基于统筹规划和OBE理念的嵌入式开发实训系列课程设计与建设.pdf

针对多门嵌入式开发实训课程单独规划时存在的诸多问题，分析各门课程单独进行教学设计的弊端，提出将多门课程视为一门跨越多个学期的大课程，并结合 OBE 理念进行统一设计和建设的统筹规划理念，介绍各门课程教学内容、教学方案的设计，阐述如何将多门课程建设为前后照应、循序渐进、有机联系的系列课程。关键词：嵌入式开发；实践教学；系列课程；统筹规划；OBE；实训文章编号：1672-5913(2023)08-0186-030引 言嵌入式系统开发实训课程是高校相关专业学生的重要课程。高校中相关课程老师不断探讨研究提升嵌入式开发实践教学成果的新理念和新方案1-4。这些教改研究成果主要是面向某一门嵌入式系统实训课程或者理论课程中的实践部分。正如在综述文献 56 中所讲，嵌入式系统技术密集、软硬兼顾、不断创新，因此嵌入式系统实践内容较多，所以往往包含多门实践课程，开设在不同的学期。通常，这些课程是分别由每门课程的任课老师对该门课程单独设计。虽然单独设计时任课老师会结合专业培养目标，根据开设的学期和授课对象特点进行规划，但由于嵌入式开发实操实训的自身特点，如：开发板和核心芯片可以有多种选择，硬件接口类型众多，涉及多种传感器，外设控制可以多种方式实现等，而且在前后顺序上并不像理论课程那样存在某种必然的固定关系，当每门课程单独设计时，会出现较多的问题。较为突出的问题包括各实训课程内容和难度出现交叉、断层，无法做到循序渐进；相关内容内在逻辑不清晰，学生对学习路径不清晰，从而削弱学习动力；前期课程无法为后续课程做有效铺垫，没有起到夯实基础的作用，使教学效果大打折扣；教学内容或思政教育重复等。针对这些问题，可以将多门嵌入式开发实训课程形成有机联系的系列课程，采用目标导向教育（OBE）理念，在教学内容和教学方法上进行统筹规划，像设计一门跨度时间长、涵盖内容广的课程一样去设计这一系列课程。1基于统筹规划和OBE的嵌入式开发实训系列课程设计与建设理念根据物联网专业培养方案，物联网专业学生会先后学习的嵌入式开发相关实训课程一般有物流信息技术实训、国产化嵌入式系统开发实训和物联网综合设计。系列课程中，物流信息技术实训兼顾物流信息技术理论和配套实训，在嵌入式开发设计实训中处较为基础的地位，主要采取裸机系统，偏重使用和体验。更为重要和要求较高的是国产化嵌入式系统开发实训和物联网综合设计，前者在大二升入大三的暑期开设，后者在大四上学期开设。按照常规对这一系列嵌入式实训课程分别单独设计时，虽然课程整体定位可以大体反映出不基金项目：北京物资学院教改项目“基于 OBE 和系列课程统筹规划的嵌入式开发实践教学探究与实践”（2022jgxm23027）。作者简介：郗松楠，女，讲师，研究方向为嵌入式开发、物联网、人工智能，。教育与教学研究第 8 期187同的教学层次，但正如引言中所说，由于各课程实训模块内容的选取和安排，具体实训任务的教学和考核设计等未将多门课程统筹规划，导致诸多问题，因此提出将多门课程视为一门大课程的统筹规划理念并在设计教学方案时基于 OBE 模式，进行这一系列嵌入开发实训课程的建设。2课程设计与建设2.1统筹规划教学内容，确保课程内、课程间都循序渐进当国产化嵌入式系统开发实训和物联网综合设计分别单独设计时，每门课的授课教师往往都会从一个相对基础简单的实训，比如串口、LED灯控制等开始，再进入难度较高的实训，比如传感器采集、多线程和 QT 移植等。由于前后课程具体实训内容分别单独设计，往往出现基础内容在多门课程中重复，每门课程在较短课时内从基础跃入较难内容，导致难度出现断层和交叉，学生学习路径不清，削弱学习动力。当采取统筹规划的课程内容设计时，前期课程国产化嵌入式系统开发实训把全部 32 课时都用在嵌入 Linux 开发环境的搭建和较为基础的实训内容，包括熟悉开发流程、通过充分练习熟练掌握类 Unix 操作系统文件系统和命令、基本外设等。学生在这门课程中可以有充分的时间练习并掌握这些较为基础的嵌入式开发实训内容。后续课程物联网综合设计可以在简短复习前面实训内容后就逐渐加大实训内容难度，从不同方式控制外设，然后进入多线程、多传感器等。另外，嵌入式开发板种类繁多，不断更新。分别单独设计课程时，容易出现一课一板的情况，不论哪种开发板，都无法透彻学习。统筹规划时，这两门课程都统一采用具有中国自主产权的龙芯教育派开发板，通过两门课的学习把这块开发板学透，将来学生自己就可以在使用其他开发板时举一反三。2.2基于 OBE 理念设计教学方案，多门课程服务一个终极综合任务根据目标导向教育（OBE）理念，为统筹规划的系列课程设计一个综合性终极任务，以该终极任务为最终目标导向，设计各门课程中各次实训具体任务和具体教学方法、考核方式。系列课程的全部实训内容形成有机系统的整体，为该终极目标任务服务。1）以终极任务为导向的系列课程实训任务设计。设计一个终极实训任务，作为系列课程结束时学生要实现的目标。每一门课程每一次实训学习到的知识和锻炼的技能都为解决这个终极问题提供支持。学生在学习过程中感觉就像打游戏不断充实装备升级一样，每一次实训都是在为完成最终任务做准备，学生需要认真对待每一次实训才能顺利完成终极任务。这样不仅有效激发学习兴趣和动力，还可以有效防止应付了事的敷衍态度，巩固学习效果。终极任务不仅有引领作用，也是对前面各课程所学的复习和升华，可以进一步提升实践教学质量。终极任务需要具有综合性，可以将嵌入式开发人员在高校阶段应该掌握的相关技能涵盖其中；要有设计性，学生需要用到课堂所学知识，但并不是照搬即可，需要根据所学、结合平时的多次实训锻炼获得的知识和技能进行分析，并设计实现方案。对于具体的嵌入开发实训课程，基于前面阐述的统筹规划下教学内容的选取和安排，终极任务为智能家居模拟系统设计与实现，要求利用各种传感器和外设设计具有一定智能的家居监控模拟系统，数据显示和控制设置均通过用户图形界面实现（QT）。与此终极任务对应的课程具体实训设计为：国产化嵌入式系统开发实训的实训任务有 Linux 编程开发环境搭建与开发流程、LED 莫尔斯电码、PWM、Modbus 温湿度采集、Modbus 环境数据采集监控和 QT 初识与移植。物联网综合设计的实训任务包括多方式实现GPIO 引脚驱动 LED、多方式实现 PWM 驱动舵机、I2C 设备 PCA9685、QT 图形界面设计与实现。两门嵌入 Linux 开发课程的全部实训内容都服务于终极任务。2）以综合设计能力培养目标为导向的系列课程教师指导方式设计。物联网专业培养目标要求毕业生面对实际物联网工程任务可以进行分析、对比、设计并最终2023188计 算 机 教 育Computer Education实现，这也是终级任务的难度设计标准。学生需要结合智能家居的任务要求去设计具体任务划分为几部分、每部分可以怎么实现、哪种实现方式更适合，以及图形界面应包含哪些内容等。要达到终极任务难度要求，需要设计系列课程中教师的指导方式方法。起初的物流信息技术实训课程中学生接触到的是裸机操作，实现单一任务，主要是让学生对基本的硬件概念有感性认识并产生兴趣，因此操作过程讲述会比较慢，代码基本也只需要学生大致了解并能做少量改动即可。进入国产化嵌入式系统开发实训课程，学生开始接触嵌入 Linux 开发，实现的任务功能开始强大，和裸机开发形成对比。但由于是初次接触基于嵌入操作系统的开发，更多的仍是模仿和体验，老师带着操作和辅助的比重偏大，更多侧重在激发学习兴趣和培养动手实践的热情，但对学生的代码能力要求会提高，会在一定的代码框架下留出更多需要学生自行完善的内容。物联网综合设计则需要学生最终可以较为独立地进行操作，因此教师会降低辅助的比重，偏向原理讲解，引导学生结合原理和已学内容思考和自己摸索实践。3）以前后呼应、加深巩固为目标导向的系列课程考查、考核方式设计当各课程考核方式单独设计时，往往出现考一课、丢一课的情况，使学习效果大打折扣。在统筹规划系列课程时，这个问题可以通过不同课程中设计前后呼应的考查、考核得到有效解决，以巩固学习成果。比如，前期课程国产化嵌入式系统开发实训的部分平时分数、期末分数可以以某种方式折合到后续课程中。后续课程物联网综合设计在承上启下进行衔接和复习时，以预习作业形式让学生回顾复习前面学习到的嵌入 Linux 系统开发的相关知识和操作，然后在课堂上以课堂测验的方式进行考查。部分能力较强的学生如果提前达到最终目标任务的要求，那么可以给予部分或全部免修后续课程或成绩加分等奖励进行鼓励。这样前后呼应的设计，一方面，学生深知这一门科学不好会连累其他课程，可以大大减低学生在学习这一门课时只想对付了事的倦怠想法，另一方面，学生通过这种形式也可以具体感受到各门课程内容之间的衔接和递进，激发学习动力。2.3系列课程彼此配合，培养双创理念和挖掘思政元素嵌入系统开发实训课程势必联系到创新创业理念7-8，触及国家间的技术角逐和竞争、国家发展等思政元素9-10，是培养双创理念和进行思政教育的天然沃土，但如果各门课程在具体设计时分散考虑，很容易造成重复啰嗦，引起学生反感，因此，采用系列课程统筹规划的理念，将双创和思政教育在多个课程中借助不同具体实训内容、前后呼应、从多个角度进行润物细无声地反复渗透和强化。对于创新创业理念和能力，在前期课程中引入相关的创新创业的实例进行创新创业理念的铺垫，并“剧透”后期课程会继续深入学习；在后期有一定难度的实践课程中，借助精心设计的实训内容，在提出更高要求时，从双创理念的角度鼓励学生尽力达到较高要求，从双创的思路出发去探寻不同的设计方案，以体会创新理念在项目中的应用。思政方面可以从激发爱国情怀、民族自豪感和工匠精神等方面挖掘。从最早的物流信息技术实训裸机开发使用的意法半导体芯片，到后续嵌入 Linux 开发时就会采用具有中国自主产权的核心芯片和开发板，前后对比强调科技兴国、工匠精神和激发爱国情怀。3教学效果将跨越多个学期的相关实训课程视为一个大课程进行统筹规划并结合 OBE 理念，对整个系列课程的教学内容和具体方案进行统一规划和设计，以一个终极综合性设计任务为导向，设计相关的每一门课程的实践活动和教学开展，让学生明确清晰的学习路径，保持充足的学习动力，前后课程更有效地呼应和衔接，显著提升了嵌入开发实践教学质量和成果。从目前教学成果和反馈效果看，这套系列课程建设的理念和方法是显著有效的。学生中感觉课程有用、有趣的声音越来越多；学生更积极主动地和同学老师探讨相关的问题，而不是仅满（下转第194页）2023194计 算 机 教 育Computer Education革，探索与实践过程中逐步成熟和发展。这一过程从较单纯的理实结合、技术验证、支点应用，到着眼于从培养学生的能力出发，通过运用业界主流的 JUnit5 框架技术，以项目引领、案例驱动、工作过程为牵引，重构教学设计，改革教学进程，优化实践内涵。教学实践的成效反馈了这一改革思路的正确和成功；同时，通过 JUnit5 良好特性的运用和展现，也促进将其迁移运用到后继的接口测试开发与 Web 自动化测试等其他课程的实践教学中。参考文献：1 Cohn M.Succeeding with agile:Software development using scrumM.Boston:Addison-Wesley Professional,2009:311-313.2 Hunt A,Thomas D.单元测试之道JAVA版-使用JUnitM.陈伟柱,陶文,译.北京:电子工业出版社,2005:79-86.3 书栈网.Junit 5官方文档中文版EB/OL.2018-06-05.https:/ Java Magazine.Migrating from JUnit 4 to JUnit 5:Important differences and benefitsEB/OL.2020-04-06.https:/ 朱冬玲.基于先进工作过程的软件测试课程教学J.电脑与电信,2013(11):37-38.（实习编辑：欧 阳）足于按照实验步骤做出实现结果；学生更加大胆尝试，面对问题不为难不慌乱，即便未必立刻解决，也多半可以给出大致正确的解决方向。4结 语在嵌入式开发实训系列课程教学中还有几点值得关注，首先要根据业界发展和技术更新动态调整实训内容，嵌入式开发的发展变化可谓日新月异，如果想让学生可以在毕业时从实践能力角度具备更强的竞争力，那么在保留必备的基本素养实训同时，要结合最新技术动向，动态调整各次实训和终极任务的内容和要求；其次，借助教学活动进行的双创和思政教育，是需要通过多次反复不断渗透，我们应仔细设计、持续更新具体文案，从而达到反复而不重复、强化而不引起反感。参考文献：1 熊旭辉,程永山,童强,等.物联网应用型人才培养背景下的嵌入式系统的实践教学探讨J.湖北师范学院学报(自然科学版),2015,35(4):108-111.2 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