融合创客教育模式的嵌入式教学改革与实践

彭毅弘，程 丽

(福建农林大学金山学院，福建 福州 350001)

引言

万物互联时代给嵌入式技术带来了巨大的机遇和挑战，物联网产业链中的芯片、传感器、无线模组、智能终端等都与嵌入式技术密切相关，嵌入式软件智能性要求也越来越高。在此背景下，嵌入式新型人才必须具备创新力、跨学科知识体系和强实践等素质。教育部提出的“新工科”建设也正是为了主动应对人工智能和物联网发展带来的新一轮科技革命与产业变革[1]。应用型高等院校需要从创新和实践的角度去重新定位嵌入式课程的教学目标和方法，培养真正具备自由创新能力的嵌入式人才。

一、嵌入式教学改革现状

嵌入式课程的综合性强和实践性强等特点导致了教学难度较大，因此不少高校教师进行了教学改革，例如吕东潞[2]提出结合CDIO工程教育理念培养学生的工程项目能力；王冠军[3]采用与学科竞赛平台相结合的方式来构建嵌入式课程体系；鄢秋荣[4]侧重培养学生的软硬件协同设计能力；卢灿举[5]提倡案例教学法，通过建立案例库来满足教学改革所需。目前嵌入式教学改革主要表现在三个方面：一是加强师资力量的建设，通过校企合作、引入资深工程师、项目共建等方式来迅速提升教师的项目教学水平；二是加大实验室的投入，强调案例和项目教学法；三是与竞赛结合，改进实践课程。通过以上三个方面的改革，学生掌握的嵌入式技能更靠近企业对嵌入式人才的需求。

但仍然存在一些问题，以福建农林大学金山学院为例，计算机专业、电子信息专业、机械专业和电子科学专业都有开设嵌入式课程，不同的教师授课，采用不同的芯片方案，虽然都有不同程度的教学改革，但学生在参加科技竞赛或就业时都受限制于本专业所学习的实验平台，无法迅速拓展到新的领域和应用新的设备，创造力难以发挥。另外，由于需要有C语言、电路原理、单片机原理等前置课程，该课程基本都在大三开设，导致大一和大二学生失去了参加科技竞赛的信心和基本技能。同时，涉及嵌入式应用的各种传感器和通信技术层出不穷，如何用最低成本快速更新实验设备和材料，是嵌入式课程改革的一大挑战。如何使学生真实感受到自我创造的快乐和引发对新技术新项目的兴趣，是进行教学改革的核心思想所在。

二、创客教育模式

创客起源于美国的DIY(Do It Yourself)文化，倡导自己动手或与他人合作来创造产品，引起了全球性的技术创新学习革命。通过把创客文化与教育相结合，便产生了创客教育。创客教育强调激发学生兴趣，采用项目学习的方式，培养具备团队协作能力、跨学科解决问题能力和创新能力的学生[6]。美国早在2012年就启动了“创客教育计划”，2015年美国教育部开始和100多所高校及英特尔等科技企业合作建立更多的创客空间，同年麻省理工学院举办以“创造过程中的创新”为主题的工作会议，将创客行动作为教育创新的重点[7]。在中国，2016年国务院印发《国家创新驱动发展战略纲要》，大力推动创客文化进入学校，设置创新创业课程，鼓励学生动手实践和创新创业。同年6月教育部印发《教育信息化“十三五”规划》明确指出高校应努力探索信息技术在创客教育等新型教育模式中的应用[8]。

在高等教育领域，结合“创客”和“嵌入式”为主题的教改文献数量不多，比较典型的有章晓敏[9]在《嵌入式操作系统高级编程》课程中引入了创客教育的项目式教学方法，加深学生对Linux操作系统编程的了解。还有李兰英[10]等将开源创客平台引入嵌入式实验教学中，研制嵌入式及物联网基础实验系统。通过对各高校现有教改项目的分析和学习，以培养创新能力为核心思想，融入创客教育模式，对嵌入式教学进行了较全面的改革和实践。

三、构建跨学科、递进式的嵌入式教学体系

创客教育中融合有强调创新、项目教学、边做边学等多种元素，与嵌入式教学改革所需的创新和实践理念是十分契合的。在原先的培养方案中，嵌入式课程是本科高年级开设的专业选修课，不同专业之间知识不融合，与前置课程在时间上衔接不紧密，后续也没有实践项目进行巩固和提升，导致教学效果不佳，学生的实践和创新能力得不到锻炼。因此在现有教学体系基础上，通过对金山学院的计算机、电子信息、机械和电子科学这四个专业的嵌入式课程的梳理，构建了融合创客教育模式的跨学科、递进式嵌入式教学体系，总体框架如图1所示。

图1 嵌入式教学体系的总体框架

(一)课程的重组与融合

在新的嵌入式教学体系中，首先要对各专业的嵌入式课程进行重组和融合，打破原来专业间孤立且线性的知识体系。各专业教师和专家通过研讨，对不同层次的嵌入式课程的技能点进行梳理和分解，然后重组和融合，使得调整后的课程内容可以满足跨学科应用的需求。如表1所示，嵌入式基础课程经过重新设计后，改变了以往教学强调芯片内部和底层驱动的思路，让学生先体验，先设计，再辅以理论讲解，从实践中逐渐领悟抽象的理论知识。同时扩大了基础课程的知识范畴，拓展到各种主流的显示模块、声音模块、传感器、电机控制、无线通信技术等领域。课程最后需要检阅的是学生是否具备自行查阅资料、自行研究新平台开发方法的能力，这也是最核心的能力，能够为后续的专业课程或项目创新打下良好的基础。

表1 嵌入式基础课程的关键技能点

后续课程可以基于这个基础平台进行专业化训练，例如计算机专业可以开展计算机网络课程实践，电子信息专业可以开展物联网课程实践，电子科学专业可以开展传感器原理课程的实验操作，机械专业可以在同样平台上开展涉及机械构造和3D打印相关的项目设计。

(二)递进式的课程设置

在课程设置上，开设以下三种不同形态的课程：

1.体验型课程

主要体现在面向大一新生开设的专业认知实践课，组织学生去参观创客空间，体验创客产品，在体验过程中让学生了解每款产品所需的技术要素，背后隐含的经济和社会价值，然后指导学生寻找兴趣点和组建兴趣小组，利用无技术门槛的创客设备来进行项目设计或改造。通过简单的项目设计初体验，激发学生的兴趣与创新意识。

2.基础技能型课程

体现在嵌入式基础课程，为了实现学生早进实验室、早做项目、早接触科技竞赛的目的，嵌入式基础课程提前到大二开设，先修课C语言程序设计和电路原理在大一完成。嵌入式基础课程包含基础理论知识、项目技能训练及创新项目拓展三个层次，其中基础理论知识和项目技能训练是适用于各专业学科的，创新项目拓展则根据不同专业有所侧重。

3.竞赛型课程

体现在专业技能综合考核上，各专业都有开设专业技能综合考核课程，时间上横跨大三至大四，目的是考核学生使用专业技能进行综合项目设计的能力。教师可以指定竞赛项目，也可以针对竞赛挑选项目，利用创客空间实验平台，学生根据专业特长组队进行设计与开发。

通过三种形态的课程设置，实现递进式的嵌入式课程体系，使得知识技能的学习在整个时间线上是紧密联系且不间断的，在层次上是递进提升的。

(三)引入创客设备，建立“学竞一体”的创客空间

目前嵌入式实验教学主要以ARM芯片为依托，设备以实验箱为主，受限制于实验箱的电路设计，大部分实验只能进行验证性实验。实验箱价格昂贵，学校采购数量有限，学生只能分组使用，容易导致部分学生眼看手不动。另外由于实验箱体积庞大，课后无法再使用，限制了学生课后思考和创作的空间。为了提升实验设备的便携性、设计性和拓展性，引入了Arduino创客套件。Arduino是目前创客使用最普遍的开源硬件，具有价格低廉、便携性高、功能和拓展性强、入门容易等特点。也正由于这些特点，Arduino形成了强大且开放的生态圈，软件方面，拥有很多优秀的库资源；硬件方面，除了核心电路板外，各厂商还提供种类繁多的扩展功能模块；兼容性方面，Arduino具有标准的接口，许多主板都互相兼容。Arduino具备的这些优点，刚好能满足嵌入式实验的创新要求。在开课初将实验套件发给学生，人手一套，实验时由学生带到实验室。课后学生携带回宿舍，利用自己的电脑完成课后作业，或者开展创新项目。一直到课程结束，非耗材及工具才全部交回给实验室。在教学的整个过程中，实验设备和材料都一直在学生身边，可以随时随地进行交流、研究和创造，大大提升了学生的自主学习能力、实践能力和创新能力。

为了支撑科技竞赛和更多课程的工程实践训练，嵌入式实验室改造成为创客空间，在设备的配置上拓展为五个层次：一是基础设施，如计算机、学习软件、网络设备、示波器等；二是控制主板，如Arduino、树莓派、基于ARM或STM32的控制板等；三是各类传感器，如高清视频头、温湿度传感器、超声波模块等；四是各种通信模块，如蓝牙、Wifi、ZigBee、NB-IoT等；五是机械平台，如机器人和车、机械手臂、无人机、3D打印机等。在创客空间里，既可满足嵌入式基础、嵌入式Linux应用、传感器原理、物联网、计算机网络等各专业课程的实践操作，在课余时间，还能满足学生创意作品制作和参加技能大赛等需求。

(四)结合MOOC“翻转”课堂

融合创客教育过程中还需要克服创客教育更重视系统应用实践而忽略底层理论的缺点。虽然学生使用Arduino更容易看到嵌入式课程的复杂性和挑战性，课设作品也更加的完整和具有系统性，但由于Arduino封装了底层驱动，只提供标准的接口函数，就导致容易忽略底层技术内容。而嵌入式本身是有很深厚的技术底蕴的，例如体系结构、处理器指令系统、CPU内核、寄存器、总线等重要的基础理论也是需要学生理解和掌握的。而且为了强化实践，必定要压缩一些理论授课学时，因此仅靠线下授课显然不能满足教学改革需求。结合MOOC教学方法，把抽象的理论内容变成MOOC视频对促进教学改革有很大的作用：一是课前让学生学习指定MOOC视频，在课堂上教师仅面授重点难点知识，然后把更多的时间留给学生实践、提问和交流，达到翻转课堂的效果；二是结合MOOC方式，能够扩展理论知识的范畴，还可以在线上平台分享自己的创意、观点和产品；三是MOOC视频中丰富的动画效果能实现PPT和黑板无法达到的教学效果，让学生更容易理解和掌握抽象的理论知识。

与MOOC结合后，线下课程也进行了调整，不再采用传统的先理论后实验，理论课与实验课在时间和空间分离的方式，改为采用创客教育的“做中学”方式，将理论课和实验课穿插进行，在时间和空间上不再分离。例如嵌入式基础课程就改为每次课3学时，前面由教师讲解重点难点知识，时间控制在半节课内为宜，接着就让学生开始动手做实验，期间为学生解决问题，当问题积累到一定程度，或者实验进行到关键处，教师可以根据情况进行理论知识的引入和讲解。例如要学生掌握数字I/O口的原理和使用，可以在课前让学生观看相关的MOOC视频，先让学生对数字I/O口有初步认识，然后在课堂上指导学生先操作LED灯和按键实验，在合适的时间进入数字I/O口的电路基础、寄存器设置、接口函数等方面的理论讲解。课后布置学生完成设计性的实验，并配合知识延伸性的MOOC视频，达到课前预习，课堂做中学，课后思考创新的效果。

(五)学生综合评价

由于该教学体系的综合性较强，因此评价方式需要灵活且多样化。在体验型课程中侧重体验部分，更关注学生的体验收获及心得分享；在基础技能型课程中结合MOOC学习、课堂表现、考勤、实验及设计作品五方面综合得分，其中更应侧重实验过程及设计作品质量；竞赛型课程可以比较直接，由竞赛规则来评定分数。当然，评价分只是一种手段，最终要实现的是整体且高效地提升学生的综合实践能力和创新能力。

四、改革成效

以嵌入式基础课程为例，以不记名问卷形式收集学生对学习效果的评价，91%的同学认为通过课程学习建立了对嵌入式开发的信心，95%的学生在遇到问题时会有针对性地通过观看MOOC视频来寻找解决方法，85%的学生认为在代码设计和系统集成方法方面受益很大。从课程设计作品来看，与以往相比，作品的质量更高，更具有创新性，例如2017级电信专业的学生课设作品“干湿垃圾分类系统”，既综合了课程所学，也有对生活环境的思考和关怀之情。还有“作物环境监测采集站”、“智能家居语音识别系统”等作品，所使用的技术和模块已经超出了课堂所学，是学生在课后花费大量时间查阅资料，利用创客空间提供的资源，不断改进设计才能达到的项目水平。在竞赛方面，除了在大学生创新创业大赛、大学生电子设计大赛等大赛上取得良好的成绩，还在中国机器人及人工智能大赛、大学生智能设计大赛和大学生工程训练综合能力竞赛上实现了零的突破，分别获得一等奖和两个二等奖的优异成绩。

五、结语

通过融合创客教育模式，建设跨学科递进式的嵌入式教学体系，把嵌入式实验室改造升级为创客空间，满足创新实践的需求。授课方式结合MOOC方式，给予学生更大的学习空间和时间。值得注意的是，学生的适应过程是循序渐进的，教师应先支持学生的创造性体验和感受，再慢慢形成主动参与创造的意识与能力。另外，新的嵌入式教学体系需要教师具备很强的项目设计能力、跨学科创造性思维和灵活的随堂应变能力，需要在教师层面加强引导、交流和学习。