理论实践强结合性课程知行合一教学改革与探索

李江昊，刘 丰，王 伟

（燕山大学 信息科学与工程学院，河北 秦皇岛 066004）

0 引言

知行合一是明朝思想家王阳明所创立的心学的核心观点。知是指知识、认识等，行指行为、实践。以王阳明为代表的中国古代哲学家认为，不仅要认知学识，还应当去践行。通俗来讲就是不可死读书，而是要在实践中检验并获取新的知识。

目前，工科院校在课程规划设计方面仍多缺陷，比重上以理论为主、实践为辅，排序上理论在先、实践随后，知行时间脱节、空间分离现象普遍存在。课堂教学本身很多仍停留在教师单方面灌输，课程安排的实验、项目、课设等环节拖后，特别对于实践性强的课程，如微机原理、单片机、嵌入式系统等，单就课堂本身而言仍是教师讲述为主，内容晦涩难懂，导致学生缺乏感性认识，学习积极性不高，最后考试成绩全靠“背多分”。对于课后安排的实验，往往与教学内容在时间上脱节，再加上监督、考核机制的欠缺，到了实验室不少学生应付了事。如果能将实践环节引入课堂，知识就地转化为可看见的成果，那么课程的意义就大不相同。知行合一的提法在教学文献中出现过几次，理解和应用各有不同。有教学者在工程实训中应用知行合一的理念，但教学和实践是两块场地，仍不能解决知行在空间上的割裂问题[1-2]；有学者高屋建瓴提出知行合一的宏观大课程观，力图再造整个工程教育教学系统[3]。

1 知行合一教学模式构建

理论构建包括知行内容层级划分与映射、知行合一模型构建以及融合实施方案设计3 个核心内容。

1.1 知行内容层级划分与映射

知即知识点，包括理论知识和技术知识；行即实践、行动。将课程内容中涉及的知识进行分层设计，同时设计出对应的实践行动层，并建立映射关系，如图1 所示，知识层和行动层均分为3 级，由浅入深层层推进。初级层为基础知识点，通过便捷的随堂纸测练方式来让学生理解和掌握；中级层涉及硬件模块原理及驱动程序设计等重要内容，所以着重安排渐进式的上机调试来掌握，难度逐渐增加，进程逐步推进。高级层为理念知识，以往不被重视，看似简单但恰恰是最重要的，它相当于课程纲领，理解透彻有醍醐灌顶的作用。此级可以通过对等的三级项目实践来让学生深入体会和掌握。

图1 还描述了多点映射的情况，除了主要知行映射，还配合以辅助映射。知行分级和映射有助于更好地实施课程内容，做到有所侧重，有所取舍，有的放矢。

图1 知与行分级设计及映射关系（实线主映射虚线辅映射）

1.2 知行合一模型构建

模型尤为重要，它决定了上述知行映射采用何种方式实施，简单地将实践引入课程并不能称为知行合一，必须进行很好的设计。知行合一模型如图2 所示，设计有3 种不同的融合模型，以适用于不同层次的知识类型。

图2（a）为分布·交融式，知识点成点云状分布于课程学习过程之中，相应地行动环节也跟随成点云分布，并与知识点糅合到一起。该模型适用教学前期阶段，针对零散基础知识点和随堂纸的知行映射，实施较为灵活。

图（b）为矩阵· 集中式，知识多为整体块状，即矩形形式，实践环节也给予较长的整块时间，知与行各自环节分块集中进行，前后衔接。此模型适用于教学中期阶段，知识主要涉及各种硬件模块原理、功能与程序控制，需集中整块时间讲解，而后进入上机调试实践。

图（c）为辐射· 自主式，用一个能够以点概面的“大知识”去辐射一个系统化的需较长时间的实践活动，行动过程有很强的自主性，允许自由发挥和创造。此模型适用于后期阶段的三级项目，用所教课程的设计理念这一大知识的辐射下，学生自主开展项目设计，锻炼创新实践能力。三级项目也是对前期、中期所学理论知识和实践能力的一个综合检验。

1.3 知行合一实施方案设计

一门课程的不同阶段所侧重的知识层次和类别是不同的，要采用不同的知行合一实施方案，同时还要加入时间节点、课时配比等要素。具体方案设计见表1，教学过程划分为3 个阶段，前期主要为碎片化的基础知识，讲课的时间分配可以多一些；中期为硬件模块与程序设计的内容，时间分配上知行大体相仿；后期为项目理念知识和实施阶段，理念讲授时间较短，而实践即项目实施则需分配较多时间。

图2 知行合一模型

表1 各教学阶段的知行合一模式及用时配比方案

2 嵌入式系统课程知行合一教学探索

2.1 课程分析与开课筹备

嵌入式系统课程目前在国内各高校开展得如火如荼，作为热门课程其教学研究也相当活跃，近年来项目式教学[4]、模块化教学[5]等有意义的教学法层出不穷。此外，一些教师还与时下热点的学科联结，如结合机器人技术[6]、物联网[7]等，研究内容都很有启示作用。

嵌入式系统课程理论学习难度大，实践性很强，在学习理论知识的同时，实践环节必须跟上才能帮助理解理论知识。这门课程是实践知行合一教学模式的最佳课程之一，开课地点选择所在系的实验室，提供调试用机，学生也可自带笔记本，上课时每2 名学生配备1 块嵌入式开发板。开课前教师为实践环节教学做了充分准备，将所需模块和器件购置到位，并亲自编写了全部程序并进行了系统调试。知行空间、时间统一，硬件条件也具备，下一步进入课程实施阶段。

2.2 知行合一教学实施

嵌入式系统课程共32 个课时（含2 课时讨论课），采用4 课时连上的形式以提升教学效率。课程内容分成4 部分：嵌入式系统的基本概念、嵌入式C 语言、裸机编程及操作系统初步、三级项目所需硬件模块知识及项目实施。将这些内容所包含的主要知识进行层次和类别划分，并安排适合的实践方式，具体见表2。

表2 嵌入系统课程知行合一实施方案

基础知识的随堂纸有两种样式，一种是正式打印好的试题纸，在规定时间内完成纸上题目；另一种就是空白练习纸，知识点分布于PPT各处，随课程进行完成练习。硬件模块&程序设计知识采用的渐进式上机调试，其经过精心设计，针对讲到的每一种硬件外设都设计了编程调试任务。课程共安排了8 个调试任务包，包括6个裸机工程和2 个嵌入式OS 工程，难度由浅入深，层层推进。每个调试工程都先建好了基本的框架，在课前下发，学生加载工程文件包之后，就会看到任务的要求。起初是补充几条指令，后续则编写整段功能函数，编程的任务量可以根据学生的状况动态调整，以达到循序渐进学习的目的。项目理念部分，除介绍嵌入式开发的思想之外，在三级项目开展过程中，还融入了CDIO 的工程设计理念，要求学生按照构思、设计、实现和运作的4 个流程来完成项目，如图3 所示。项目能实现固然好，更重要的是通过项目实施过程体会、掌握设计理念。

图3 CDIO 理念与项目实施流程映射关系

所有教学环节均是教师讲授在先，学生实践在后，讲练交叉进行，有效融合。除讨论课外教学课时为30 课时，其中讲授占14 课时，实践占16 课时。不同知识类别下具体的知行环节课时配比如图4 所示，课时比例基本遵循表2 中的分配原则。另外，图5 给出了各教学阶段占总课时的百分比，其中占比例最大的中期阶段则由裸机片上外设、嵌入式OS 初步和项目硬件模块3 部分构成。

2.3 实践环节考核与成绩评定

整个知行实践环节一共设置了10 个计分点，包括2 次随堂纸记分和8 次开发板编程调试记分，每个点完成则记1 分，总分10 分纳入平时成绩。随堂纸的评定由教师审阅批改后给出得分结果，对于开发板调试教师则采用实验台现场验收和查验视频相结合的方式。

图4 不同类别知识讲授和实践课时分配

图5 各教学阶段占总课时百分比

视频验收方式解决了学生组数多、实地查验效率低的问题，同时在手机大行其道的现代课堂，为手机找到发挥正能量的用武之地。为防止学生作弊，视频要求连续拍摄，录制流程为先拍摄队友正面照，然后拍摄上位机重要代码段，最后拍摄开发板的运行效果，三个要素缺一则不符合规定。查看时教师可以提出问题，若对视频结果有质疑，就可到实验台现场查验。

计分点的设置有效督促了学生参与到实践环节之中，视频验收提高了课堂教学效率，教师有更多时间可用于现场的调试指导。

3 教学效果分析

知行合一教学模式将教师与学生从枯燥的教与学中解脱出来。多年灌输式的教学使师生都身心疲惫，自我提升空间受限。在课堂教学中引入实践环节对教师能力有促进作用，学高方能为师，教师需认真准备并亲自操作。对于学生而言，学习过程变得有趣，实践环节可以自由走动、研讨放松，使以往凝固的课堂气氛得以调节，再加之适当的计分考核，学生的热情和参与度都很高。学生能实时看到知识转化为实践的成果，这具有极大的激励作用，胜过千百句刻板的说教。可以说，新模式带来的是师生双赢的结果。

为了解知行合一模式的教学效果，教务部门委派专人在课程最后进行了问卷调查并进行了结果统计。问卷以纸质形式发放、匿名方式答题，班级共58 名学生，回收问卷57 份，主要从授课流程满意度、学习收获、对课程评分等级等方面进行问卷，统计结果与分析见表3—表5。

表3 对授课流程满意度调查

从表3 可以看出，学生对授课流程设计的满意度为100%，由此可见学生对于这种知行合一教学模式很认可。在平时与学生交流中，学生也表达出这样的教学方式使原本枯燥的课堂和难懂的知识都变得“活”起来。

由表4 可以看出，有96.5%的学生对自己从课程中获取的有用知识量表示满意。在授课过程中，教师不仅仅教授教材中的知识，还有很多课本外知识，比如各种软件使用、实践技能、新的学习理念等。有学生在问卷附言中也表达了这一点。

表4 对有用知识获取满意度调查

表5 对课程总体评价的调查

从表5 可以看出，有近70%的学生将课程评价为优秀，从理由摘录中不难发现这样的结果很大程度上得益于知行合一的“创新形式”。

4 挑战与机遇

知行合一教学模式给师生都带来了挑战与机遇。对学生的挑战主要是对注意力、理解力和执行力要求的提高，讲授与调试前后衔接，要求学生听课专注、专心，理解调试方法和要点。为降低变革带来的不适应，学生2 人一组，允许交流讨论，互补解决问题。对学生来讲机遇就是有了锻炼上述能力的机会，此外还有实践操作能力的锻炼。

教师的挑战主要是两个方面：一是对实践指导能力和水平要求提高，因为以往知行空间分离模式下教师可以不参与实验的指导，现在实践紧跟教学且调试工作量很大，这就要求教师不但要具备现场指导能力还要达到一定水平。二是对课堂教学的组织能力和掌控能力要求提高，实践环节人员是动态的，调试的时间进程也有不确定性，教师要能勇于面对各种“混乱”局面，掌控全局。挑战本身就是机遇，实践环节进入课堂将倒逼教师提升自身的实践能力、指导能力和组织能力。

5 结语

从复旦共识、天大行动，再到北京指南，新工科建设的号角已经响起。宏大完美的顶层设计，最终还是要落实到工程教育的起点——大学课堂之上，先从课堂改变就是我们的初衷。知行合一提供了工科课堂教学的一个新模式，它可以为理论实践强结合类课程提供一个教学框架，通过实际的教学应用也证明了具备可操作性。没有一种模式是完美的，知行合一模式也需要持续改进。新的模式给教师带来了很大的挑战，但教学改革没有退路，把握机遇迎接挑战是唯一的选择。