以学生为中心的嵌入式系统原理与设计实践课程教学探索

沈珊瑚,姚茂群,周 炯

（杭州师范大学 杭州国际服务工程学院(信息科学与工程学院)，浙江 杭州 311121）

0 引 言

当前建设高水平本科教育正面临着巨大的挑战和机遇。“教育部关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见”文件中,提到以促进学生全面发展为中心,既注重“教得好”,更注重“学得好”,激发学生学习兴趣和潜能,增强学生的社会责任感、创新精神和实践能力。而“教育部工业和信息化部 中国工程院关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0的实施意见”中,对工程教育,特别是新工科建设,提出了新的改革思路和要求。作为人才培养单位的高校,需要从专业设置、工程教育理念更新、多主体协同育人、创新教学组织模式、人才培养方案等方面进行从顶层设计到具体实施的变革。而作为教学最直接的环节——课堂教学,恰恰是践行上述新理念最前沿的阵地。

1 实践课堂存在的问题

在理论课堂上,如果只是教师的“满堂灌”,学生会感觉非常枯燥,知识点很抽象[1-2],所以需要实践来加深对知识的理解。另一方面,在常规的实践课程教学过程中,通常的做法是,教师布置学生实验作业,在实验课堂中,学生开始从头完成任务,如果学生有提问,教师会个别指导,一般两课时的时间,很多学生并未能及时很好地完成。这里有三个主要的原因,一是大三的课程普遍是专业应用类课程,和专业基础类课程相比,基础实验难度要求会加大,需要有更深入的思考和实验准备,比如学生有时候会因为一个引脚分配不当而导致整个实验推进困难;二是学生预习不够充分;三是学生之间没有形成很好地相互学习的氛围,个体能力不足够时,学习会感觉到吃力。

传统的基础实验课堂还存在一个问题是学生持续改进的措施较弱。实验报告是学生向教师展示学习效果的主要方式,教师进行批阅,再向学生进行反馈。这一过程中,教师并不能全面发现学生在实验过程中碰到的困难,学生之间也并不能分享各自实验过程中的解决方法,是一种静态的交流。如果在课堂上有很多的互动,课堂氛围会变得很好,通过相互学习,学生对知识的掌握也更好,这类似于翻转课堂的教学模式(如图1所示),每次学生课外完成基础实验后,在课堂上进行答辩讨论。这样,学生就会有压力,曾有学生在反馈中提到,“因为需要上讲台答辩,所以我需要更加认真来做作业”。在答辩小组的分组策略上,我们也参照文献[3]的思路,对学生分组进行动态调整,每次课前教师会发布这次课堂的分组情况,这样做的效果是学生相互之间的交流更多了,基础好的学生和基础一般的学生之间也因为教师的安排能够更自然地交流分享。学生之间以及教师和学生之间的互动式教学增多以后,嵌入式系统教学也变得不再那么枯燥。

图1 基础实验课程教学流程对比

2 以学生为中心的教学方式

对课程教学环节的整体设计见表1。在实践环节中,包含5个基础实验和1个课程设计。基础实验共计20学时,每项实验都包含2学时的课程交流讨论,2学时的创新内容实现,实验如果需要改进,还可以进行补交。而课程设计共计12学时,包含开题答辩、作品预展示和期末答辩3项内容。而事实上,学生在课外的自学学时比课内的32学时要多很多。

表1的课程教学环节设置,需要学生具备学习的主动性和积极性。我们欣喜地发现,很多学生都表达出这门课程是他们学得最踏实的课程。能够促进这些教学环节实现的措施主要有以下几方面。

(1)注重课外学习资源的支撑。为保障学生能够课后学习,教师提供了丰富的课外学习资源,包括口袋实验室(开发板),学生能够至少每两人有一块开发板(部分学生还自行采购),开发板自带的视频资源以及教师的慕课录制视频(每集控制在10分钟左右);开放实验室(学生课余在这里学习);还有超星慕课平台,教师将所有的教学及项目开发相关资料都放在上面,学生可以下载学习。很多学生认为视频对课程学习的作用也很大,课前观看视频,在理论课堂上更容易听懂教师的授课内容,课后看视频有利于巩固复习,在实验碰到问题时,能够一步一步跟着学。

表1 课程教学环节

(2)设置明确的教学规划和安排。为了推动学生按时上交实验报告,督促课外自学,教师在每次实验前两周准时发布实验内容,并设置具体到分秒级的截止时间。前一周会提醒学生。有了这个慕课教学平台的支撑,绝大部分学生都能够做到在截止日期前上传作业,而未能按时上交作业的学生,通常是需要教师重点关注的基础一般或学习态度需要改进的学生。学生在熟悉这一作业上传系统的流程后,能够自主合理安排实验进度,保证后续答辩讨论环节的展开。

(3)重视实验报告的心得建议。结合“产出导向、持续改进”的理念,我们十分重视学生撰写实验报告的心得建议,明确要求学生完成。教师收集学生学习效果的反馈,并在课堂上分享交流,使得学生对知识的理解更深入,同时也提高了每次课后实验的完成质量。实验报告还有补交机制。一方面是给个别学生迟交提供一次机会,另一方面是给需要改进实验报告的同学提供通道,有的学生会再次修改实验报告后提交,我们认为这也是持续改进的一个方式。

(4)更加注重课程设计的环节。课程设计作业可以督促学生利用所学的嵌入式系统相关知识设计一个应用系统,是一个需要大量课余时间实现但又非常受学生欢迎的环节。优秀的课程设计作品将被展示在开放实验室,供专业各年级学生参观了解。将毕业设计的一些环节引入到课程设计的实现过程中,让学生能够提前得到锻炼,如开题答辩,每一小组学生在开学后3～4周左右需要完成一次开题,目的是让学生开始思考一学期内需要实现的作品。当5个基础实验完成后,学生需要预展示课程设计的进度,在课程快结束前,每一组学生都要进行期末作品答辩,由教师及其他小组提问,每个小组至少提一个问题。在答辩环节提出的问题很多都非常有启发性,为答辩小组提供更多的改进作品的建议。这种思想碰撞激发了学生利用所学知识思考问题的潜能。最后,学生在截止日期前需要提交作品说明书、答辩PPT、作品演示和解说视频以及作品工程文件等材料,锻炼了学生的写作和表达能力。从最后上交的材料看,各个小组都实现了应用系统,复杂的如智能灯光控制系统、拍照防盗系统、光立方、示波器等,相对简单的如实时时钟显示,每一位学生通过课程设计的教学环节,获得了嵌入式系统设计的基本方法和技能。

(5)智慧教学环境的尝试。作为新型的教学手段,我校建设完成了多种类的智慧教室供课程教学和录播使用。相比于传统教室,智慧教室更强调教室和学生之间的互动。我们尝试把基础实验课堂的答辩引入智慧教室。学生有较大的兴趣接触这类教学环境,在动态小组分配的基础上,小组学生之间的沟通也更为方便直接。

(6)理论和实践并重。作为一门实践要求很高的课程,我们对理论知识的考核依据课程特点,采用开卷考试的形式,重点考查学生对基本嵌入式知识的掌握程度,占总成绩的40%。虽然有基础实验及课程设计等高强度的课内外实践,但是我们认为某些嵌入式系统相关理论知识还是应该掌握。

3 教学效果

为了收集学生对教学的反馈,我们对两个班级的64位学生进行了期末调研。表2列举了6位有代表性的学生观点。从观点中可以看出,学生认同课程设计(大作业)的教学环节。

在课程的评价设计中,15%是学生平时的出勤和课堂表现,45%是基础实验和课程设计,40%是理论考试。我们让学生在一个学期的学习过程中,都需要付出额外的课余时间进行课程学习。按时完成基础实验很好地保证了基础知识的学习效果,完成小组课程设计拓展了学习的深度和广度,为下学期进一步的课程学习打下了坚实的基础,也为电子设计竞赛、机器人竞赛等赛事及各类创新创业活动奠定了基础。

表2 班级部分学生对课程学习后的观点

4 结 语

通过一学期以学生为中心的教学模式的开展,学生都有满满的获得感。我们认为教师的高效率讲授是必需的,而以学生为中心的教学是一种动态的策略。教师需要从知识灌输为主转向能力提升为主,需要为学生提供足够的学习资源,合理规划教学进程,注重对知识发现的引导、理解和思考,同时要有合理地对学生的学习效果的评价方法。嵌入式系统原理与设计课程非常适合以学生为中心的教学方式,教师需要引导学生的课外学习,注重收集学生的反馈,搭建能够让每位学生表达的平台,因材施教,让每位学生都能通过课程的学习,获得知识和创新能力。