建构主义理论在应用型本科嵌入式系统教学中的探究与实践

刘振恒 王金华 李天工

[摘 要]针对嵌入式系统课程要求知识面广、涉及基础课程多、要求学生的综合能力和实践能力强、教学难度大等问题，应该结合建构主义教学模式和教学方法，以建构主义核心思想为中心，在嵌入式系统课程开展中引导学生在一定的教学情景下，以协作形式，通过逐级推進和不断积累、整合知识碎片的方法，主动构建和完成对该课程的学习和实践，实现理论实用、技能过硬的应用型人才培养目标。

[关键词]建构主义 逐级推进 知识碎片

[中图分类号] G642[文献标识码] A[文章编号] 2095-3437（2015）12-0042-03

一、引言

2014年全球计算机硬件领域正式迈进以嵌入式应用引领的“后PC时代”，嵌入式技术及产品成为信息产业研究和应用的热点。正是嵌入式技术迅猛的发展以及应用领域的不断拓宽，社会对嵌入式技术人才的需求量越来越大。近年来许多高校的电子专业、自动化专业、计算机专业及通信工程专业针对市场需求纷纷开设嵌入式系统课程。但各高校在课程设置和内容安排上，还处于探索阶段，这主要表现在以下几个方面。1.嵌入式系统课程涉及电子、计算机、自动化控制等多专业知识，综合性和实践性强，对学生的专业知识有较高的要求。2.针对通用于不同专业的嵌入式系统课程教学，市面上的教材及指导书设计多数是面面俱到，缺少专业针对性。3.高校在教学方法上多偏重理论及原理知识的传授，实验内容大多由教师指定，学生在完成课程之后，虽然比较清楚的掌握了嵌入式开发的原理、方法，但开发技能和素养与实际的专业需要还有很大的差距。4.随着课程体系的改革，各高校在不断压缩课程的学时与嵌入式系统课程涉及的知识点纷杂繁多相矛盾。[1] [2]

为了提高嵌入式系统课程的教学效果，国内外高校都在不断探索，尝试采取一系列的教学改革措施，并提出了一些针对不同学生群体、不同专业需求的教学方法。如长春大学采用讲授与实验一体化的教学方法[3];西南大学提出了“基础性、综合设计型、研究创新型”三层次的嵌入式系统实验教学系统，采用开放式实验教学思路和方法[4];解放军信息工程大学提出了机遇自命课题的团组式教学方式，要求学生围绕专题提出自己的研究题目，集体讨论等[5];美国Syracuse University（雪城大学）等在本课程的实验中根据难度不同、时常不同，采取制定课题和自选课题的综合性实验设置方式，以此来提高教学效果。

本文在借鉴国内外嵌入式课程教学方法的基础上，针对学生感觉课程内容枯燥，不愿意学，达不到好的教学效果;设置的实验课内容多以实验箱附带的验证性实验为主，学生缺乏主观能动性等多种问题，提出基于建构主义的教学方法，让学生从以往知识的被动接受者转变成为知识的主动构建者。在理论教学中，设计相应的情境环境，通过课堂讲解、推荐和主动收集资料、概括总结和应用等环节，不断把知识碎片通过运用层次推进的方式，完成对知识主体的建构。另外，在实践应用中，学生把构建的理论知识主体通过自主、协作和探究等方式应用到实践内容的学习中。建构主义的教学方法不但让学生学习了知识，而且能够做到紧跟当前技术发展的方向，使学生掌握获取知识和技能的方法，提高学生的创造力。

二、建构主义教学方法的概述

建构主义是由认知主义发展而来的哲学理念，其含义是任何学习的发生都不是在白纸上进行的，而是将新知识与已有知识建立起联系，从内部通过创造、协调对原有经验进行改造和重组，对新知识进行意义建构。在此基础之上的教学理论认为，获得知识的过程，不能单纯通过教师的传授，通常还要学习者借助教师和学习伙伴的帮助与合作才能完成。

与传统教学方法相比，建构主义教学法改变了传统教学的三个中心，即由以教师为中心转变为以学生为中心、由以课本为中心转变为以任务为中心、由以课堂为中心转变为以实践经验为中心。在以建构主义理论思想的教学设计中，其主要特征表现在以下几个方面。1.以学生为中心，在教学过程中，充分发挥学生的发散性思维、创造性思维和批判性思维能力，让学生根据自身行为的信息来实现自我反馈，教师在此过程中充当协助者、促进者。2.学习的关键是主题的选取，以教学内容作为依据，选取合时的教学主题，考虑包括基本教学知识点的同时，能有效调动学生解决问题的积极性和对主题的参与度。3.设计和开发学习资源以及协作学习的良好环境是教师在教学设计上的主要工作，要让学生有在不同的情景下应用所学知识的机会。[6]

三、建构主义在课程教学中的应用

当前，高等教育更关注大众、应用型人才的培养，相应的课程理论授课及学习方式从传统的知识灌输转为强调认知主体内部心理过程的学习方式，这符合建构主义的教学策略。以嵌入式系统课程来说，这门课程通常包括以下几大部分：嵌入式系统概述、嵌入式系统体系结构、嵌入式系统指令与汇编程序设计、各类接口技术、操作系统及Bootloader、设备驱动程序等。但对应的嵌入式处理器类型有成百上千种，因应用不同对应的操作系统、接口也多种多样，相应每部分知识点都多而繁杂，在有限的课时按传统的教学方案面面俱到的方式已不能胜任。根据建构主义理念，本文对该课程中课堂教学、实践教学及课程的延展教学进行了探究。

（一）情景案例式理论教学方法改革

为了解决有限课上学时和相对较多授课内容之间的矛盾，我们通过在授课内容上进行设计，对课程内容进行合理划分，抽出核心理论部分着重讲解，而将概述性、功能性描述等适当分解，学生按照教师的要求进行调研收集资料、整理和总结。这样每个学生都有建构自己知识体系的压力，教师结合课程教学要求进行提问，其他学生也可以就自己感兴趣或不明白的地方提问，形成教师与学生、学生与学生之间沟通和互动。首先，通过完成课程基本理论知识的建构过程设计，完成基本知识的积累，如嵌入式系统概述部分中的定义、发展、分类和应用;嵌入式系统体系结构中的ARM处理器的版本、处理器的结构、存储器和总线等。这些章节的知识基本都是概述性的内容，学生完全可以通过分组调研、讨论和总结的方式进行知识碎片的收集和学习。其次，教师通过课堂集中梳理脉络、相互提问等方式完成这部分知识的整合式学习，从而完成嵌入式基本概念的构建。

概念性知识可以通过自主学习、讨论等方式构建，但如嵌入式硬件结构中的接口及总线，软件部分的操作系统、Bootloader、驱动程序及应用程序等对学生综合知识的要求比较多，在授课中教师讲解和学生接受都是比較难的部分。对这部分内容的讲解，我们打破传统的按部就班的方式，采用案例式情景设计方法，设计一个贯穿几部分知识点的案例核心主线，在课上围绕这个主线展开教学。比如围绕硬件结构的案例，构建我们的硬件环境，需要哪些部件，这些部件的基本结构和功能是什么;对于硬件的工作需要哪些软件支持，从而引入我们使用的操作系统、Bootloader、驱动程序、应用软件等。正是通过建立这个简单而综合的案例，将学生置身于一定的情景环境中。在这个环境中，通过由浅入深，由简单到复杂，不断让学生扩展他们的知识碎片，然后把这些知识碎片拼接在一起，从而完成部分知识的建构，然后再采取逐级推进像搭积木一样完成全部知识的架构。建构主义教学设计的核心是鼓励学生自主学习策略，在基本知识构建后，对每一部分知识的拓展通过提纲的方式提供给学生，鼓励他们自己学习和讨论。

（二）逐级推进式实践教学方法改革

嵌入式系统课程实践性非常强，这就对理论课程的理解和实践内容衔接、安排提出了挑战。本文对嵌入式实践教学环节根据理论授课内容进行逐级推进式安排，在充分利用有限的课内实践时间和调动学生课余自主时间的情况下，在实验室真实硬件环境和学生电脑模拟环境的支持下，把理论课中综合案例融入一定情境，要求进行分解、分级和升级，实现理论与实践的有效衔接。首先，选定课内课外基本实验内容。如把软件支持环境的安装部署进行分解，把虚拟机、操作系统、交叉开发环境的安装等设置为基础性实验，要求学生在参见实验指导书及自行查阅资料的情况下在课外完成;如把硬件环境相关实验分解，把资源熟悉、设备基本连接测试、GPIO输入输出、定时器、中断实验等设置为课内基础型实验，教师统一讲解，每个学生独立完成，教师指导学生采取原理引导实验，在实验中体会原理的学习方式。其次，在完成基础性实验的情况上，通过分级处理，提出提高性实验内容，如软件部分在熟悉操作系统结构的情况下完成系统裁剪及烧写、Bootloader结构认知和烧写、Makefile文件编写等;在硬件环境中驱动程序的结构及编写。本部分采取教师指导、学生分组讨论及协作完成。最后是实践环节的升级设计。模拟在一定的情景环境下，设计综合性实践内容，本部分内容适合在集中训练时间内完成。比如房间监控系统、智能家居、房间出入记录系统等，通过综合实践环节模拟嵌入式项目的开发，教师协助各小组对模拟项目进行分析，讲解学习和解决问题的思路，小组以团队开发的方式推进，以此培养学生综合实践和团队协作能力，为日后延展性学习打下基础。

（三）后期延展性教学方法改革

学生在前期基础性、提高性理论和实践学习之后，希望能在动手能力和工作能力上进一步提升，所以后期的延展性课程改革是十分重要的环节。对嵌入式系统开发感兴趣的学生可以参与教师的相关课题，通过实际课题的深入研究提升自己。另外，鼓励学生参加嵌入式设计大赛、物联网等相关大赛，以赛代练的方式提高自己解决问题的能力。目前，高校中校企合作已经成为常态，通过与相关企业进行合作，在教学内容上能够与社会需求接轨，同时给学生提供到企业实习和实践的机会，做好从学校到与企业、行业的过渡。

四、结语

在嵌入式技术高速发展的今天，高校的嵌入式教学对社会人才需求培养起着非常重要的作用。本文结合各高校教学经验，在建构主义教学模式和方法的指导下，对嵌入式系统课程教学方法进行探讨。在理论课方面采用构建情景式案例教学的方法，在实践中采用逐渐推进式方法，使学生在有限的学时内，较好地掌握教学内容，这对培养学生的实践和开发能力具有一定的现实意义。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 倪蕴涛.基于嵌入式系统实验课程教学方法改革和教学思路探讨的研究[J].牡丹江教育学院学报，2007（4）：130-131.

[2] 严迎建，刘军伟，张立朝.改革嵌入式系统实验内容与组织方式[J].教学研究，2013（2）：55-57.

[3] 张淑艳，马春龙，王金莉.嵌入式系统课程教学研究[J].中国科技创新导刊，2012（11）：53-54.

[4] 丁珠玉，张济龙，吴永烽.嵌入式系统课程实践教学模式的研究与探索[J].西南农业大学学报，2009（6）：182-183.

[5] 王震宇，汪永红，司彬彬，蒋烈辉.基于自命课题的团组式教学模式改革[J].计算机教育，2014（16）：43-45.

[6] 余胜泉，等.基于建构主义的教学设计模式[EB/OL]http：//www.etc.edu.cn / articledigest6 / jiyujiangou.htm.

[责任编辑：陈 明]