措,旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才。加强培养学生实践能力和创新能力的工程实践[1-2],注重综合性、包容性,更加注重选择性, 促进学生的知识、能力、素质综合协调发展[3-4],是一项亟待解决的课题。

1　嵌入式软件工程国内外发展现状与前景

嵌入式软件工程课程是信息技术行业的核心课程,在国外信息类人才培养中尤其得到重视[5-6]。目前嵌入式软件市场的规模剧增,已形成了一个充满商机的巨大产业,并且成为整个软件业的发展支柱。在家电、手机、各种数码产品等都向智能化方向发展的今天,嵌入式技术越来越成为当前最热门、最具发展前景的IT应用领域,吸引了越来越多的工程师投入到这一行业。

(1) “嵌入式软件工程实践”课程可通过各种移动终端实现学生与教师随时随地的沟通与交流，有效地解决课堂教学学时不足与沟通不畅的问题。

(2) 允许学生自定步调地选择自己感兴趣的课题进行开发,特别是对于开发中的重点与难点。

(3) 项目开发成果的应用可以使项目开发过程变得生动有趣,学生可利用学习平台迅速了解实验环境、开发环境和关键环节编程提示。

(4) 此课程改革实施可使教师有更多的时间解答学生的疑问,做到个性化辅导。

嵌入式软件方面人才的职业发展前途光明。“大众创业、万众创新”,如果想创业开发自主知识产权产品,嵌入式软件开发是非常好的切入点。Phillip Torrone 大胆地预测Google 将用 Android+Arduino的形式掀起自已的“Kinect模式”浪潮。硬件领域基于Arduino的开发方兴未艾,软件领域基于Android的开发也是如火如荼。嵌入式软件开发对学生的发展与未来工作晋升能都发挥至关重要的作用。

2　嵌入式软件工程实践教学改革与探讨

针对传统教学模式和手段存在的弊端,结合研究型大学卓越工程师培养目标和课程特点,参考了流行的实践教学方法[7-9],提出了具体的课程实践方法与思路。实验教学中采用翻转课堂与MOOC相结合[10-11]的教学形式和教学手段。翻转课堂是运用现代技术实现知识传授与知识内化的颠倒教学模式,是一种师生互动、激发学习兴趣的有力手段,真正体现“以学生为中心”的教育理念。将MOOC资源与翻转课堂有机结合应用到实践类课程中,可以取得良好的教学效果。在此基础上利用Arduino+Android的形式进行课程实践,提高学生的学习主动性、增强学生的动手能力、培养学生的创新意识和创新能力,使得学生能够独立地进行项目开发和编程。

2.1实验改革内容

采用基于翻转课堂与MOOC嵌入式学习平台的形式呈现,使学生掌握嵌入式开发的核心内容,并辅以相应的学习资源、课后研讨以及在线交互等后续支持服务。首先利用嵌入式系统设计与应用、单片机应用与设计、微机原理与接口等嵌入式类课程群进行知识讲解,然后在实践课中进行选题的讲解与分析,与学生研讨选题后进行开发过程的跟踪管理,及时与学生进行课题研讨与改进,最后将成果进行演示与应用,最终完成课题的开发过程。

2.1.1课程相关资料收集

(1) 研究了近几年嵌入式软件工程实践发展的国内外动态,把握课程发展的动向；

(2) 研究了嵌入式软件课程设计的相关理论与方法[12]；

(3) 研究了翻转课堂理论与实践方法；

(4) 研究学生的知识获取途径与兴趣点；

(5) 研究适合嵌入式类课程的课程知识体系；

(6) 研究和建构高效课程设计实践模式[13]。

2.1.2课程设计项目开展

(1) 研究借鉴嵌入式软件工程理论与方法；

(2) 研究嵌入式开发项目的选题与组织；

(3) 研究嵌入式开发流程管理技术；

(4) 设计制作相关MOOC资源。

2.1.3研讨反馈

(1) 研究微学习平台上关于本课程实践项目的相关反馈与建议；

(2) 研究和了解学生使用本系统进行实际应用过程中遇到的问题和建议；

(3) 研究同行和各种研讨会上关于本课程的总结与改进建议。

2.1.4课程项目应用

(1) 研究嵌入式开发系统的应用媒介；

(2) 研究嵌入式项目应用推广的方法和技巧；

(3) 研究和提高课程实践成果应用的广度和深度。

2.2实施方案

2.2.1第一步:调研考察阶段

主要调研了高校“嵌入式软件工程实践”课程的组织实施情况,进行课程改革的前期资料收集工作。掌握嵌入式软件工程实践改革的前沿动态与最新进展。做好课程实施的前期准备工作,包括视频资料准备、开发环境与开发工具准备以及课程设计题目的构思与选取。例如推荐学生使用图1套件和图2的开发板进行嵌入式系统的开发工作。

图1　Arduino开发套件

图2　ARM开发板

2.2.2第二步:嵌入式系统开发阶段

学员通过微视频进行课程知识学习,利用翻转课堂与教师进行讨论研讨。课题组成员依据讨论结果与前期的资料储备进行嵌入式系统开发工作。教师给出相应的选题,示例如下:

(1) 多旋翼自主飞行器项目；

(2) 基于Arduino的移动气象站小车制作；

(3) 超声波小车避障系统；

(4) 基于Arduino的智能巡逻小车制作；

(5) 基于Arduino监考助手小车设计与实现；

(6) 基于Arduino+Android的创新系统设计；

(7) 基于Android的智能遥控小车系统；

(8) 捡乒乓球机器人小车制作；

(9) 基于FPGA的多功能信号发生器设计；

(10) 基于Android手机语音和Arduino控制板的智能机器人设计。

学生在调研基础上结合自身实际进行选题(题目不限于上述范围),在此基础上按软件工程开发方法进行开发,开发完成后进行检查评定。

2.2.3第三步:研讨反馈阶段

将开发完成的系统在课程微学习平台上进行小范围的试用,邀请学生对所开发系统的各个方面进行反馈。根据线上的点击量、投票数量、收藏数量、分享数量、讨论热度等掌握开发系统的不足。根据反馈结果举行师生研讨,在系统的功能、可扩展性、可移植性、易操作性等方面进行总结,确定进一步的修改方向和内容。

2.2.4第四步:总结应用阶段

将最后确定的系统发布在本课程的微学习网站上并在实际教学中不断地丰富和完善。课程实施的流程如图3所示。

图3　课程实施流程图

3　实验改革效果

本文所讲述的教学改革方法,已在电子科学与技术专业在校学生及校内热爱嵌入式系统设计学生的“嵌入式软件工程实践”实验教学中实践一年,这些措施很受学生欢迎,学生在实验教学环节表现出浓厚的兴趣,学习的积极性和主动性明显高于往届学生。改革取得的成果主要有:获全国电子设计竞赛二等奖、全国机器人大赛一等奖、2015中国工程机器人大赛一等奖、“飞思卡尔”智能车大赛二等奖等诸多奖项,同时在校内开展嵌入式与机器人竞赛，培养了大批嵌入式设计爱好者,有力地激发了学生参与嵌入式开发的热情。一些成果见图4、图5。

图4　基于Arduino的实践开发

图5　基于Android+Arduino的机器人开发

4　结语

本次教学改革大大提高了学生的学习兴趣,提升了学生学习的主动性、动手实践能力、创新能力、分析

问题与解决问题的能力及学生的综合素质[2]。在这门课的激励下,学院学生积极参加各类全国科技创新创业竞赛与嵌入式系统设计专题邀请赛,提高了学生的综合能力,成绩喜人。

References)

[1] 徐伟.用现代多媒体技术提升科学实验教学的课堂效率[J].电子世界,2014(18):478-479.

[2] 韩涛,黄友锐,凌六一,等.电工电子实验教学改革的研究与实践[J].中国电力教育:下,2014(10):65-66.

[3] 王小妮.嵌入式软件设计课程研究与探索[J].中国电力教育,2014(8):104-105.

[4] 林连南,左宝河,刘嘉伟.“三位一体”的卓越软件工程师培养模式[J].计算机教育,2015(2):1-4.

[5] 刘宏珍,侯义斌,黄樟钦,等.国际校企深度合作培养卓越工程人才的实践[J].中国大学教学,2012(5):16-18.

[6] 张腾飞,王保云.基于问题设计的嵌入式实践创新人才培养体系研究[J].中国电力教育,2013(22):57-58.

[7] 冯小燕,陈昌兴,朱灵娟. 地方高校嵌入式实践教学体系的构建[J].实验科学与技术,2011,9(1):98-100.

[8] 万智萍,王凤,王高亮.基于工程训练模式的嵌入式复合型拔尖创新人才培养的研究[J].电子设计工程,2012(11):163-166.

[9] 王鸿磊,张雪松.高职通信专业嵌入式系统实践教学研究[J].实验技术与管理,2010,27(8):171-173.

[10] 宋金璠,郭新峰,石明吉,等.翻转课堂在大学物理实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2015,32(3):33-36.

[11] 曾明星,周清平,蔡国民,等.基于MOOC的翻转课堂教学模式研究[J].中国电化教育,2015(4)：102-108页

[12] 荣国平,刘天宇,谢明娟,等.嵌入式系统开发中敏捷方法的应用研究综述[J].软件学报,2014(2):267-283.

[13] 梁秀波,黄启春.互动式立体化软件工程教学模式探索[J].计算机教育,2015(3):10-15.

Research on practical teaching of embedded software engineering based on flipped classroom and MOOC

Wang Guanjun, Zhou Yong, Jiang Haifeng, Zhao Ying, Li Xiangqun

(Department of Computer Science and Technology, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

Problems and the reasons in the current Embedded software engineering practical course are analyzed. The combination of flipped classroom and MOOC is put forward in the course of experimental teaching. New ideas are put forward on practical teaching reform and use the form of Android + Arduino into practice. The results show that the reform measures can stimulate the interest of students, promote students to grasp theoretical knowledge and understanding, and improve practical and innovative ability of students.

Aandroid+Arduino; flipped classroom; MOOC(massive open online courses)

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.04.048

2015- 09- 10修改日期：2015- 11- 19

国家青年科学基金项目(61402483)；江苏省卓越工程师教育培养计划；中国矿业大学教育教学改革与建设课题(2014YB27)；卓越工程师专业教学成果培育项目(20150626-11)；国家大学生创业实践项目(201310290080)

王冠军(1981—)男,山东临沂,博士,讲师,主要从事机器人与EDA技术研究.

E-mail：zywgj@cumt.edu.cn

G642.4

A

1002-4956(2016)4- 0176- 03