王晓斐
(江苏联合职业技术学院无锡分院，江苏 无锡 214028)
随着物联网技术的飞速发展，以嵌入式技术为核心的智能设备正日益普及，嵌入式技术已成为物联网行业研发人员（辅助研发人员）必须掌握的关键技术，很多高职院校都开设了物联网技术及应用的相关专业。对于物联网大类的学生，“嵌入式技术”是一门核心专业课。其课程特点有：①多学科交叉，且软硬件技术相结合,专业性、综合性强；
②学习门槛高，要求学生具有一定的专业基础及自主学习能力；
③缺少通用的实验平台及配套教材。在实际教学中往往发现学生存在理论知识理解困难、综合设计能力差等问题。如何设计以职业能力培养为导向的课程体系成为该课程教学的重要挑战。
职业教育的重要特征是面向职业岗位，教材应紧跟行业企业的发展需求，而当前职业院校教材存在与企业生产实际脱节、出版周期长，内容不够与时俱进，表现形式不够丰富等问题。要解决这些问题，职业院校应加强校企合作，探索基于产教融合的人才培养模式。2019年初，国务院印发的《国家职业教育改革实施方案》中明确提到“建设一大批校企‘双元’合作开发的国家规划教材，倡导使用新型‘活页式、工作手册式’教材并配套开发信息化资源”[1]。
1.1 嵌入式技术教学、教材现状
关于“嵌入式技术”课程的授课内容，本科院校更偏重于嵌入式操作系统和上位机开发等几方面的学习，而高职院校更侧重于ARM 的硬件结构和外围接口电路的设计方法。
从辅助教学的实验装置和教材来看，一般采用以下几种方法。
⑴用proteus 仿真或物联网虚拟平台代替实物开发。由于仿真和虚拟环境都与实际电路存在一定的差异，这种方法不利于培养学生的实践能力。
⑵购买现成的实验箱。常见的实验平台验证性实验较多，设计性实验少；
单一性基础实验多，综合性开发实验少，不适合应用型人才的培养。
⑶自主开发更具性价比的实验平台并开发配套教学资源。如重庆理工大学采用自己研发的教学辅助系统，以经典的 ARM7LPC2148/38 MCU 为学习对象，开发了核心板和扩展板[2]。
我校“嵌入式技术”课程以2～4周的实训课形式进行，以往使用LPC2214 芯片为核心的ARM7 实验平台，并采用周立功的《ARM 嵌入式系统基础教程》作为辅助教材。但是存在一系列的局限性，如教材不适配、只能部分参考，实验平台功能有限，引出的GPIO、外部中断等端口数量少，导致实训项目拓展空间小，以及课程内涵和知识点与“单片机技术”课程有部分重复等。
1.2 活页式、工作手册式教材的内涵
调研显示，近几年各个专业大类都开展了新形态教材的开发探索，国家教材建设重点研究基地徐国庆主任和北京理工大学出版社分别总结了当前新形态教材开发遇到的一些误区和困境。一是对“活页式、工作手册式”教材的内涵理解不够，刻板地用一页一页可拆卸的书本或芯片的工作手册作为教材[3]。二是大多教师缺乏企业工作经历，不知道如何对教材内容进行活页式设计，也没有针对新型教材做出相对应的教学方法调整，导致效果达不到预期[1]。
徐国庆主任指出，教材的本质不是其物理形态，而是课程的内容和组织模式。“活页式”是指教材具有可灵活组织的模式，实质就是模块化教材，在设计上以职业能力、工作项目为基本组织单位。“工作手册式教材”是指教材内容具有像企业操作指导手册那样的实践指导性[3]。
目前较为常见的做法是在纸质教材的基础上，用植入二维码的方式引入动画、视频、VR 等数字化资源，以弥补传统教材表现手段单一、技术更新迟滞等不足。
2.1 开发目标
引入企业专家深度合作，以职业能力为导向调整授课内容，以树莓派为实训平台，以Python 语言为编程工具重新设计实训项目，引入HedgeDoc 编辑器建设“活页式、工作手册式”新形态教材，最后通过云班课平台在不同专业、不同班级开展课程实践，并根据反馈不断完善教材。
2.2 开发流程
调研本地物联网产业发展前景、岗位用人需求，成立由行业指导、学校、企业共同参与的专业教学指导委员会，并对“嵌入式技术”课程授课教师和物联网专业群的学生进行访谈，明确课程教学现状与需求，重构符合企业岗位要求和五年制高职学生具体学情的课程标准、实施方案、教学模式、评价方式等。组建校企联合研发团队，设计兼具先进性与实用性的实训项目，最大限度地把物联网感知层、网络层和应用层的知识点糅合进去，协同编辑在线教材、构建课程网络学习平台，并根据学生实践的效果和反馈意见进一步完善课程的定位、内容架构及教育教学理念方法。开发流程如图1所示。
图1 新形态教材开发流程
2.3 嵌入式技术新形态教材开发工具
2.3.1 树莓派
树莓派（Raspberry Pi）是一款基于ARM的微型电脑主板，以SD卡为内存硬盘，可连接wifi和蓝牙，整个主板只有一张信用卡的大小，却几乎具备了PC的全部功能，只需通过USB 口连上鼠标、键盘和显示器，就是一台个人电脑。
由于树莓派处理器性能强大，又能方便地搭载各种传感器和外部设备，使它被广泛地应用到了物联网行业中。
2.3.2 Python语言
新开发的嵌入式课程采用Python 语言进行程序开发，Python 对计算机编程语言基础比较薄弱的学生非常友好，简单易学，API 函数库强大，还能够实现跨平台编程设计[4]。
目前，国内院校除了在计算机专业的程序设计课程中尝试了Python 教学以外，也有很多院校尝试将Python 编程引入大数据、人工智能、甚至投资学、化学等学科，都取得了可喜的教学效果。
2.3.3 HedgeDoc编辑器
HedgeDoc 编辑器是一个开源的、基于Web 的、自托管的、协作的Markdown 编辑器，引入HedgeDoc编辑器可开发适用于线上线下混合教学的在线教材。
实际使用过程中发现，用HedgeDoc 编辑器开发“活页式”教材有很多优势。
⑴可以实现多人协同编辑，如图2所示。例如针对某一个项目，可以先由企业专家根据工作实际需求编写项目架构，对项目的实现目标、包含的模块等首先进行一个规划，接着由物联网专业的教师编辑其中树莓派硬件及嵌入式开发的相关模块、由电子信息专业的教师编辑PCB 板设计的模块、由计算机专业的教师编辑服务器和前端网页设计的模块，最后再由企业专家进行统筹调整和修改。这样能够充分地调动物联网专业群教师的力量，形成全员参与的开放型编写机制，也能让企业专家真正地参与进课程的设计和教学过程，实现产教融合，培养具有工程实践能力的应用型人才。
图2 HedgeDoc编辑器多人协同编辑
⑵可方便地插入图片、超链接和程序并保留程序的格式和注释，还能将暂时不想公布的作业答案折叠起来，如图3所示。同时，可方便地将在线教材针对不同用户设置为只读、可读写、私人可见等，以此区分师生的不同权限。
图3 插入流程图并折叠参考答案
想象一个上课情境：首先学生根据课前发布的在线教材进行预习，提前了解项目框架、目标及基础知识点。课堂上教师带领学生分析项目架构、拆分项目任务、通过超链接跳转到树莓派工作手册中学习相应的硬件连线方式、API函数和例程等。接着，教师布置一个工作任务，并引导学生设计程序流程图，完成后直接将任务要求和流程图在线编辑进教材，方便学生在实践的时候随时查阅。在学生做练习期间，教师可将参考答案编辑入在线教材，等学生做完后，再发布给学生并进行作业讲解。
这样随着课程的进程和学生学习的节奏，不断丰富、完善在线教材，极大地弥补了传统教材一旦出版就无法修改的弱点，同时方便学生在课后进行系统性地复习，针对不同基础不同专业的学生，也可以根据实际情况生成不同难度、不同侧重点的“定制”教材，更灵活更贴近学生需求。
⑶每一个典型的工作任务构成了新型活页式教材的一个基础单元，就像是一块“积木”。教学中可以随时根据岗位需求设计新的项目，对教材进行拆分和重构。同时HedgeDoc 编辑器会在每个页面顶端自动生成索引，方便学生理解学习路径，也方便学生随时检索定位知识点或操作步骤，如图4所示。
图4 自动生成的索引
⑷只要登录账户，师生可以在台式机、平板电脑甚至手机上方便地编辑、阅读教材。
2.4 开发成果
针对我校物联网应用技术、电子信息工程专业和物联网专业群实验班的学生，设计开发了由不同模块组合的新形态教材。
针对普通班（图5）的学生，课程主要目标是培养嵌入式技术的一般应用能力，初步具有智能电子产品辅助研发与创新能力。需要掌握的技能点有：学会查阅、解读树莓派外设相关的数据手册，学会在Thonny开发环境下Python 程序的编写与调试，学会通过手机蓝牙控制树莓派上连接的各种外设，学会使用树莓派的图形化工具等。根据能力清单设计项目如：树莓派基础、LED 控制、蓝牙控制树莓派、广告牌显示、乒乓球模拟游戏机、智能小车远程控制、带调节面板的智能家居系统等。其中点阵显示、智能家居系统项目对电子信息专业的学生不做要求。通过这些有趣的实训项目，充分调动学生的兴趣和学习积极性。
图5 普通班课程目录示意图
针对实验班（图6）的学生，除了基础项目之外，将乒乓球模拟游戏机等较简单的项目替换为难度更高、综合性更强的项目，如校园气象站、智能门禁系统等。包括传感器的选型、终端设备的设计与装调、服务器的搭建、前端显示窗口的设计与优化等完整流程，从而体验物联网全栈开发的技术过程。
图6 实验班课程目录示意图
教材将知识点分布在各个项目模块中，每个模块从基础知识链接开始，将目标分解成一个个小任务，辅以详细的操作步骤，并通过流程图、视频等手段，帮助学生突破重/难点，逐步引导学生掌握相关技能，充分体现了“工作手册式教材”的特点。
从18 级到21 级，从一个班试点到所有班加入，嵌入式技术新形态教材逐步在我校物联网专业群不同专业、不同层次的学生中推广，并通过教学效果和师生的反馈不断修改、完善教材。通过云班课平台创建班级，在课程资源中发布新形态教材的链接，将学生以2-4 人为单位分成若干个小组，提高学生的团队协作能力。
教师可以将做得最好的学生的成果整合进在线教材，这样既形成了良性竞争，激发了学生的创造性，又可以让学生也参与到课程建设中来，提升他们的价值感与认同感，真正体现了“以学生为中心、学习成果为导向”的思路。
企业专家引入工程实际中常用的SVN、GitHub-Desktop 等工具带领师生实现程序的版本管理和多人协作。
每个综合项目完成之后，通过汇报答辩的方式让学生进行知识点的梳理、总结，培养学生的表达能力，全方位地提高学生的就业竞争力。
对企业专家、授课教师和学生的问卷调查与访谈结果显示，与新型“活页式、工作手册式”教材使用前对比，学生在学习兴趣、知识认识、技能掌握、团队精神、教学效果等方面提升效果明显。在与企业专家合作开发课程的过程中，专业教师拓宽了视野，增加了对企业实际需求的了解，获得了长足的专业成长；
企业专家也表示，通过校企“双元”合作开发、培训学生的过程，企业相当于进行了“订单式”培养，缩短了学生就业后的培训时间。
新型“活页式、工作手册式”教材的设计与开发，是“三教”改革的重要元素[5]。“活页式、工作手册式”教材在形态上分离、内容上集中与分散结合，以问题为导向、项目为中心，可灵活地增、减、组合各项目模块，并通过“手册式”引导，帮助不同学情不同基础的学生掌握所需的知识和技能[6]。
本校针对“嵌入式技术”课程，组建了校企合作研发团队，将行业企业生产实际融合到教材中，开发了针对不同基础、不同专业学生的新型“活页式、工作手册式”教材。考虑到原课程从内容到实验设备上存在局限性，新教材采用基于树莓派和Python 语言的教学新思路，使编程基础薄弱的学生能更容易地掌握嵌入式技术的相关知识点。设计了更多从实际应用出发、效果直观有趣的实训项目，激发了学生的学习兴趣和主动性。同时，采用了新型的HedgeDoc 编辑器，形成了适用于线上线下混合学习的教学资源。
新形态教材以云班课平台为依托在18 级到21 级的学生中由点到面地开展了教学实践，并通过教学效果和师生反馈对教材不断加以改进，获得了企业专家和师生的一致好评。“嵌入式技术”课程新型活页式教材的应用，为线上线下教学的切换，带来了极大的方便。
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