网络工程专业嵌入式课程双主动教学改革研究

摘要：针对目前嵌入式相关课程教学效果不理想的问题，探讨网络工程专业嵌入式课程的教学方法，提出双主动教学模式，指出该模式以建构主义理论为指导，面向物联网应用设计，并采用抛锚式教学方法，通过创设情境实施理论环节教学，从学生的知识基础和兴趣出发分层次实验。

关键词：嵌入式；构建主义；抛锚式教学方法；物联网应用；双主动

1 建构主义教学理论

近年来，嵌入式技术和嵌入式产品已经渗透到各个领域，如信息家电、通信设备、工业控制等，社会需要大量掌握嵌入式技术的人才，因此，越来越多的高校开设了嵌入式相关课程。嵌入式系统是一种软硬件结合的技术，与产品和市场有紧密的联系，具有很强的实践性和应用性。在教学中，教师普遍认为该课程难教，学生学习起来也很吃力，难以深入掌握相关知识，教学效果不理想，因此，笔者主张以建构主义理论为基础，探索新的教学模式。

建构主义观点是由瑞士心理学家让·皮亚杰于1966年提出的，他创立的学派被称为“皮亚杰派”，是认知发展领域中最有影响的学派。建构主义学习理论包括以下3个基本观点。

1.1 学习是一种过程

学习者在学习新知识时，不是通过传授获得知识，而是通过他对知识的经验解释，将知识转变成了自己的东西，即知识和技能的获得，是学习者与外部环境交互作用的结果，而不是教师单向灌输的结果。

1.2 学习是协商活动的过程

学习不是单向的接受过程，教师不但肩负着“传”的使命，更肩负着调动学习者积极性的使命。教师要分析学习者的知识结构，找到合适的切入点，才能确保新知识单元被建构到原有知识结构中，形成一个新的结构。然而，不同的学习者知识结构不一样，对知识的理解不一样，从而导致学习者的学习效果不一样。因此只有通过“协商”和磨合，才可能达成共识。

1.3 学习是一种真实情境的体验

学习的目的是让学习者真正使用所学的知识来解决问题。“懂了”只是第一步，“会用”才是更关键的，会用才证明真正学会了。只有在真实情境中，才能使学习变得更有效，因为学习者可以在真实情境中解决实际问题。

分析以上3个基本观点可知，建构主义教学理论应该以学生为中心，在整个教学过程中教师是组织者、指导者、帮助者和促进者，利用情境、协商等学习环境要素充分发挥学生的主动性、积极性和首创精神，最终达到使学生有效实现对当前所学知识的理解和应用。可见，在建构主义教学理论下，教师和学生的角色、作用与传统教学相比已经发生了很大的变化，而这种变化必将给嵌入式课程的教学注入新鲜力量，为改善教学效果开辟了新的途径。

2 物联网与嵌入式技术

物联网的概念于1999年提出。根据2005年国际电信联盟（ITU）的定义，物联网主要解决物到物（Thing to Thing，T2T）、人到物（Human to Thing，H2T）、人到人（HumantoHuman，H2H）之间的互联。物联网这一高度交叉的新兴前沿领域在国际上备受关注，美国IBM公司基于物联网提出“智慧的地球”概念；中国科学院早在物联网概念诞生之初就启动了传感网研究；2009年，无锡物联网产业研究院成立，考察时提出“感知中国”的概念。

在物联网应用中有3项关键技术，即传感器技术、RFID（射频识别）技术、嵌入式技术。把物联网用人体做一个简单比喻，传感器相当于人的眼睛、鼻子、皮肤等感官，网络就是神经系统用来传递信息，嵌入式技术则是人的大脑，在接收到信息后要进行分类处理；物联网的发展为嵌入式技术的发展提供了新的应用领域。因此，嵌入式课程的教学内容安排要面向物联网的应用。

3 双主动教学模式

3.1 理论教学环节设计

在建构主义的教学理论下，目前已开发的比较成熟的教学方法主要有：支架式教学法、抛锚式教学法和随机进入教学法。笔者主张采用抛锚式教学方法进行课程理论环节的教学。抛锚式教学也称“实例式教学”或“基于问题的教学”，它要求在教学过程中，依据教学内容、对象和方式，确定锚点，即选取有感染力的真实问题，通过抛锚引导出讲授的知识，设计出问题来指导教学。所谓的“抛锚”就是教师通过选取有感染力的真实问题创设教学情境，以确定教学内容用，“抛锚”是否成功，取决于教学情境的创设能否激起学生的积极性。由此可以看出，“抛锚式”教学方法的关键环节是教学情境的创设。下面笔者针对物联网应用，分析嵌入式课程的理论教学内容，然后给出创设的教学情境。

3.1.1 教学内容安排

嵌入式理论教学目的是掌握嵌入式系统开发技术，为物联网的应用奠定基础，而嵌入式软件是物联网的重要的核心技术之一，它的发展促进物联网的工程应用，因此，为了更好地应用物联网，嵌入式课程安排6个知识单元的教学，具体内容包括以下几个方面。

第1知识单元：嵌入式系统绪论。掌握嵌入式系统定义、特点，了解嵌入式系统的发展趋势、特点，理解嵌入式系统的设计过程。

第2知识单元：ARM体系结构。掌握ARM9结构，了解ARM9的指令集、工作模式，理解ARM9储器格式、存储器映射I/O结构、ARM异常，掌握ARM9的寻址和加载/存储指令、算术和逻辑指令、比较指令、分支指令、软件中断指令。

第3知识单元：嵌入式系统的接口设计。掌握接口的控制方式、存储器接口设计、引脚连接模块应用、GPIO接口设计，了解中断的分类、中断源，掌握中断设计、定时/计数器接口设计、串行口设计、人机接口设计。

第4知识单元：嵌入式系统的软件平台构建。了解嵌入式系统软件平台的发展、典型嵌入式操作系统，理解嵌入式系统软件开发的特点，掌握UC/OS—II移植规划、移植文件构成、移植代码与系统应用程序设计、任务设计、常用的系统函数、任务问通信程序设计方法、内存管理的程序设计方法。

第5知识单元：嵌入式网络技术。了解分布式嵌入式系统网络结构、通信方式，掌握异步串行通信网络、12C总线网络、CAN总线网络、USB网络，理解嵌入式TCP/IP协议的特点，掌握嵌入式TCP/IP协议的实现方法。

第6知识单元：嵌入式系统设计实例。通过实例掌握嵌入式系统设计的过程和方法。

其中第2、4、5知识单元是嵌入式软件的核心内容，不少于20学时。

3.1.2 教学情境创设

针对每节课的教学内容创设一个学习情境，设计一个总体任务，并向学生展示出整体情境，提出总体任务，然后引导学生对总任务进行分析，尝试将总任务分解成有序的各级子任务，并讨论出各级子任务所需要的知识和技能，最后学习这些知识，锻炼这些技能，以解决问题。下面以UC/OS—II移植为例来说明进行教学情境创设的过程，具体步骤如下：

第1步，运行一个简单的多任务程序，展示移植UC/OS—II后程序的设计方法。通过感性认识，引出要讲授的知识，并强调学习该部分知识的重要性。

第2步，在ADS集成开发环境下设计一个工程，给学生展示移植UC/OS—II后多任务程序设计的运行情况，分析应用UC/OS—II系统函数进行多任务程序设计的方便性，激发学生的学习兴趣，提出总体任务：移植需要完成的工作。

第3步，分析总体任务，完成移植工作需要在OS cpu.h、OS cup C.C和OS cup a.s中设计移植代码。在工程的h文件夹下打开OS_cpu.h，在工程的arm文件夹下分别打开OS_cup_c.c和OS cup a.s分析移植代码的设计思路，依据设计思路，指导学生进行关键程序段的编写。

第4步，总结移植步骤和方法。

内容讲授完毕后，让学生总结UC/OS—II移植的步骤和方法，加深学生对该部分知识的理解。

从上面的设计步骤可以看出，情境创设是从真实情境展示出发，由真实情境引出要讲授的知识，即先给出问题再说明问题的解决方法。相对传统的灌输教学方法，可以让学生对所学知识的重要性有更好的理解，从而激发学生的学习兴趣，提高学生的学习主动性。

3.2 实验教学环节设计

实验课程的教学以建构主义理论为指导，从学生的知识基础和兴趣出发，进行分层次教学，即将实验内容分成验证性、设计性、创新性3个层次，课前教师布置预习内容，提供与实验内容相关的大量资料，给予学生充分的时间进行查阅和理解资料，课上教师仅指导学生探索问题、解决问题，充分发挥学生的主动性，让学生自己学习、自己操作，验证性、设计性实验在课上完成，并由教师对完成情况进行检验，现场给出成绩；此外，对实验感兴趣的学生可以利用课余时间完成创新性实验，这需要定期开放实验室，允许学生动态使用实验室的所有资源，在教师的指导下充分发挥学生的积极性和创造性，运用已有的知识基础，自己思考并动手解决实际问题。通过实验教学环节，使学生对所做实验的性质、规律以及知识之间的内在联系有较深刻的理解，形成对知识的意义建构。表1给出了实验项目及类型。

创新性实验内容综合性强，涉及的知识较多，学生2～3人一组，每一组内的学生相互协作共同完成实验内容。此外，实验项目可以动态变化，学生可以从表1中选取题目，也可以由教师设计题目，这取决于完成创新性实验的学生的兴趣状况和知识基础。

4 结语

以建构主义理论为指导的双主动教学模式，对嵌入式课程的理论和实验教学环节进行设计，是对教学方法进行的有益探索。该教学模式不仅提高了教师教学的积极性，还能够提高学生的学习效率和知识积累，有助于提高学生分析问题、解决问题和创造性思维的能力，从而提高了学生学习的主动性。