基于项目驱动的研究生线上线下混合教学实践

关键词：项目驱动；线上线下混合教学；研究生教育；创新能力

0 引言

2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设 [1]，并发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》[2]《关于推荐新工科研究与实践项目的通知》[3]，培养造就一大批多样化、创新型卓越工程科技人才，为我国产业发展和国际竞争提供智力和人才支撑，既是当务之急，也是长远之策。

嵌入式系统作为智能制造、智能仪器和人工智能产品等领域的核心技术，具有广泛的应用价值。新工科背景下，研究生通过学习该课程，可以掌握相关领域的基本原理和开发方法，培养系统软硬件设计能力，为后续科研工作奠定基础，培养出符合现代化产业发展需求的工程应用型人才。

传统嵌入式系统教学中，仍然存在着以教师讲、学生听的被动教学模式，教师侧重基础理论讲解，忽视了线下教学与线上资源的融合，实践动手操作不足，忽略了复杂工程问题能力的培养，已无法满足新时代工程技术人才需求。因此，传统的教学模式改革势在必行。本文提出以项目驱动为主线，将线上线下高度融合，采用三位一体的教学模式进行改革尝试。近年来，新工科背景下，基于项目驱动及线上线下混合新模式，国内各高校也进行了积极研究与探索[4]。本文根据《嵌入式系统开发原理与实践》课程目标要求，结合研究生群体特点，对基于项目驱动的线上线下混合教学特点、实施方法、具体案例、教学成效等方面进行探索。

1 传统教学存在的问题

嵌入式系统课程的抽象性和复杂性使得教学在有限课时内面临许多挑战。以笔者所承担的机械、仪器专业为例，研究生电学和软件基础参差不齐，有限课时内难以覆盖所有知识点，增加了教学难度。主要问题归纳如下。

1.1 课程缺乏任务导向，学习目标不明确

研究生对课程学习目标和知识体系缺乏清晰认识，学习方法和思维仍停留在本科学习阶段。嵌入式系统课程要求学生具备模电、数电、电子线路CAD、C 语言等基础知识，强调通过实践促进知识的掌握，传统重理论轻实践的授课方式已不能满足新工科学生培养的要求。同时，学生学习过程缺乏任务导向，无法有效对内容进行逻辑上串联融合。

1.2 线上线下两者孤立，难以有效适配课堂

近几年来，随着线上教学平台的快速发展，学生通过线上教学资源辅助学习成为线下学习的一种有益补充。但线上资源主要以理论教学为主，其教学内容、教学方法、进度安排和学校线下教学有着较大区别，无法提供个性化辅导、无法面对面交流、无法开展工程项目实践。这导致线上教学资源不能很好融入线下教学体系中，造成了两者的孤立。

1.3 项目训练不足，学生实践动手能力较低

教师只注重对理论知识的传授，容易降低学生的学习兴趣。传统授课过程中往往仅限于某个教学案例的讲解与验证，学生也仅是针对单个知识点进行验证性实验，案例综合性不够。如果将以理论知识传授为中心转变成以工程项目为中心，则应根据项目需求对教学内容进行调整，线上教学平台注重基础理论，以学生自学为主，线下教学重视综合性项目的讲解，对最核心、最具工程性的内容有所侧重。

1.4 考核形式单一，成绩不能有效反映学生能力

在传统的嵌入式系统课程教学中，教师对研究生的考核和评价主要依靠平时作业和期末考试。然而， 这种方式缺乏研究生综合实践能力的综合考核，也缺乏过程性评价。对学生的学习情况和效果无法有效跟踪，也无法有效激发学生的学习积极性和主动性。

2 混合教学模式的设计与实施

如图1所示，构建了嵌入式系统开发原理与实践课程的混合教学体系结构，包括线上教学、线下教学、考评方式、预警系统等模块。要求学生做好课前预习、加强课中互动、重视课后复习。改革线上作业训练方法，夯实理论基础，提升学习效果。增加基础实验和综合项目实验，培养学生实践能力。此外，精心设计项目案例库，增加线下课堂项目案例演示与分析。增加过程性评价，全面跟踪学生学习质量，建立预警机制，对教学进行持续改进。

2.1 采用“类比教学、由浅入深、循序渐进”的教学方法

引入课程内容时，首先带领学生回忆本科期间所学的单片机裸机开发的方法，然后由浅入深，循序渐进。微处理器的世界比较抽象，如何能将无形的看不见的世界呈现在学生面前，需要生动形象的类比。因此，教学中可以将单片机的世界与客观真实世界中的物体、事件相类比，使问题从抽象到具象，增加了趣味性，使理解更加容易。例如将 CPU 比作人的“大脑”，将总线 BUS 比作“高速公路的车道”，将串行通信比作“独木桥”，将存储器的地址比作“房间号”，寻址概念比作“根据号码找房间”等。加强学生的抽象思维和逻辑思维能力的培养，并对于如何学好嵌入式系统课程给出一些切实可行的建议。考虑到大部分机械专业研一学生的单片机与编程能力较差，线上平台链接了国内相关优质C语言教学视频课程，并链接相关书目进行课后学习，布置基础题目，进行基础训练，帮助学生进行能力提升。

2.2 建设优质的线上教学资源新平台

建设优质的线上资源，制作高质量的教学微视频，打造全面的作业库和试卷库，建立科学的线上考评方法。教学微视频包括基础理论教学微视频、项目教学微视频。教学微视频供学生课前预习和课后复习。项目教学微视频供教师线下上课讲解，及学生课后反复研看，学生在项目中体会项目中所包含的知识点，增加学习的兴趣，提升学生对复杂工程问题的解决能力。除此以外，线上教学资料还包括教学日历、电子教案、电子教材、电子手册、程序源码案例等，并在开课前引导学生如何学习本门课程。总之，线上教学平台为学生提供了丰富的教学资源和科学合理的训练模式，充分助力学生学习。

2.3 构建“项目驱动、实践同步”的教学新模式

教学过程中，构建了“项目驱动、实践同步”的教学方法。在每一章节的教学中，精心设计了与机械与仪器相关的项目案例，课堂讲授时“先理论后演示”或“边理论边演示”，进行实践化同步教学，详细分析项目所涵盖的知识点，对每个知识点的硬件和软件进行详细讲解，课后让学生编程复现项目功能要求，这既降低了综合项目学习的难度，又给了学生实践锻炼的机会，大大提高了学生的学习兴趣。所有项目的实际案例均在网上发布，供学生反复研看。通过线上线下一体化的项目驱动教学方法，使学生能综合运用所学知识，巩固了理论知识，提高了实际动手能力，提高了教学效果。

2.4 打造灵活的线上线下互动新方式

通过线上教学平台，积极与学生线上互动，线上教学的互动与线下面对面互动方法不同，其有着一定的趣味性和灵活性，线上活动包括投票、选人、抢答、主题讨论、随堂练习、问卷等方式，方式多种多样。数据可记录可评价，对于全面了解学生学习效果，进行质量分析与评价十分有效。线下课堂中，师生之间、学生之间能够进行直接的交流。线下教学中，教师可通过翻转课堂、小组讨论、课堂交流、辩论、合作等方式与学生互动，教师根据学生的反应，把控教学节奏。线上线下互动方法是有益的互补。此外，嵌入式系统开发原理与实践课程中学生还可以通过线上平台的消息功能、QQ、微信等方式与教师交流，反馈自己遇到的困惑，获得个性化指导。

2.5 完善科学合理的教学评价体系

线上评价具有便捷、高效、数据丰富等优势，能够实时收集研究生的学习行为数据，如在线课程的参与度、作业完成情况等。线下评价则能更直观地考查研究生的实践能力、面对面交流能力和综合素质。要整合线上线下的评价数据，实现数据的无缝对接和综合分析。同时，制定科学合理的评价指标体系，涵盖创新能力、实践表现等多个维度。通过建立线上线下评价的融合机制，能够更准确、全面地反映研究生的学习成果和发展状况，为研究生教育质量的提升提供有力保障。在嵌入式系统开发原理与实践课程教学中，作者完善了线上线下量化综合考评体系，线上考评包括作业、视频、基础学习、互动等，线下考评包括实验、课堂表现等，使得课程评价更全面、科学、合理。

2.6 积极融入思政教育

在课程教学中积极将教育的首要目标“立德树人”融入课堂教学中去，教学过程中培育和践行社会主义核心价值观，培养担当民族复兴大任的时代新人，充分挖掘专业知识中的德育元素，实现专业课与思想政治教育的有机融合。例如，当项目中用到定时器知识时，引导学生将定时器和百米赛跑裁判员的秒表联系起来。告诉学生微处理器中定时器的原理其实来源于自然，芯片中定时器功能的实现和秒表计时有异曲同工之妙，告诉学生我国的半导体技术水平当前仍然落后，尤其是光刻机技术离发达国家还有较大差距，研究生更应该担负民族复兴的重任，激发学生的责任感。

3 机电综合项目驱动实施案例：高精密机械转台自动控制系统

在机械专业的嵌入式系统课程教学中，精心设计了项目案例。以“高精密机械转台自动控制系统”项目为例，教学过程中，教师将项目贯穿教学始终，让学生带着问题去学，根据项目功能了解哪些章节需要着重学习。该系统需要实现圆形转台的超高精度控制，包括转速、方向、角度的控制，以及限位控制和人机交互。要求学生掌握伺服电机的控制方法、多个光电传感器信号的识别、触摸屏的控制等。相关知识点涵盖微控制器的 GPIO 控制、定时器、中断系统、串口通信等。

在项目导入阶段，教师详细介绍了项目的背景和需求，以及本项目的目标和任务。学生迅速组建项目团队，有负责控制系统硬件开发的、有负责信号采集数据、有负责软件编程的、有负责人机交互的等。在线上自主学习阶段，学生通过在线课程平台学习了6fk1HExgdbZPb8OjT7+yXw==GPIO控制、定时器、中断系统、串口通信等理论知识，并观看了相关的伺服电机控制方法案例视频。他们在讨论区积极交流，探讨项目中可能遇到的控制精度、系统稳定性等问题及解决方案。在线下课堂教学阶段，教师针对学生在线学习中遇到的难题进行深入讲解，学生以项目团队为单位进行方案设计，经过多次讨论和修改，确定了最终的系统架构和功能模块。

在项目实践阶段，学生分工合作。在实践过程中，他们遇到了控制角度精度低、响应速度慢等问题，但通过在线平台与教师和同学沟通交流，共同寻找解决方案。教师也定期对学生的实践过程进行跟踪和指导，确保项目顺利进行。

在项目总结阶段，学生以小组为单位进行项目汇报，展示了系统实现方案，进行系统运行演示。教师对项目成果给予了高度评价，并提出了优化建议。通过此项目，学生切实掌握了实现机械产品智能化的设计方法，积累了设计经验，提升了实践能力和创新能力。

4 教学效果

将上述教学模式应用于2023—2024级机械专业研究生嵌入式系统课程，对其进行效果评价，如图2所示。2022年未实施项目驱动教学，仅使用线上线下混合教学，2023—2024级全面实施基于项目驱动的混合教学模式。可以看出，五项考核内容的平均成绩均呈现上升趋势，说明以项目为主线，与线上线下混合教学相融合的授课方式能够帮助学生提高综合素质与实践能力。

课程结束研究生达到了进入项目研究的能力要求，许多研究生可以利用所学知识快速进行项目开发。实践表明，以教师为中心转移到以学生为中心，以理论教学为中心转移到以项目为中心的教学模式，能够解决传统授课方式存在的不足。能够让学生在深入理解基本理论、独立思考、团队合作、实践能力、论文撰写、逻辑思维等方面的综合能力都得到提升，符合工程实际的需求。

5 结论与展望

在持续的项目驱动与线上线下深度融合创新改革过程中，嵌入式系统课程教学质量不断提升，收获了良好的教学效果，但也存在一些问题和不足，例如项目与科研课题、企业需求、前沿技术等结合不够紧密，考评方式不够全面等。在今后的教学中，将进一步优化项目内容，探索更优质的教学方法和策略，不断改进教学内容和教学资源，为培养具有创新精神的高层次人才作出贡献。