基于翻轉課堂的嵌入式系統及應用教學改革和課程思政教學研究

孫冬梅，丁中港，王曉榮，母虎群，孫卓

（南京工業大學，電氣工程與控制科學學院，江蘇 南京）

隨著數字經濟、物聯網、產業互聯網等信息技術應用到全球各地,傳統產業開始不斷自發探尋各種技術創新的方法以適應企業變革的需求，在這一過程中嵌入式系統逐漸成為其創新的重要載體和工具，其自身的作用也越發重要。

“嵌入式系統及應用”是國家級一流本科專業建設點、南京工業大學國家一流專業即自動化專業的一個重要的基礎學科與核心課程，有較強的理論性和實踐性。AIoT時代的嵌入式系統人才需要具備較強的學習能力來應對技術的不斷革新。這也表明在當前的新工科背景下，需要對嵌入式系統課程教育提出更高的要求[1]。

在以往的教學方式中，主要講授課程相關專業知識，而不涉及課程外的非專業知識點。本文嘗試發掘專業課程中潛在的思政元素，并將專業知識的傳授與之緊密融合，在傳授知識的同時，也能培養學生的思政素養。

本文設計基于五個“一”教學過程的翻轉課堂來實現本課程的教學目標。同時采用嵌入式的原則在線上線下一體化的設計中實行思政元素的融入與建設。結合相關課程研發并設計出一套全新的，富有操作性、針對性、前瞻性的基于翻轉課堂教學模式“嵌入式一體化”方案[2]。

一 課程教學目標改革

本課程的教學目標包含三大部分：知識、能力以及素養[3]。

首先，知識目標是理解嵌入式系統體系結構的概念，掌握工作原理和相關技術；熟悉嵌入式系統的需求分析、設計開發、集成調試和測試維護過程。

其次，能力目標是通過線上學習過程，對學生的主動探究、自主學習的能力進行系統鍛煉；提高學生的溝通交流、團隊合作以及解決嵌入式系統及應用問題的能力。

最后，素養目標包括引領學生樹立社會主義核心價值觀；引導學生持有嚴謹求實、守信創新的科學態度；塑造學生的敬業品質和職業素養。

本課程的知識點如圖1所示：

圖1 嵌入式系統及應用的知識點

二 課程的教學方式改革

根據嵌入式系統及應用課程的教學目標和知識點分布，設計了基于五個“一”原則的翻轉課堂教學方式。

（一） 翻轉課堂的教學流程

翻轉課堂教學模式是指：學生在上課之前已經學習了相關線上教學課程內容并完成指定在線測試題，通過在線學習的反饋，教師對課堂教學的內容進行重新設計，在學生與老師之間的互動過程中，彼時的課堂將變得更加靈活而多趣。

針對嵌入式系統實踐性強的特點，堅持在翻轉課堂中采用五個“一”的原則進行教學設計，包括：一個有效的課前準備、一個有挑戰的問題與學生互動、一個有難度的作業、一個有設計的答疑指導以及一個有區分度的考試評估。通過精心設計的教學方法,實現了線上與線下課堂的聯合教學設計,即以練代教、項目研究、邊聽邊練、個案點評、研討答辯、生聽生評、生講師評[4]。

下面以定時計數器知識點的教學過程來闡述基于五個“一”的翻轉課堂的教學設計。

（二） 基于五個“一”原則的翻轉課堂的教學設計

1.一套有效的課前準備。為適應混合式教學中的翻轉課堂，有效的課前準備包括學情分析、教學內容、教學材料、教學方法、考核評價等。

在定時計數器的學習前，教師應對學生在前部分內容的學習情況有所掌握，了解學生的學習特點，預測本章節中學生可能遇到的難點。

在課前根據教學內容準備定時計數器教案、課件，制作視頻，網上自測題，并布置學生進行相應的基礎知識學習。準備課堂教學所需要的實驗開發板，PBL教學所需要的教學例程。

2.一次有挑戰的提問和互動。通過PBL的形式，以問題為導向，提前在網上布置循序漸進案例：

①采用普通延時實現定時。

②檢測GPIO輸入引腳進行計數。

③采用定時計數器對外部信號進行計數。

④采用定時計數器對內部的時鐘信號進行計數。⑤計數器配置完成后打開中斷，在中斷回調函數中完成特定功能。

自學結束后完成相應的課后思考題：①正交輸入的信號可進行辨向，從而進行自動加減計數；②利用輸出比較功能，輸出PWM信號。學生自行查閱資料，圍繞以上問題進行小組討論，實現上述功能。

3.一份有難度的作業。課后思考題：為什么說定時計數器的原理是“計數 器”？鼓勵學生跳出教材，或結合數字信號進行研究等，全面探討定時計數器的配置、中斷、啟動、查詢、關閉等用法。

4.一場有設計的答疑輔導。在課堂教學的混合式學習中，學生已經進行了視頻學習，帶著基礎知識進課堂，教師首先要帶領學生鞏固基礎知識，其次應該圍繞課程中的重點難點在課堂上進行主要講解，并以案例形式促進學生對知識的理解，提高學生歸納與分析的能力。針對課后思考題，利用答疑輔導時間，引導學生以小組專題形式學習并分享對于正交信號的采集和輸出PWM信號的應用，關注高級定時計數器特殊應用場合。

5.一張有區分度的考核評價。從知識的掌握、學習方法的應用，學習投入程度，學習能力等方面進行多元化、多層次的考核評價。最后考核評價的比例分配如圖2所示。

圖2 考核評價的比例分配圖

（三） 課程思政建設的設計

教學目標的重構，在設計理念上要體現課程廣度、深度和溫度；融合專業知識性與人文性；富有學科特色和優勢；注重學思結合、知行統一，強化價值引領、知識傳授與能力培養“三位一體”的教學理念[5]。

因此將思政目標更改如下：以學生為中心，將思想政治教育貫穿實習教學的全過程，通過國產電子產品開發案例的引入，培養學生嚴謹的科學態度，激發學生對科學的探索精神，增強愛國情懷和強國意識。推動信息技術與實踐教學的融合，強化對學生知識、能力、素質的全面培養。

（四） 增加思政內容的建設

為適應新工科創新型人才培養要求，嵌入式系統及應用課程經過近幾年的探索，對實踐教學內容和教學模式進行了深入改革。在實現專業知識教育的同時，潛移默化地將思想政治教育滲透到課程的各個環節，在課程教學中深入挖掘思政教育資源，并在原有教學基礎上進一步梳理，修訂實習大綱，撰寫思政教育導向明確的教案，促進學生知識、能力、思想素質的同步提升。課程內容與思政要素關系如表1所示。

表1 嵌入式系統及應用課程內容與思政要素關系

三 創新課程思政建設模式和方法途徑

以專業人才培養和學科發展為依托，以提升實習效果為目標，課程團隊積極改進教學方法，探索創新課程思政建設的模式，將素質培養貫穿實踐教學全過程，突出學生主體地位，使學生具有一定的可持續發展性。

1.團隊教師思政能力建設：①組織骨干教師參與課程思政培訓，幫助團隊創建實踐教學新理念和新模式，從實踐中汲取優秀經驗。②建立課程思政集體備課和研討制度，定期交流，群策群力，挖掘課程所蘊含的“思政元素”，有助于教學團隊專業水平的提高。

2.示范教學法：在嵌入式系統全流程設計中，通過硬件操作直觀演示和軟件代碼的編寫流程操作演示，起到良好的示范作用，使學生獲得感性認識，能盡快動手操作。

3.自主學習法：學生通過超星在線資源自主學習相關課程，利用網絡進行產品資料調研，提升自主學習和終身學習的能力。

4.項目驅動、以賽促教：①將經典案例、工程項目引入課程，引導學生提升解決復雜工程問題的能力；②鼓勵參加各類學科競賽，有助于學生知識面的拓寬以及學習潛能和創新思維的激發。

5.開展混合式實踐教學，將思政建設目標融入課程教學全過程。嵌入式系統及應用課程運用超星網絡平臺，開展線上線下混合式實踐教學，包括課堂講授、在線自主學習和實踐操作三部分。在授課時從育人維度拓展課程價值；在學習中融入思政要素，使教學與育人的同步；培養學生求真務實的品質，鼓勵學生勇于開拓創新，使課堂更具有活力趣味以及感染力。

四 課程考核評價的方法機制改革

科學合理的考評機制對于課程思政教學改革尤為重要。本課程對學生的考核評價機制包括三個維度，一是對嵌入式系統開發設計環節的考評；二是對綜合運用專業知識進行產品調試與目標實現的考評；三是對學生思想政治素質的考評。

本課程以三個課程目標為依據，合理設置考核評價機制三個維度的評定標準和比例。結合學生的出勤率、言行舉止、精神面貌、團隊協作、創新應用等表現，檢驗課程思政的教學效果，合理評價學生對知識的掌握和對思政目標的達成情況[6]。

五 課程評價及改革成效情況

依據本專業人才培養目標，對標課程思政建設目標，修訂教學大綱，撰寫思政教育導向明確的教案、錄制教學視頻等，完善超星教學資源建設，充分展示了課程思政建設成果。

基于PBL，提高課程目標在畢業要求指標點的重要程度，科學設計課程目標，重視過程性評價和發展性評價，完善課程考核評估方式。評價內容和形式多元化，全面考核學生的知識、能力和綜合素質。針對評價結果，形成完整的支持教學質量提升的持續改進閉環系統。

六 結語

課程思政融入點有效激發了學生的愛國熱情和社會責任感，學生在探尋知識的過程中，提升了專業素養，樹立了開拓精神和引領意識。這些改進的教學過程不僅讓老師體會到教學成效，更體會到未來可期！

在未來工作中，我們還要繼續將思政要素與實習教學大綱深度融合，在實踐中完善專業思政的拓展重點、融入載體、教學方法等，探索思政育人目標達成評價方法。