理論實(shí)踐強(qiáng)結(jié)合性課程知行合一教學(xué)改革與探索

李江昊，劉 豐，王 偉

（燕山大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

0 引言

知行合一是明朝思想家王陽明所創(chuàng)立的心學(xué)的核心觀點(diǎn)。知是指知識、認(rèn)識等，行指行為、實(shí)踐。以王陽明為代表的中國古代哲學(xué)家認(rèn)為，不僅要認(rèn)知學(xué)識，還應(yīng)當(dāng)去踐行。通俗來講就是不可死讀書，而是要在實(shí)踐中檢驗(yàn)并獲取新的知識。

目前，工科院校在課程規(guī)劃設(shè)計(jì)方面仍多缺陷，比重上以理論為主、實(shí)踐為輔，排序上理論在先、實(shí)踐隨后，知行時間脫節(jié)、空間分離現(xiàn)象普遍存在。課堂教學(xué)本身很多仍停留在教師單方面灌輸，課程安排的實(shí)驗(yàn)、項(xiàng)目、課設(shè)等環(huán)節(jié)拖后，特別對于實(shí)踐性強(qiáng)的課程，如微機(jī)原理、單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng)等，單就課堂本身而言仍是教師講述為主，內(nèi)容晦澀難懂，導(dǎo)致學(xué)生缺乏感性認(rèn)識，學(xué)習(xí)積極性不高，最后考試成績?nèi)俊氨扯喾帧?。對于課后安排的實(shí)驗(yàn)，往往與教學(xué)內(nèi)容在時間上脫節(jié)，再加上監(jiān)督、考核機(jī)制的欠缺，到了實(shí)驗(yàn)室不少學(xué)生應(yīng)付了事。如果能將實(shí)踐環(huán)節(jié)引入課堂，知識就地轉(zhuǎn)化為可看見的成果，那么課程的意義就大不相同。知行合一的提法在教學(xué)文獻(xiàn)中出現(xiàn)過幾次，理解和應(yīng)用各有不同。有教學(xué)者在工程實(shí)訓(xùn)中應(yīng)用知行合一的理念，但教學(xué)和實(shí)踐是兩塊場地，仍不能解決知行在空間上的割裂問題[1-2]；有學(xué)者高屋建瓴提出知行合一的宏觀大課程觀，力圖再造整個工程教育教學(xué)系統(tǒng)[3]。

1 知行合一教學(xué)模式構(gòu)建

理論構(gòu)建包括知行內(nèi)容層級劃分與映射、知行合一模型構(gòu)建以及融合實(shí)施方案設(shè)計(jì)3 個核心內(nèi)容。

1.1 知行內(nèi)容層級劃分與映射

知即知識點(diǎn)，包括理論知識和技術(shù)知識；行即實(shí)踐、行動。將課程內(nèi)容中涉及的知識進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，同時設(shè)計(jì)出對應(yīng)的實(shí)踐行動層，并建立映射關(guān)系，如圖1 所示，知識層和行動層均分為3 級，由淺入深層層推進(jìn)。初級層為基礎(chǔ)知識點(diǎn)，通過便捷的隨堂紙測練方式來讓學(xué)生理解和掌握；中級層涉及硬件模塊原理及驅(qū)動程序設(shè)計(jì)等重要內(nèi)容，所以著重安排漸進(jìn)式的上機(jī)調(diào)試來掌握，難度逐漸增加，進(jìn)程逐步推進(jìn)。高級層為理念知識，以往不被重視，看似簡單但恰恰是最重要的，它相當(dāng)于課程綱領(lǐng)，理解透徹有醍醐灌頂?shù)淖饔?。此級可以通過對等的三級項(xiàng)目實(shí)踐來讓學(xué)生深入體會和掌握。

圖1 還描述了多點(diǎn)映射的情況，除了主要知行映射，還配合以輔助映射。知行分級和映射有助于更好地實(shí)施課程內(nèi)容，做到有所側(cè)重，有所取舍，有的放矢。

圖1 知與行分級設(shè)計(jì)及映射關(guān)系（實(shí)線主映射虛線輔映射）

1.2 知行合一模型構(gòu)建

模型尤為重要，它決定了上述知行映射采用何種方式實(shí)施，簡單地將實(shí)踐引入課程并不能稱為知行合一，必須進(jìn)行很好的設(shè)計(jì)。知行合一模型如圖2 所示，設(shè)計(jì)有3 種不同的融合模型，以適用于不同層次的知識類型。

圖2（a）為分布·交融式，知識點(diǎn)成點(diǎn)云狀分布于課程學(xué)習(xí)過程之中，相應(yīng)地行動環(huán)節(jié)也跟隨成點(diǎn)云分布，并與知識點(diǎn)糅合到一起。該模型適用教學(xué)前期階段，針對零散基礎(chǔ)知識點(diǎn)和隨堂紙的知行映射，實(shí)施較為靈活。

圖（b）為矩陣· 集中式，知識多為整體塊狀，即矩形形式，實(shí)踐環(huán)節(jié)也給予較長的整塊時間，知與行各自環(huán)節(jié)分塊集中進(jìn)行，前后銜接。此模型適用于教學(xué)中期階段，知識主要涉及各種硬件模塊原理、功能與程序控制，需集中整塊時間講解，而后進(jìn)入上機(jī)調(diào)試實(shí)踐。

圖（c）為輻射· 自主式，用一個能夠以點(diǎn)概面的“大知識”去輻射一個系統(tǒng)化的需較長時間的實(shí)踐活動，行動過程有很強(qiáng)的自主性，允許自由發(fā)揮和創(chuàng)造。此模型適用于后期階段的三級項(xiàng)目，用所教課程的設(shè)計(jì)理念這一大知識的輻射下，學(xué)生自主開展項(xiàng)目設(shè)計(jì)，鍛煉創(chuàng)新實(shí)踐能力。三級項(xiàng)目也是對前期、中期所學(xué)理論知識和實(shí)踐能力的一個綜合檢驗(yàn)。

1.3 知行合一實(shí)施方案設(shè)計(jì)

一門課程的不同階段所側(cè)重的知識層次和類別是不同的，要采用不同的知行合一實(shí)施方案，同時還要加入時間節(jié)點(diǎn)、課時配比等要素。具體方案設(shè)計(jì)見表1，教學(xué)過程劃分為3 個階段，前期主要為碎片化的基礎(chǔ)知識，講課的時間分配可以多一些；中期為硬件模塊與程序設(shè)計(jì)的內(nèi)容，時間分配上知行大體相仿；后期為項(xiàng)目理念知識和實(shí)施階段，理念講授時間較短，而實(shí)踐即項(xiàng)目實(shí)施則需分配較多時間。

圖2 知行合一模型

表1 各教學(xué)階段的知行合一模式及用時配比方案

2 嵌入式系統(tǒng)課程知行合一教學(xué)探索

2.1 課程分析與開課籌備

嵌入式系統(tǒng)課程目前在國內(nèi)各高校開展得如火如荼，作為熱門課程其教學(xué)研究也相當(dāng)活躍，近年來項(xiàng)目式教學(xué)[4]、模塊化教學(xué)[5]等有意義的教學(xué)法層出不窮。此外，一些教師還與時下熱點(diǎn)的學(xué)科聯(lián)結(jié)，如結(jié)合機(jī)器人技術(shù)[6]、物聯(lián)網(wǎng)[7]等，研究內(nèi)容都很有啟示作用。

嵌入式系統(tǒng)課程理論學(xué)習(xí)難度大，實(shí)踐性很強(qiáng)，在學(xué)習(xí)理論知識的同時，實(shí)踐環(huán)節(jié)必須跟上才能幫助理解理論知識。這門課程是實(shí)踐知行合一教學(xué)模式的最佳課程之一，開課地點(diǎn)選擇所在系的實(shí)驗(yàn)室，提供調(diào)試用機(jī)，學(xué)生也可自帶筆記本，上課時每2 名學(xué)生配備1 塊嵌入式開發(fā)板。開課前教師為實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)做了充分準(zhǔn)備，將所需模塊和器件購置到位，并親自編寫了全部程序并進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)試。知行空間、時間統(tǒng)一，硬件條件也具備，下一步進(jìn)入課程實(shí)施階段。

2.2 知行合一教學(xué)實(shí)施

嵌入式系統(tǒng)課程共32 個課時（含2 課時討論課），采用4 課時連上的形式以提升教學(xué)效率。課程內(nèi)容分成4 部分：嵌入式系統(tǒng)的基本概念、嵌入式C 語言、裸機(jī)編程及操作系統(tǒng)初步、三級項(xiàng)目所需硬件模塊知識及項(xiàng)目實(shí)施。將這些內(nèi)容所包含的主要知識進(jìn)行層次和類別劃分，并安排適合的實(shí)踐方式，具體見表2。

表2 嵌入系統(tǒng)課程知行合一實(shí)施方案

基礎(chǔ)知識的隨堂紙有兩種樣式，一種是正式打印好的試題紙，在規(guī)定時間內(nèi)完成紙上題目；另一種就是空白練習(xí)紙，知識點(diǎn)分布于PPT各處，隨課程進(jìn)行完成練習(xí)。硬件模塊&程序設(shè)計(jì)知識采用的漸進(jìn)式上機(jī)調(diào)試，其經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，針對講到的每一種硬件外設(shè)都設(shè)計(jì)了編程調(diào)試任務(wù)。課程共安排了8 個調(diào)試任務(wù)包，包括6個裸機(jī)工程和2 個嵌入式OS 工程，難度由淺入深，層層推進(jìn)。每個調(diào)試工程都先建好了基本的框架，在課前下發(fā)，學(xué)生加載工程文件包之后，就會看到任務(wù)的要求。起初是補(bǔ)充幾條指令，后續(xù)則編寫整段功能函數(shù)，編程的任務(wù)量可以根據(jù)學(xué)生的狀況動態(tài)調(diào)整，以達(dá)到循序漸進(jìn)學(xué)習(xí)的目的。項(xiàng)目理念部分，除介紹嵌入式開發(fā)的思想之外，在三級項(xiàng)目開展過程中，還融入了CDIO 的工程設(shè)計(jì)理念，要求學(xué)生按照構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作的4 個流程來完成項(xiàng)目，如圖3 所示。項(xiàng)目能實(shí)現(xiàn)固然好，更重要的是通過項(xiàng)目實(shí)施過程體會、掌握設(shè)計(jì)理念。

圖3 CDIO 理念與項(xiàng)目實(shí)施流程映射關(guān)系

所有教學(xué)環(huán)節(jié)均是教師講授在先，學(xué)生實(shí)踐在后，講練交叉進(jìn)行，有效融合。除討論課外教學(xué)課時為30 課時，其中講授占14 課時，實(shí)踐占16 課時。不同知識類別下具體的知行環(huán)節(jié)課時配比如圖4 所示，課時比例基本遵循表2 中的分配原則。另外，圖5 給出了各教學(xué)階段占總課時的百分比，其中占比例最大的中期階段則由裸機(jī)片上外設(shè)、嵌入式OS 初步和項(xiàng)目硬件模塊3 部分構(gòu)成。

2.3 實(shí)踐環(huán)節(jié)考核與成績評定

整個知行實(shí)踐環(huán)節(jié)一共設(shè)置了10 個計(jì)分點(diǎn)，包括2 次隨堂紙記分和8 次開發(fā)板編程調(diào)試記分，每個點(diǎn)完成則記1 分，總分10 分納入平時成績。隨堂紙的評定由教師審閱批改后給出得分結(jié)果，對于開發(fā)板調(diào)試教師則采用實(shí)驗(yàn)臺現(xiàn)場驗(yàn)收和查驗(yàn)視頻相結(jié)合的方式。

圖4 不同類別知識講授和實(shí)踐課時分配

圖5 各教學(xué)階段占總課時百分比

視頻驗(yàn)收方式解決了學(xué)生組數(shù)多、實(shí)地查驗(yàn)效率低的問題，同時在手機(jī)大行其道的現(xiàn)代課堂，為手機(jī)找到發(fā)揮正能量的用武之地。為防止學(xué)生作弊，視頻要求連續(xù)拍攝，錄制流程為先拍攝隊(duì)友正面照，然后拍攝上位機(jī)重要代碼段，最后拍攝開發(fā)板的運(yùn)行效果，三個要素缺一則不符合規(guī)定。查看時教師可以提出問題，若對視頻結(jié)果有質(zhì)疑，就可到實(shí)驗(yàn)臺現(xiàn)場查驗(yàn)。

計(jì)分點(diǎn)的設(shè)置有效督促了學(xué)生參與到實(shí)踐環(huán)節(jié)之中，視頻驗(yàn)收提高了課堂教學(xué)效率，教師有更多時間可用于現(xiàn)場的調(diào)試指導(dǎo)。

3 教學(xué)效果分析

知行合一教學(xué)模式將教師與學(xué)生從枯燥的教與學(xué)中解脫出來。多年灌輸式的教學(xué)使師生都身心疲憊，自我提升空間受限。在課堂教學(xué)中引入實(shí)踐環(huán)節(jié)對教師能力有促進(jìn)作用，學(xué)高方能為師，教師需認(rèn)真準(zhǔn)備并親自操作。對于學(xué)生而言，學(xué)習(xí)過程變得有趣，實(shí)踐環(huán)節(jié)可以自由走動、研討放松，使以往凝固的課堂氣氛得以調(diào)節(jié)，再加之適當(dāng)?shù)挠?jì)分考核，學(xué)生的熱情和參與度都很高。學(xué)生能實(shí)時看到知識轉(zhuǎn)化為實(shí)踐的成果，這具有極大的激勵作用，勝過千百句刻板的說教。可以說，新模式帶來的是師生雙贏的結(jié)果。

為了解知行合一模式的教學(xué)效果，教務(wù)部門委派專人在課程最后進(jìn)行了問卷調(diào)查并進(jìn)行了結(jié)果統(tǒng)計(jì)。問卷以紙質(zhì)形式發(fā)放、匿名方式答題，班級共58 名學(xué)生，回收問卷57 份，主要從授課流程滿意度、學(xué)習(xí)收獲、對課程評分等級等方面進(jìn)行問卷，統(tǒng)計(jì)結(jié)果與分析見表3—表5。

表3 對授課流程滿意度調(diào)查

從表3 可以看出，學(xué)生對授課流程設(shè)計(jì)的滿意度為100%，由此可見學(xué)生對于這種知行合一教學(xué)模式很認(rèn)可。在平時與學(xué)生交流中，學(xué)生也表達(dá)出這樣的教學(xué)方式使原本枯燥的課堂和難懂的知識都變得“活”起來。

由表4 可以看出，有96.5%的學(xué)生對自己從課程中獲取的有用知識量表示滿意。在授課過程中，教師不僅僅教授教材中的知識，還有很多課本外知識，比如各種軟件使用、實(shí)踐技能、新的學(xué)習(xí)理念等。有學(xué)生在問卷附言中也表達(dá)了這一點(diǎn)。

表4 對有用知識獲取滿意度調(diào)查

表5 對課程總體評價的調(diào)查

從表5 可以看出，有近70%的學(xué)生將課程評價為優(yōu)秀，從理由摘錄中不難發(fā)現(xiàn)這樣的結(jié)果很大程度上得益于知行合一的“創(chuàng)新形式”。

4 挑戰(zhàn)與機(jī)遇

知行合一教學(xué)模式給師生都帶來了挑戰(zhàn)與機(jī)遇。對學(xué)生的挑戰(zhàn)主要是對注意力、理解力和執(zhí)行力要求的提高，講授與調(diào)試前后銜接，要求學(xué)生聽課專注、專心，理解調(diào)試方法和要點(diǎn)。為降低變革帶來的不適應(yīng)，學(xué)生2 人一組，允許交流討論，互補(bǔ)解決問題。對學(xué)生來講機(jī)遇就是有了鍛煉上述能力的機(jī)會，此外還有實(shí)踐操作能力的鍛煉。

教師的挑戰(zhàn)主要是兩個方面：一是對實(shí)踐指導(dǎo)能力和水平要求提高，因?yàn)橐酝锌臻g分離模式下教師可以不參與實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)，現(xiàn)在實(shí)踐緊跟教學(xué)且調(diào)試工作量很大，這就要求教師不但要具備現(xiàn)場指導(dǎo)能力還要達(dá)到一定水平。二是對課堂教學(xué)的組織能力和掌控能力要求提高，實(shí)踐環(huán)節(jié)人員是動態(tài)的，調(diào)試的時間進(jìn)程也有不確定性，教師要能勇于面對各種“混亂”局面，掌控全局。挑戰(zhàn)本身就是機(jī)遇，實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)入課堂將倒逼教師提升自身的實(shí)踐能力、指導(dǎo)能力和組織能力。

5 結(jié)語

從復(fù)旦共識、天大行動，再到北京指南，新工科建設(shè)的號角已經(jīng)響起。宏大完美的頂層設(shè)計(jì)，最終還是要落實(shí)到工程教育的起點(diǎn)——大學(xué)課堂之上，先從課堂改變就是我們的初衷。知行合一提供了工科課堂教學(xué)的一個新模式，它可以為理論實(shí)踐強(qiáng)結(jié)合類課程提供一個教學(xué)框架，通過實(shí)際的教學(xué)應(yīng)用也證明了具備可操作性。沒有一種模式是完美的，知行合一模式也需要持續(xù)改進(jìn)。新的模式給教師帶來了很大的挑戰(zhàn)，但教學(xué)改革沒有退路，把握機(jī)遇迎接挑戰(zhàn)是唯一的選擇。