基于引领式SPOC的嵌入式系统课程教学模式初探

刘花香 郭文 方江雄 刘军

摘   要：为了提高本科电子类应用型人才培养质量，针对嵌入式系统课程学习内容多、课时少、难度大等问题，文章提出了引领式SPOC的课程教学模式。通过结合引领式SPOC混合教学模式的优点和嵌入式系统课程的特点，从引领式教学内容探索、引领式教学活动设计和引领式教学评价体系建立三个方面进行设计，构建了课程教学模式的整体框架，可为高校实践类课程建立引领式SPOC课程教学模式提供借鉴。

关键词：引领式SPOC;嵌入式系统;Moodle; 教学模式改革

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2021）12-0066-04

一、引言

近年来，在“互联网+”国家战略计划的推动下，MOOC[1]和SPOC[2][3]等“互联网+教育”典型教学模式发展风起云涌。特别是在疫情防控期间“停课不停学”的特殊背景下，各大慕课平台和钉钉、腾讯等在线直播平台发挥了重要作用，善于利用各种信息化手段有效开展网络教学成为当代教师的必备技能。但是传统的网络在线教学模式，教学效果主要取决于学生的自觉和自主学习能力，教师的引领作用发挥不足。[4]引领式SPOC在线学习模式[5]，针对目前SPOC模式存在的问题，融入引领式在线学习[6]思想，强调教师在整个教学过程中的全程引领和监管作用，通过构造多样的交互环境，让学生在高质量的交互活动中获取知识，能有效提高教学质量。

嵌入式系统课程作为电子类专业的主干核心课程，存在学习内容多、课时少、难度大等问题。为了提高课程教学质量，通过引入引领式SPOC翻转课堂教学模式来弥补传统课堂教学的不足，采用双平台（线上Moodle平台[7]+线下课堂实践平台）三阶段（课前预习+课中实践+课后总结）混合教学模式，融入CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate，构思-设计-实施-运作）工程教育模式[8]，设计基于引领式SPOC的嵌入式系统课程教学模式，以培养学生开发嵌入式系统的工程实践能力和创新能力。

二、引领式SPOC教学模式与嵌入式系统课程教学现状

1.引领式SPOC教学模式

SPOC教学模式最早由阿曼多·福克斯教授在2013年提出，该模式通过控制课程准入门槛、增加师生面对面交流讨论机会，有助于显著提升教学质量。[2]当前高校所使用的SPOC教学平台仍然以人机交互模式为主，教师主要负责将学习资料上传到平台，教学效果取决于学生的自主学习和自律能力，在整个在线学习过程中，教师的监管作用发挥不足。引领式学习模式强调教师在整个教学过程的全程引领和监管作用，采用该模式课程的开发重点在于如何引导学生在限定的时间内利用已有的学习资源完成课程内容的学习，使学生通过丰富的交互活动来获取知识。[6]引领式SPOC在线学习模式，通过在SPOC模式中融入引領式在线学习，强调教师的引领和监管作用，通过设计高质量的交互活动，能有效解决SPOC模式教师监管不足等问题。[5]

2.嵌入式系统课程教学现状

嵌入式系统是一门实践性很强的综合性课程，如何在有限的学时内让学生理解掌握扎实的基础知识，并具有开发嵌入式应用系统的工程实践能力和创新性思维一直是一个难题。嵌入式系统课程主要有以下特点。

（1）课程内容覆盖面很广，但教学课时少。我校电子信息工程专业嵌入式系统课程总共有54学时（其中实验16学时），需要学生掌握STM32芯片常用外设功能部件使用和μC/OS操作系统工作的原理、移植和应用。传统的“理论+实验”教学模式，大部分课时被理论课占用，实验学时非常有限，通过有限独立的实验训练，学生难以建立起系统设计的宏观概念，工程实践能力难以提升，所以传统教学模式不适合用于开展“实践性强”的课程。

（2）学生层次差异大，课程评价方式单一，目前机电学院电子信息工程招生层次有统招一本、“卓越计划”试点班、国际合作办学和留学生等，学生基础各不相同且对课程先修知识的掌握程序也存在一定差异，采用统一的课程教学计划很难达到好的效果，传统的单一课程考核模式（实验报告+试卷）难以考察学生对知识点的实践应用和创新能力。

为了破解上述难题，需要彻底革新原来的教学模式。我们的整体改革思路是为了切实提高学生工程实践能力和创新能力，将部分理论知识的学习搬到引领式Moodle教学平台上，延长实践教学学时，解决教学课时少、学生实践能力锻炼不足的问题;针对不同层次学生，设计并确定个性化教学和考核内容，采用多元化评价机制，实行全过程考核，强化对学生工程实践能力和创新能力的培养。

三、嵌入式系统课程的引领式SPOC教学模式设计

笔者依托江西省高等学校教学改革研究课题，依据我校电子信息工程专业已有的教学条件，结合近几年课程教学反馈存在的问题，围绕基于引领式SPOC的嵌入式系统课程教学模式探索这个主题，从引领式教学内容探索、引领式教学活动设计和引领式教学评价体系建立三个方面展开研究，提出了一种新的嵌入式系统课程教学模式，如图1所示。

1.引领式教学内容探索和设计

嵌入式系统课程是一门以电子技术（数字电路、模拟电路、电路分析）和计算机程序设计为基础，数字信号处理、传感器技术、计算机网络等多学科交叉融合的课程。随着嵌入式处理器、嵌入式操作系统、计算机程序设计等技术的发展，嵌入式系统软硬件及开发工具不断更新，还要针对不同层次学生，设计并确定个性化教学和考核内容，主要研究内容如图2所示。

（1）引领式教学大纲的制定

依据教学目标和学生的学习能力来确定教学任务，建立动态的学习过程。以提高学生工程实践和创新能力为指导思想，我们对本课程教学大纲进行了彻底改革，在2018版教学大纲中将原来的“理论+实验”课程模式改成为期4周的嵌入式应用实践实习课程，采用基于CDIO工程教育理念的项目式教学方法，由学生采用小组合作的方式参与完成一个嵌入式项目。教师将整个项目的完成过程分解成基本任务和拓展创新任务两个部分，加强对学生基础实践能力和拓展创新能力的培养和考核。教学大纲只列出了课程的基本纲要，在课程实际运行时，考虑到不同层次的学生对知识理解程度不同，教师可有针对性地对不同层次学生选择不同难度的项目任务，并对单个子任务设置不同的完成指标，制订个性化的课程教学计划。

（2）引领式教学资源开发

嵌入式系统课程是一门多学科融合的综合性课程，通过开展项目化教学，可以很好地把课程知识点融入到实际工程项目的具体应用功能实现中。[7]随着物联网、大数据和人工智能等技术的广泛应用，嵌入式系统的课程内容设置必须紧跟时代的步伐，本课程教学资源的开发主要包含4个方面：①主控芯片功能部件的使用，主要包括根据当前嵌入式行业的进展情况选择代表性典型芯片，录制视频介绍芯片各功能外设的基本工作原理，并提供实验样例代码模版。②操作系统部分，主要包括操作系统的基本工作原理、移植、系统裁剪和应用，需要对单个知识点录制视频，并提供实验样例。③项目案例库建设，项目案例的来源尽量选择紧跟时代步伐、满足社会需求的真实项目，前期可以从合作企业、教师科研项目、往届学生优秀毕业设计和平时的科技创新竞赛活动中，筛选出一些有代表性的项目样板加入嵌入式项目案例库，并在后续课程运行时不断对项目进行更新。④项目管理方法，科学有效的项目管理方法是一个项目最终成功的关键因素，在本课程项目实施过程中引入现代项目管理方法，培养技术与管理并行的综合型人才。

（3）引领式教学交互方式

引领式教学模式强调教师在整个学习过程中的全程引领和监管作用，通过构造多样的交互环境，让学生在高质量的交互活动中获取知识。现有的免费在线学习平台，如学习通提供了新建课程、上传教学资源、布置作业并进行专题讨论等常用功能，但是这些功能是固定的，教师无法根据课程需要进行个性化的定制。Moodle是一个深受全世界教育工作者欢迎的开源课程管理系统，[9]上面提供了非常丰富的师生交互活动方式，除了常用活动外，该系统还有如问卷调查、投票、聊天、互动评价等功能，并且每种功能都设计得非常灵活，比如其中作业和测试中的题目可以乱序显示，能有效防止学生作弊。教师可以在该平台上进行二次开发，根据课程需要灵活设计师生交互活动。

在本课程运行过程中，我们通过构建引领式Moodle线上平台和项目实践课堂线下平台开展线上和线下交互活动，通过线上平台教师分发资源和任务，在规定时间内，学生通过自主学习并完成任务，教师监管学生的完成情况并及时给予评价和反馈，师生和其他学习共同体一起协作完成疑难问题的讨论;线下交互主要指在项目实践场所，师生面对面进行深度交互活动。

2.引领式教学活动设计

通过结合引领式SPOC和CDIO項目化教学模式的特点与优势，依托双平台（线上Moodle平台+线下课堂实践平台），我们对嵌入式系统课程的具体教学活动进行了设计。基于研究具体项目任务而实施的教学活动过程，主要包括课前预习阶段、课中实践阶段和课后总结阶段，具体内容如图3所示。

（1）课前预习阶段

本阶段包括教师课前教学资料准备和课前学习引导，通过优质的教学资源来引领学生达到认识并掌握新知识的目的。教师在课前利用SPOC平台，通过深挖现有丰富的慕课和网上开放课程资源，录制未涉及的部分知识点视频，同时辅助相关教学资源（软硬件、外设接口等开发流程视频，提供实验样例源码），针对当前层次学生特点，有针对性地引导学生分组并分配合适难度的项目任务，在任务完成过程中为学生答疑解惑。学生通过平台预习课程内容，完成随堂测验，参与在线讨论。同时，学生可以将问题发布到主题讨论区，通过师生之间在线讨论来寻找解决方案。

（2）课中实践阶段

学生能灵活地实践所学理论知识并可以解决实际工程问题，即“学以致用”是本课程的最终目地，课中实践阶段是本课程模型的知识完整建构阶段，主要分为基础任务和创新拓展两个阶段。作为教学活动的引领者，教师需将整个项目任务根据知识点进行合理分解，制订详实可行的教学计划。在基础任务阶段，对每一个单一基础任务，又可以分为理论教学和实践教学两个部分，引导学生在合理的时间内完成单个基础任务，可以大大增加学生学习的信心和乐趣，为整个项目的成功打下基础。在创新拓展阶段，教师需要对学生进行引导，不能“为了不同而创新”，创新不是天马行空，创新点要来源于生活实际需要，创新要解决工程应用的实际问题，让学生掌握完成创新拓展任务所需的技能。

（3）课后总结阶段

在此阶段，学生每天都要以日志的形式来对当天所学的知识进行总结，并写明整个团队任务的完成情况和个人所做的贡献，形成文档提交到系统，这样有助于学生对当天所学的知识进行梳理，通过反复总结和反思来固化知识。教师需及时对每位学生的任务完成情况进行点评，对存在的问题进行反馈，并根据项目任务实际进展调整后续课程计划。通过教师评价和学生总结反思使知识得到升华。

3.引领式教学评价体系建立

为了全面评估课程教学效果和学生表现，嵌入式系统课程采用多元评价体系。评价主体多样化，以教师评价为主，同时在课程开展全程引入学生自评和同伴互评，通过引导学生参与评价过程，使整个评价视野更开阔。评价内容多元化，采用全过程持续性评价考核机制，整个课程评价包括过程性评价和总结性评价两部分，其中过程性评价包括课前预习任务完成情况、课堂实践表现及团队合作情况、课后总结反思讨论等部分，以此来全面考核学生对项目和团队的贡献度，这部分总占比40%。总结性评价主要考察团队项目的整体完成情况，其中基础任务的完成情况占30%，创新拓展任务完成情况占20%，最后的文档报告部分占10%，在这里我们通过加大创新任务评价占分来加强对学生创新思维和能力的培养，具体评分构成如图4所示。最后根据课程达成度的分析反馈情况，持续更新教学内容、优化教学过程和改进评价体系，使整个课程教学形成一个良性的闭环系统。

四、结语

本文通过分析嵌入式系统课程特点和引领式SPOC混合教学模式优点，构建了一种基于引领式SPOC的嵌入式系统课程教学模式。通过彻底革新原课程教学大纲，引入CDIO工程教育理念，采用双平台（线上Moodle平台+线下课堂实践平台）三阶段（课前预习+课中实践+课后总结）混合教学模式，强调教师在整个教学过程中的全程引领和监管作用，建立多元评价体系，弥补在原课程体系中学生工程实践能力和创新能力培养不足等缺陷，让学生以团队形式参与完成工程项目从无到有的全过程，大大激发了学生的学习兴趣，加强了学生团队协作能力、项目管理以及系统设计等综合能力的培养，可以为高校实践类课程建立引领式SPOC课程教学模式提供借鉴。

参考文献：

[1]谢幼如，倪妙珊，柏晶，张惠颜.融合翻转课堂与MOOCs的高校MF教学模式[J].中国电化教育，2015（10）：40-46.

[2]徐葳，贾永政，（美）阿曼多·福克斯等.从MOOC到SPOC——基于加州大学伯克利分校和清华大学MOOC实践的学术对话[J].现代远程教育研究，2014（4）：13-22.

[3]康叶钦.在线教育的“后MOOC时代”——SPOC解析[J].清华大学教育研究，2014（1）：85-93.

[4]Marco Piccioni，Christian Estler，Bertrand Meyer.SPOC-supported Introduction to Programming[R].ITiCSE 14 Proceedings of the 2014 conference on Innovation & technology in computer science education，2014：3-8.

[5]王朋娇，崔璨，姜爽.引领式SPOC教学模式构建及在开放大学中的应用研究[J].中国电化教育，2018（9）：123-131.

[6]秦宇.引领式在线学习模式[J].教育信息化，2005（16）：37-39.

[7]Moodle官网[EB/OL].https：//moodle.org/.

[8]刘花香，方江雄，肖静等.基于“卓越计划”和CDIO的《嵌入式系统设计》课程改革实践[J].中国教育信息化，2017（14）：28-30.

[9]Moodle百科[EB/OL].https：//baike.baidu.com/item/moodle/5135846？fr=aladdin.

（编辑：王天鹏）

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