以學生為中心的嵌入式系統(tǒng)原理與設計實踐課程教學探索

2019-08-07 06:40:22沈珊瑚姚茂群

計算機教育 2019年7期

沈珊瑚,姚茂群,周炯

（杭州師范大學杭州國際服務工程學院(信息科學與工程學院)，浙江杭州 311121）

0 引言

當前建設高水平本科教育正面臨著巨大的挑戰(zhàn)和機遇。“教育部關(guān)于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見”文件中,提到以促進學生全面發(fā)展為中心,既注重“教得好”,更注重“學得好”,激發(fā)學生學習興趣和潛能,增強學生的社會責任感、創(chuàng)新精神和實踐能力。而“教育部工業(yè)和信息化部中國工程院關(guān)于加快建設發(fā)展新工科實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0的實施意見”中,對工程教育,特別是新工科建設,提出了新的改革思路和要求。作為人才培養(yǎng)單位的高校,需要從專業(yè)設置、工程教育理念更新、多主體協(xié)同育人、創(chuàng)新教學組織模式、人才培養(yǎng)方案等方面進行從頂層設計到具體實施的變革。而作為教學最直接的環(huán)節(jié)——課堂教學,恰恰是踐行上述新理念最前沿的陣地。

1 實踐課堂存在的問題

在理論課堂上,如果只是教師的“滿堂灌”,學生會感覺非常枯燥,知識點很抽象[1-2],所以需要實踐來加深對知識的理解。另一方面,在常規(guī)的實踐課程教學過程中,通常的做法是,教師布置學生實驗作業(yè),在實驗課堂中,學生開始從頭完成任務,如果學生有提問,教師會個別指導,一般兩課時的時間,很多學生并未能及時很好地完成。這里有三個主要的原因,一是大三的課程普遍是專業(yè)應用類課程,和專業(yè)基礎類課程相比,基礎實驗難度要求會加大,需要有更深入的思考和實驗準備,比如學生有時候會因為一個引腳分配不當而導致整個實驗推進困難;二是學生預習不夠充分;三是學生之間沒有形成很好地相互學習的氛圍,個體能力不足夠時,學習會感覺到吃力。

傳統(tǒng)的基礎實驗課堂還存在一個問題是學生持續(xù)改進的措施較弱。實驗報告是學生向教師展示學習效果的主要方式,教師進行批閱,再向?qū)W生進行反饋。這一過程中,教師并不能全面發(fā)現(xiàn)學生在實驗過程中碰到的困難,學生之間也并不能分享各自實驗過程中的解決方法,是一種靜態(tài)的交流。如果在課堂上有很多的互動,課堂氛圍會變得很好,通過相互學習,學生對知識的掌握也更好,這類似于翻轉(zhuǎn)課堂的教學模式(如圖1所示),每次學生課外完成基礎實驗后,在課堂上進行答辯討論。這樣,學生就會有壓力,曾有學生在反饋中提到,“因為需要上講臺答辯,所以我需要更加認真來做作業(yè)”。在答辯小組的分組策略上,我們也參照文獻[3]的思路,對學生分組進行動態(tài)調(diào)整,每次課前教師會發(fā)布這次課堂的分組情況,這樣做的效果是學生相互之間的交流更多了,基礎好的學生和基礎一般的學生之間也因為教師的安排能夠更自然地交流分享。學生之間以及教師和學生之間的互動式教學增多以后,嵌入式系統(tǒng)教學也變得不再那么枯燥。

圖1 基礎實驗課程教學流程對比

2 以學生為中心的教學方式

對課程教學環(huán)節(jié)的整體設計見表1。在實踐環(huán)節(jié)中,包含5個基礎實驗和1個課程設計。基礎實驗共計20學時,每項實驗都包含2學時的課程交流討論,2學時的創(chuàng)新內(nèi)容實現(xiàn),實驗如果需要改進,還可以進行補交。而課程設計共計12學時,包含開題答辯、作品預展示和期末答辯3項內(nèi)容。而事實上,學生在課外的自學學時比課內(nèi)的32學時要多很多。

表1的課程教學環(huán)節(jié)設置,需要學生具備學習的主動性和積極性。我們欣喜地發(fā)現(xiàn),很多學生都表達出這門課程是他們學得最踏實的課程。能夠促進這些教學環(huán)節(jié)實現(xiàn)的措施主要有以下幾方面。

(1)注重課外學習資源的支撐。為保障學生能夠課后學習,教師提供了豐富的課外學習資源,包括口袋實驗室(開發(fā)板),學生能夠至少每兩人有一塊開發(fā)板(部分學生還自行采購),開發(fā)板自帶的視頻資源以及教師的慕課錄制視頻(每集控制在10分鐘左右);開放實驗室(學生課余在這里學習);還有超星慕課平臺,教師將所有的教學及項目開發(fā)相關(guān)資料都放在上面,學生可以下載學習。很多學生認為視頻對課程學習的作用也很大,課前觀看視頻,在理論課堂上更容易聽懂教師的授課內(nèi)容,課后看視頻有利于鞏固復習,在實驗碰到問題時,能夠一步一步跟著學。

表1 課程教學環(huán)節(jié)

(2)設置明確的教學規(guī)劃和安排。為了推動學生按時上交實驗報告,督促課外自學,教師在每次實驗前兩周準時發(fā)布實驗內(nèi)容,并設置具體到分秒級的截止時間。前一周會提醒學生。有了這個慕課教學平臺的支撐,絕大部分學生都能夠做到在截止日期前上傳作業(yè),而未能按時上交作業(yè)的學生,通常是需要教師重點關(guān)注的基礎一般或?qū)W習態(tài)度需要改進的學生。學生在熟悉這一作業(yè)上傳系統(tǒng)的流程后,能夠自主合理安排實驗進度,保證后續(xù)答辯討論環(huán)節(jié)的展開。

(3)重視實驗報告的心得建議。結(jié)合“產(chǎn)出導向、持續(xù)改進”的理念,我們十分重視學生撰寫實驗報告的心得建議,明確要求學生完成。教師收集學生學習效果的反饋,并在課堂上分享交流,使得學生對知識的理解更深入,同時也提高了每次課后實驗的完成質(zhì)量。實驗報告還有補交機制。一方面是給個別學生遲交提供一次機會,另一方面是給需要改進實驗報告的同學提供通道,有的學生會再次修改實驗報告后提交,我們認為這也是持續(xù)改進的一個方式。

(4)更加注重課程設計的環(huán)節(jié)。課程設計作業(yè)可以督促學生利用所學的嵌入式系統(tǒng)相關(guān)知識設計一個應用系統(tǒng),是一個需要大量課余時間實現(xiàn)但又非常受學生歡迎的環(huán)節(jié)。優(yōu)秀的課程設計作品將被展示在開放實驗室,供專業(yè)各年級學生參觀了解。將畢業(yè)設計的一些環(huán)節(jié)引入到課程設計的實現(xiàn)過程中,讓學生能夠提前得到鍛煉,如開題答辯,每一小組學生在開學后3～4周左右需要完成一次開題,目的是讓學生開始思考一學期內(nèi)需要實現(xiàn)的作品。當5個基礎實驗完成后,學生需要預展示課程設計的進度,在課程快結(jié)束前,每一組學生都要進行期末作品答辯,由教師及其他小組提問,每個小組至少提一個問題。在答辯環(huán)節(jié)提出的問題很多都非常有啟發(fā)性,為答辯小組提供更多的改進作品的建議。這種思想碰撞激發(fā)了學生利用所學知識思考問題的潛能。最后,學生在截止日期前需要提交作品說明書、答辯PPT、作品演示和解說視頻以及作品工程文件等材料,鍛煉了學生的寫作和表達能力。從最后上交的材料看,各個小組都實現(xiàn)了應用系統(tǒng),復雜的如智能燈光控制系統(tǒng)、拍照防盜系統(tǒng)、光立方、示波器等,相對簡單的如實時時鐘顯示,每一位學生通過課程設計的教學環(huán)節(jié),獲得了嵌入式系統(tǒng)設計的基本方法和技能。

(5)智慧教學環(huán)境的嘗試。作為新型的教學手段,我校建設完成了多種類的智慧教室供課程教學和錄播使用。相比于傳統(tǒng)教室,智慧教室更強調(diào)教室和學生之間的互動。我們嘗試把基礎實驗課堂的答辯引入智慧教室。學生有較大的興趣接觸這類教學環(huán)境,在動態(tài)小組分配的基礎上,小組學生之間的溝通也更為方便直接。

(6)理論和實踐并重。作為一門實踐要求很高的課程,我們對理論知識的考核依據(jù)課程特點,采用開卷考試的形式,重點考查學生對基本嵌入式知識的掌握程度,占總成績的40%。雖然有基礎實驗及課程設計等高強度的課內(nèi)外實踐,但是我們認為某些嵌入式系統(tǒng)相關(guān)理論知識還是應該掌握。

3 教學效果

為了收集學生對教學的反饋,我們對兩個班級的64位學生進行了期末調(diào)研。表2列舉了6位有代表性的學生觀點。從觀點中可以看出,學生認同課程設計(大作業(yè))的教學環(huán)節(jié)。

在課程的評價設計中,15%是學生平時的出勤和課堂表現(xiàn),45%是基礎實驗和課程設計,40%是理論考試。我們讓學生在一個學期的學習過程中,都需要付出額外的課余時間進行課程學習。按時完成基礎實驗很好地保證了基礎知識的學習效果,完成小組課程設計拓展了學習的深度和廣度,為下學期進一步的課程學習打下了堅實的基礎,也為電子設計競賽、機器人競賽等賽事及各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動奠定了基礎。

表2 班級部分學生對課程學習后的觀點

4 結(jié) 語