基于翻转课堂的嵌入式系统及应用教学改革和课程思政教学研究

孙冬梅，丁中港，王晓荣，母虎群，孙卓

（南京工业大学，电气工程与控制科学学院，江苏 南京）

随着数字经济、物联网、产业互联网等信息技术应用到全球各地,传统产业开始不断自发探寻各种技术创新的方法以适应企业变革的需求，在这一过程中嵌入式系统逐渐成为其创新的重要载体和工具，其自身的作用也越发重要。

“嵌入式系统及应用”是国家级一流本科专业建设点、南京工业大学国家一流专业即自动化专业的一个重要的基础学科与核心课程，有较强的理论性和实践性。AIoT时代的嵌入式系统人才需要具备较强的学习能力来应对技术的不断革新。这也表明在当前的新工科背景下，需要对嵌入式系统课程教育提出更高的要求[1]。

在以往的教学方式中，主要讲授课程相关专业知识，而不涉及课程外的非专业知识点。本文尝试发掘专业课程中潜在的思政元素，并将专业知识的传授与之紧密融合，在传授知识的同时，也能培养学生的思政素养。

本文设计基于五个“一”教学过程的翻转课堂来实现本课程的教学目标。同时采用嵌入式的原则在线上线下一体化的设计中实行思政元素的融入与建设。结合相关课程研发并设计出一套全新的，富有操作性、针对性、前瞻性的基于翻转课堂教学模式“嵌入式一体化”方案[2]。

一 课程教学目标改革

本课程的教学目标包含三大部分：知识、能力以及素养[3]。

首先，知识目标是理解嵌入式系统体系结构的概念，掌握工作原理和相关技术；熟悉嵌入式系统的需求分析、设计开发、集成调试和测试维护过程。

其次，能力目标是通过线上学习过程，对学生的主动探究、自主学习的能力进行系统锻炼；提高学生的沟通交流、团队合作以及解决嵌入式系统及应用问题的能力。

最后，素养目标包括引领学生树立社会主义核心价值观；引导学生持有严谨求实、守信创新的科学态度；塑造学生的敬业品质和职业素养。

本课程的知识点如图1所示：

图1 嵌入式系统及应用的知识点

二 课程的教学方式改革

根据嵌入式系统及应用课程的教学目标和知识点分布，设计了基于五个“一”原则的翻转课堂教学方式。

（一） 翻转课堂的教学流程

翻转课堂教学模式是指：学生在上课之前已经学习了相关线上教学课程内容并完成指定在线测试题，通过在线学习的反馈，教师对课堂教学的内容进行重新设计，在学生与老师之间的互动过程中，彼时的课堂将变得更加灵活而多趣。

针对嵌入式系统实践性强的特点，坚持在翻转课堂中采用五个“一”的原则进行教学设计，包括：一个有效的课前准备、一个有挑战的问题与学生互动、一个有难度的作业、一个有设计的答疑指导以及一个有区分度的考试评估。通过精心设计的教学方法,实现了线上与线下课堂的联合教学设计,即以练代教、项目研究、边听边练、个案点评、研讨答辩、生听生评、生讲师评[4]。

下面以定时计数器知识点的教学过程来阐述基于五个“一”的翻转课堂的教学设计。

（二） 基于五个“一”原则的翻转课堂的教学设计

1.一套有效的课前准备。为适应混合式教学中的翻转课堂，有效的课前准备包括学情分析、教学内容、教学材料、教学方法、考核评价等。

在定时计数器的学习前，教师应对学生在前部分内容的学习情况有所掌握，了解学生的学习特点，预测本章节中学生可能遇到的难点。

在课前根据教学内容准备定时计数器教案、课件，制作视频，网上自测题，并布置学生进行相应的基础知识学习。准备课堂教学所需要的实验开发板，PBL教学所需要的教学例程。

2.一次有挑战的提问和互动。通过PBL的形式，以问题为导向，提前在网上布置循序渐进案例：

①采用普通延时实现定时。

②检测GPIO输入引脚进行计数。

③采用定时计数器对外部信号进行计数。

④采用定时计数器对内部的时钟信号进行计数。⑤计数器配置完成后打开中断，在中断回调函数中完成特定功能。

自学结束后完成相应的课后思考题：①正交输入的信号可进行辨向，从而进行自动加减计数；②利用输出比较功能，输出PWM信号。学生自行查阅资料，围绕以上问题进行小组讨论，实现上述功能。

3.一份有难度的作业。课后思考题：为什么说定时计数器的原理是“计数 器”？鼓励学生跳出教材，或结合数字信号进行研究等，全面探讨定时计数器的配置、中断、启动、查询、关闭等用法。

4.一场有设计的答疑辅导。在课堂教学的混合式学习中，学生已经进行了视频学习，带着基础知识进课堂，教师首先要带领学生巩固基础知识，其次应该围绕课程中的重点难点在课堂上进行主要讲解，并以案例形式促进学生对知识的理解，提高学生归纳与分析的能力。针对课后思考题，利用答疑辅导时间，引导学生以小组专题形式学习并分享对于正交信号的采集和输出PWM信号的应用，关注高级定时计数器特殊应用场合。

5.一张有区分度的考核评价。从知识的掌握、学习方法的应用，学习投入程度，学习能力等方面进行多元化、多层次的考核评价。最后考核评价的比例分配如图2所示。

图2 考核评价的比例分配图

（三） 课程思政建设的设计

教学目标的重构，在设计理念上要体现课程广度、深度和温度；融合专业知识性与人文性；富有学科特色和优势；注重学思结合、知行统一，强化价值引领、知识传授与能力培养“三位一体”的教学理念[5]。

因此将思政目标更改如下：以学生为中心，将思想政治教育贯穿实习教学的全过程，通过国产电子产品开发案例的引入，培养学生严谨的科学态度，激发学生对科学的探索精神，增强爱国情怀和强国意识。推动信息技术与实践教学的融合，强化对学生知识、能力、素质的全面培养。

（四） 增加思政内容的建设

为适应新工科创新型人才培养要求，嵌入式系统及应用课程经过近几年的探索，对实践教学内容和教学模式进行了深入改革。在实现专业知识教育的同时，潜移默化地将思想政治教育渗透到课程的各个环节，在课程教学中深入挖掘思政教育资源，并在原有教学基础上进一步梳理，修订实习大纲，撰写思政教育导向明确的教案，促进学生知识、能力、思想素质的同步提升。课程内容与思政要素关系如表1所示。

表1 嵌入式系统及应用课程内容与思政要素关系

三 创新课程思政建设模式和方法途径

以专业人才培养和学科发展为依托，以提升实习效果为目标，课程团队积极改进教学方法，探索创新课程思政建设的模式，将素质培养贯穿实践教学全过程，突出学生主体地位，使学生具有一定的可持续发展性。

1.团队教师思政能力建设：①组织骨干教师参与课程思政培训，帮助团队创建实践教学新理念和新模式，从实践中汲取优秀经验。②建立课程思政集体备课和研讨制度，定期交流，群策群力，挖掘课程所蕴含的“思政元素”，有助于教学团队专业水平的提高。

2.示范教学法：在嵌入式系统全流程设计中，通过硬件操作直观演示和软件代码的编写流程操作演示，起到良好的示范作用，使学生获得感性认识，能尽快动手操作。

3.自主学习法：学生通过超星在线资源自主学习相关课程，利用网络进行产品资料调研，提升自主学习和终身学习的能力。

4.项目驱动、以赛促教：①将经典案例、工程项目引入课程，引导学生提升解决复杂工程问题的能力；②鼓励参加各类学科竞赛，有助于学生知识面的拓宽以及学习潜能和创新思维的激发。

5.开展混合式实践教学，将思政建设目标融入课程教学全过程。嵌入式系统及应用课程运用超星网络平台，开展线上线下混合式实践教学，包括课堂讲授、在线自主学习和实践操作三部分。在授课时从育人维度拓展课程价值；在学习中融入思政要素，使教学与育人的同步；培养学生求真务实的品质，鼓励学生勇于开拓创新，使课堂更具有活力趣味以及感染力。

四 课程考核评价的方法机制改革

科学合理的考评机制对于课程思政教学改革尤为重要。本课程对学生的考核评价机制包括三个维度，一是对嵌入式系统开发设计环节的考评；二是对综合运用专业知识进行产品调试与目标实现的考评；三是对学生思想政治素质的考评。

本课程以三个课程目标为依据，合理设置考核评价机制三个维度的评定标准和比例。结合学生的出勤率、言行举止、精神面貌、团队协作、创新应用等表现，检验课程思政的教学效果，合理评价学生对知识的掌握和对思政目标的达成情况[6]。

五 课程评价及改革成效情况

依据本专业人才培养目标，对标课程思政建设目标，修订教学大纲，撰写思政教育导向明确的教案、录制教学视频等，完善超星教学资源建设，充分展示了课程思政建设成果。

基于PBL，提高课程目标在毕业要求指标点的重要程度，科学设计课程目标，重视过程性评价和发展性评价，完善课程考核评估方式。评价内容和形式多元化，全面考核学生的知识、能力和综合素质。针对评价结果，形成完整的支持教学质量提升的持续改进闭环系统。

六 结语

课程思政融入点有效激发了学生的爱国热情和社会责任感，学生在探寻知识的过程中，提升了专业素养，树立了开拓精神和引领意识。这些改进的教学过程不仅让老师体会到教学成效，更体会到未来可期！

在未来工作中，我们还要继续将思政要素与实习教学大纲深度融合，在实践中完善专业思政的拓展重点、融入载体、教学方法等，探索思政育人目标达成评价方法。