“ARM体系架构与编程”课程教学改革探索与实践

摘 要：新疆农业大学计算机与信息工程学院物联网工程专业于2020年入选省级一流本科专业建设点，“ARM体系架构与编程”是该专业的一门专业拓展类课程，课程在该专业的培养计划中，起着承上启下的重要作用。本文首先根据课程的特点，分析了目前课程教学过程中存在的问题，结合一流本科专业的建设目标，针对具体存在的一系列问题，提出了课程改革的思路和具体实施措施，包括教学模式改革、多元化考核机制两个方面，为高校物联网工程一流本科专业相关课程的教学改革提供一定参考和借鉴。

关键词：物联网工程；一流本科课程；教学改革；教学模式；多元化；考核机制

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2024）02-0-04

0 引 言

教育部办公厅在《关于实施一流本科专业建设“双万计划”的通知》中提到，计划在2019—2021年建设万门左右国家级一流本科专业点和万门左右省级一流本科专业点[1-2]。“双万计划”是高校本科专业建设与发展的重要机遇，是新时代我国高等教育改革的重要抓手[1]，新疆农业大学物联网工程等7个专业于2020年入选新疆维吾尔自治区省级一流专业建设点。

“ARM体系架构与编程”是物联网工程专业的一门专业拓展类课程，课程以STM32F407系列开发板为例，主要讲授ARM嵌入式系统涉及的理论知识、STM32处理器的功能特点、工作原理、硬件资源、常用外设包括GPIO、中断、串口、定时器以及其他基本外设接口的程序设计方法，嵌入式系统设计方法等内容，具有较强的理论性和实践性，是基础课程的综合应用类课程。同时又是连接基础课程与相关嵌入式类专业课程的桥梁，对于后续的实时操作系统、专业实习和毕业设计等的学习有着重要的作用。另外，随着“物联网+”时代的到来，ARM嵌入式系统在智慧农业、智慧交通、机器人等现实场景中应用日益广泛。因此，分析研究该课程当前存在的问题，推进课程的教学改革，对于实现一流本科课程的建设目标有着重要的意义。

1 课程特点与当前存在的不足

“ARM体系结构与编程”是一门既与硬件芯片相关又与软件关系紧密的课程。课程围绕目前流行的Cortex-M4 32位ARM处理器的架构与外设进行讲解，介绍了ARM处理器的架构演进过程和GPIO、NVIC、UART、ADC等常用外设的使用及编程方法。课程融合了嵌入式软件设计和硬件设计的思想，使学生了解现代处理器的内部构成和编程技巧，为学生今后从事物联网工程相关领域的开发、嵌入式系统研究与开发打下坚实的基础。目前教学中存在的不足主要表现在以下几个方面。

1.1 教学模式存在的问题

长期以来，该课程主要采用以课堂教学为主，实验教学为辅的教学模式[3]。ARM体系架构与编程课程是一门软硬件结合的课程，授课教师在课堂上进行理论知识的讲授和演示，学生在实验课上具体操作，但仅凭课堂的演示很难掌握具体的硬件操作和调试方法，普遍存在“一看就会，一做就废”的情况。这种情况导致在实验课上状况百出，教师的时间和精力大都集中在纠错环节，学生也体会不到实验项目带来的成就感，最终导致学生对课程的认同感和学习兴趣较低。

该课程的学习对于学生参加各类大赛，如全国大学生物联网设计竞赛、全国大学生电子设计竞赛等都具有重要的作用，而学生参加该类大赛对于其专业能力、实践能力的提升也有着积极的促进作用[4]。但是这门课程的开课学期一般设在第六学期，即春季学期，课程学习结束后学生进入大四年级，这段时间学生开始实习和毕业设计，导致学生没有足够的时间和精力参加这类比赛，而大三、大二年级可以参赛的学生又没有学过这门课程，需要教师在赛前突击讲授相关知识，但是学生在短时间内并不能熟练掌握，给参赛造成很大影响。

1.2 考核方式难以反映学生对知识的掌握程度

在传统教学过程中，完全根据教学大纲进行理论考试，考试内容比较固定和单一，学生通过突击和死记硬背也能通过考试，完全忽略了对学生实操能力的考评，这与“新工科”人才培养目标相悖。因此，课程考核计划第一次调整后，考核方式以实验项目和课程设计为主。但这种注重实操能力而忽略对理论知识考评的考核方式，重实践轻理论，忽略了知识的系统性，依然不能准确反映学生对知识的掌握程度。

2 课程改革与实践

2.1 教学模式改革

2.1.1 基于SPOC的混合式教学

SPOC是一种规模较小的具有限制性的在线课程教学模式，其针对传统课堂教学模式存在的问题，主张将线上学习和面授课程学习相结合，将学习过程分为课前、课上和课中三个阶段，从而弥补了大规模开放在线课程（MOOC）的不足，有人将其称为“后慕课时代”[5-7]。利用该模式，授课教师可以更加灵活地选择视频等教学资源，例如可以不将所有MOOC课程的内容作为教学资源，而是按需选择部分内容作为课程的教学资源，逐渐过渡到有选择性地侧重一些重点、难点问题的教学方式[3， 8-9]。同时，授课教师还可以根据教学计划和大纲内容进行“查缺补漏”，选择性地录制一些教学短视频作为课程资源的补充，帮助学生更好地理解和完成课后内容。

在SPOC教学模式中，任课教师要意识到网络教学平台只是一个传授知识的载体，巩固教学效果和掌握教学节奏的关键仍然是课堂授课[8-9]，这就意味着线下课堂和线上平台相辅相成、密不可分。

基于SOPC的混合式教学模式将在线课堂与线下课堂紧密结合，有利于构建更具个性、更加开放的教学环境，摆脱传统课堂对教学空间、时间和内容的限制，有助于实现高校教学工作的创新和转变[6]。研究表明，在SPOC教学模式中，学生的学习态度更积极、对教学满意度较高[8]。

2.1.2 “SPOC+项目驱动”的教学模式构建

本课程基于SPOC，以项目为驱动展开线上线下混合式教学，教学模式主框架如图1所示。

教学过程主要分为四个环节，分别是线上平台、线下课堂、实验训练和过程化考核，均围绕项目内容展开。这种教学模式以项目实训为核心，以提升学生兴趣、培养学生解决问题的实践能力为目标，使得授课教师教的方向和学生学的方向更加明确，不论是“教”还是“学”都能更有针对性和目的性，从而达到更好的教学效果[3]。

本课程线上教学依托新疆农业大学MOOC平台设计完成。该部分主要内容包括教学视频，知识库、项目（包括课程设计）要求及模板，这些内容按照教学计划安排，每周日固定时间在平台上发布本周的学习任务，方便学生提前预习本周学习内容，了解项目要求，提前做好课堂准备。课程平台结合课程教学大纲和教学计划，在线提供与课程相关的优质学习资料，包括视频、文档、知识库等，方便学生学习[10]。

（1）MOOC视频

在视频内容方面，相关课程均选择国内知名大学的嵌入式系统教学视频，视频内容超出教学大纲的部分，作为选修内容，学有余力的学生可以自行选择学习。学生掌握了必修部分的内容后，就可以完成每周理论知识测验。同时，针对每周项目内容，课程组教师可以根据需要录制视频，帮助学生更好地理解和完成项目。

（2）技术文档

在课程平台上分享课程相关的参考书目、芯片用户手册、数据手册等技术文档的电子版，方便学生下载查阅。

（3）知识库

该部分围绕本周教学内容设计，课程组教师设计课程知识库，类型包含选择（单选、多选）、判断和填空三种题型，每周测验从对应教学周内容的知识库中抽取，每道题只有一次答题机会，由系统实时判分，方便学生及时了解自己对于知识的掌握情况，学生按照错题知识点进行针对性复习。这种方式不仅有助于学生及时查缺补漏，还可以帮助教师及时、有效地了解学生对课程内容的掌握情况。

（4）项目和课程设计

本课程根据教学大纲内容设计了每周的项目内容和最后的课程设计。每周线上内容的最后一个单元是项目（课程设计在课程的最后一个教学周），平台提供项目相关的说明、指导书、报告模板等资料。学生在课前通过预习可以明确本周任务，带着问题和任务进入课堂，对听课效果和对知识点的理解和掌握都有很大益处。在实验课上或课下完成相关项目，并在时间节点之前在线提交项目报告[3]，

这对于督促学生按时完成项目，培养守时的学习习惯有着积极作用。课程设计在课程的最后进行，这是一个综合性的物联网项目，难度大于平时的项目，该项目有助于对学生综合能力的考察。

线下课堂分为理论和实验两部分，理论课根据教学计划结合线上材料展开项目驱动式教学活动，注重知识点的理解和应用；实验课是以直播方式进行实践演示为主的教学，采用腾讯会议、钉钉直播的方式完成[10]，是对理论课堂教学的增量补充。

2.1.3 项目驱动式教学方法

如图1所示，“项目”贯穿整个教学过程，线上平台设置项目指导书、扩展视频等内容，学生通过提前预习，了解教学周的教学内容和任务要求；课堂教学环节围绕项目涉及的知识点展开，讲解相关内容，学生带着问题和目的参与课堂活动，完成“解惑”过程；实验课上，由学生根据项目要求完成具体的项目，课上没有解决的难点问题可以返回线上平台复习或者请教实验教师；过程化考核重点考核学生的项目完成度和相关知识点掌握情况，占比为30%，可有效督促学生认真完成每一个项目，积累实践经验。

项目驱动式教学方法改变了以往教学和实践脱离的授课形式，通过考核“倒逼”的方法提高了学生的学习积极性。

2.1.4 开课时间调整

研究分析本专业培养方案发现，在第五学期之前，“计算机语言”“模拟电路”“数字电路”等与本课程相关的前续课程学生已经学习过，在第五学期开设该课程完全可行。因此对该课程的开课学期进行了调整，便于学生为参加大赛和毕业设计提前做好知识储备。

2.2 建立合理的课程考核机制

本课程教学以过程考核为主，课程考核具体见表1所列。

考核共由5个考核项构成。小测验和期末考试以理论知识考核为主，为项目和课程设计的完成打下坚实的理论基础。项目和课程设计的完成和理解情况是重点考核内容，除了完成相应的内容和报告外，还需要完成项目答辩环节。项目内容围绕每周的教学内容设计，课程设计是一个综合性项目，一般在课程结束一周内完成，学生可以自选题目，也可以选择课程组教师设计的题目。答辩需要学生讲解本项目涉及的知识点、实现思路及方法等，从而保证学生将理论与实践相结合。课程设计考核方式中增加了录制视频环节，要求录制3～5 min的项目讲解视频，培养学生独立思考、解决具体问题的能力。多元化的考核评价体系避免了以往纯理论或者重实验轻理论的考核方式，更能保证评价的科学性和合理性，充分发挥学生的主观能动性，提升课程质量和教学效果。

3 结 语

本文在省级一流本科专业建设背景下，分析了物联网工程专业“ARM体系架构与编程”课程存在的问题，从教学模式和考核方式两个方面介绍了课程改革的方法和实践过程。

基于SPOC+项目驱动的混合式教学有助于学生课前更好地了解学习内容、带着问题进课堂、课后及时复习，较大程度提升学生的学习兴趣，活跃课堂学习氛围，提高教学质量。多元化的考核方式能够帮助教师更有效地了解学生对课程知识的掌握程度，及时调整教学内容，促使教师及时督促学生查缺补漏。本文的研究内容对于一流本科课程建设背景下的课程教学模式和考核模式的改革有一定的参考价值。

注：本文通讯作者为靳晟。

参考文献

[1]邸金红.省级一流本科专业建设背景下通信原理教学改革实践[J].物联网技术，2021，11（8）：121-122.

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[4]李桃.以电子设计大赛为导向的“电子技术基础”课程教学改革研究[J].无线互联科技，2018，15（22）：164-166.

[5]习近平在全国高校思想政治工作会议上强调把思想政治工作贯穿教育教学全过程 开创我国高等教育事业发展新局面[N].人民日报，2016-12-09（01）.

[6]黄晨路.混合式教学背景下高校SPOC教学模式的建设与探究[J].黑龙江教师发展学院学报，2023，42（1）：55-57.

[7]吴文嘉，苏理华. SPOC模式下开放大学学位英语考试培训体系构建研究[J]. 教育进展，2022，12（1）：218-227.

[8]苏小红，赵玲玲，叶麟，等. 基于MOOC+SPOC的混合式教学的探索与实践[J].中国大学教学，2015，34（7）：60-65.

[9]孔祥宇.“后慕课时代”的SPOC教学模式[J].高教发展与评估，2020，36（5）：95-104.

[10]蔡朝朝，努尔艾力·艾尔肯.基于SPOC的数据挖掘课程混合式教学模式研究[J].电脑与电信，2020，26（9）：40-42.