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摘要：互联网+，物联网的迅猛发展使得嵌入式系统的运用越来越广泛。在智慧城市，智能生产的宏观背景下，嵌入式系统的教学也显得越来越重要。同时物联网及智能城市的发展对嵌入式系统的教学提出了新的要求，00后的大学生又有着跟以往学生不同的鲜明特点。因此嵌入式系统的教学也面临着新的挑战。本文结合00后大学生的特点，通过4D欣赏式探询，营造嵌入式系统运用场景，导入学生喜爱的教学元素，使用翻转课堂的形式，应用教学沙盘，并推广强有力发问的技术，让嵌入式系统的教学契合时代的发展，提高教学效果，为新时代培养应用型人才打下扎实的基础。
关键词：教改；嵌入式系统；4D欣赏式探询；翻转课堂；教学沙盘
本文引用格式：张喆,等,等.4D欣赏式探询在嵌入式系统教学中的应用[J].教育现代化,2019,6(70):232-236.
一引言
随着物联网及智能家居、智慧城市、智慧交通等的高速发展，嵌入式系统的应用越来越广泛，因此对嵌入式系统的教学也提出了新的要求。通过教学改革提升嵌入式系统课程的教学效果，来培养满足企业需求的应用型专业人才是我们需要研究的课题。
在当前的教学中，我们迫切需要解决如下几个问题：
1.解决教学中偏重软件，忽略硬件设计的问题。
2.解决教学实验内容单一，与实际脱节，缺乏综合型设计项目的问题。
3.解决学生被动接受知识，缺乏学习兴趣的弊端，提升学生主动获取知识的能力。
4.解决学生重理论轻实践的现象，引导学生多动手多思考，提升学生实践能力、分析能力和创新能力。
嵌入式教学有着自身的特点，同时，00后大学生也有着他们的特点。我们不能再用简单的填鸭式教学来完成任务。我们应该从课程的特点，学生的特点出发，结合一些先进的教学理念，通过浸入式体验学习来引导学生完成一个完整的课程以及相关的设计任务。从“有用、有趣、建立学生自信”的指导思想出发，激发学生学习兴趣，发挥学生潜能，让学生“学以致用，边学边用，用中求熟，熟中求精”，使学生在不断的实际应用中完成本课程的学习，提高学习效果，同时让学生积累工程设计能力，提升学生的实践创新能力，培养学生的团队合作精神，也可以培养学生思考问题和撰写报告的能力。
二00后大学生的学习特点
腾讯QQ携手中国青年报发布了《00后画像报告》。报告以腾讯QQ7.83亿月活跃用户为基础，通过问卷调查和QQ平台大数据分析，对00后群体进行整体形象描述。
调查结果发现00后有如下一些特点：
1.综合素质较高，学习能力强，但个人主义浓厚，合作意识薄弱。
2.思想活跃，接受新鲜事物能力强，但缺乏辨别力。
3.开放自信张扬和国际化，但抗挫能力弱。
4.文艺程度超过了8090后。
5.十分注重个人奋斗。
6.娱乐爱好特别广泛。
从这些特点中，我们可以鲜明地看到当代大学生跟以往很不一样。自信但又害怕挫折，奋斗但又缺乏合作，爱好广泛还偏向文艺。阅读是他们获取信息的一种途径。除了书籍，00后获取知识和信息的渠道还有很多：网站，视频，通过熟练使用手机等移动互联网工具，他们几乎不费吹灰之力就可以搜索到他们想要找的内容。同时，他们的见闻和视野也早就超越了他们的前辈。手游、动漫、玄幻文学、独特语汇在00后群体中广为流行。每个孩子几乎都能找到适合自己的文化体验形式或娱乐方式。相比于嵌入式这样比较枯燥的技术，他们更喜欢文艺：玩摄影、玩视频、谈读书、玩流行文化……老师们要想与学生进行有效的沟通，必须深入了解00后的心理特点，了解他们的价值观和兴趣爱好，他们对事物的包容度，对于自我的认知和对他人的认知。只有我们对他们有了充分的了解，我们才可以结合他们的特点来安排我们的教学内容，从而取得更好的教学效果。
三嵌入式系统原理教学的特点
嵌入式系统是以微控制器为核心，将其嵌入到产品或设备中以实现其功能数字化和智能化的系统。随着计算机和微电子技术的发展，嵌入式系统的性能得到了显著的提升，功能也越来越发展和完善。因此嵌入式系统在各个行业得到了广泛的应用，覆盖了消费类电子、智能家电、工业控制、通讯网络、汽车电子、航空航天等许多领域。社会对嵌入式技术人才的需求也日趋上升。
嵌入式系统教学在互联网，物联网，计算机，通信等大专院校的专业中，是一门必修课。同时嵌入式教学有如下几个特点。
（一）重视硬件，重视底层
表面上看，嵌入式系统的教学是基于嵌入式操作系统上的应用软件的开发，而对嵌入式硬件原理和接口设计涉及甚少。但实际上，嵌入式系统都是软硬件协同设计的结果，如果没有底层硬件原理的理解，没有底层驱动的设计，会给软件编程带来很大的障碍和困惑。
缺乏对硬件原理的理解也是很多学生不能在软件上突破的根本原因。
（二）嵌入式系统的原理和实际应用开发相结合
嵌入式系统原理的教学实践性应用性很强。嵌入式系统是通过嵌入到具体的产品中来实现各个功能的，是一门软硬件结合的课程。然而在嵌入式系统原理的学习过程中，很多学生的学习是停留在书本上。由于大学生没有实践经验，系统原理又比较抽象，很多课堂教学又没有足够的实验器材，给学生的学习带来了很大的困惑。使得学习效果大打折扣。
如果缺少硬件的理解，再加上没有实践的经验，只能凭自己的想象来学习，对学生而言，是一件比较痛苦的事情。
（三）所谓系统，就是要比较全面地掌握各个模块的内容
作为嵌入式系统原理的教学，覆盖的知识面还是相当广的。牵涉到硬件原理，软件逻辑。整个系统包括微控制器，GPIO，定时器，中断，DMA，ADC，UART，SPI，I2C等很多模块。孤立的掌握其中的一部分往往使得学习以偏概全。另外，嵌入式系统的教学需要很多先修课程，如C语言程序设计、模拟电路、数字电路、微机组成等，有的同学只是根据自己的兴趣爱好来学习相关的内容，却忽略了整体的把握，到最后还是顾此失彼。
根据00后大学生的特点和嵌入式系统教学的特点。我们的教学方式不能再停留在原来的教学模式上。我们应该与时俱进，用先进的理念和教学方法，结合大学生的特点，课程的特点，寻找合适的教学方式，为社会培养合适的人才。
那到底如何进行教学方式改进呢？我们可以从导入4D欣赏式探询技术开始。
四 4D欣赏式探询技术
4D欣赏式探询技术是由4D组成的一个循环。4D是四个单词的首字母缩写：Discover，Dream，Design，Destiny。分别表示发现，梦想，设计，实现四个模块。
欣赏式探询能够挖掘个人内在的积极力量，并应用这种力量去驱动自己的成长。是目前国际上非常常用的一个系统激励方法。多用于激励学校学生，企业员工在成长的道路上奋勇直前。我们说00后的学生抗挫折力比较弱，所以我们的4D欣赏式探寻首先从肯定开始。欣赏就是一个肯定的态度。
（一）发现（Discovery）:发现我们过去和现在的成功因素
我们进入高校就是一个成功的案例。除了顺利通过高考，考上心仪的高校，我们也在很多学科的学习上积累了许多学习的好经验。通过“发现”这一步骤，我们可以让学生找到过去我是怎样学好一门课程的。或者找到我是怎样没有学好一门课程的。通过对过去成功的探索，对过去能力的肯定，我们可以找到适合自己学习的方法和成功的因素。有的人在挑战新的东西的时候，往往会陷入自卑的心理陷阱，并产生放弃行为。而欣赏式探寻就是让他们规避这些陷阱，寻找过去人生中的巅峰时刻，并把这种感觉带入当下。一旦我们理清这些成功的因素并找到背后的逻辑关系后，我们就可以把这种成功的因素运用到新的学科学习中去。
（二）梦想（Dream）:我们期待的结果是什么
梦想是我们希望自己将来能够成为的样子，也就是我们期待的结果。00后注重个人奋斗，但是对将来十分迷茫，对未来没有一个清晰的画像。很多同学在开始学习嵌入式系统课程的时候，他并不知道学完以后会怎么样，或者学了有什么用。由于嵌入式系统对学生而言是一门新的学科，是一个新的天地。他们的茫然是很正常的。因此我们应该要去引导学生去展望学习后的形象。比如描绘一下自己如何从嵌入式小白成长为嵌入式大咖。就像一名学武之人，他知道，一旦学会一门武功，他就可以雄霸天下。这些梦想将会成为他成长的最大的驱动力。通过梦想，让自信的学生进一步坚定前进的方向。
（三）设计（Design）:规划设计从现状到达梦想的道路
光有梦想，那是白日做梦。设计是通往梦想的第一步。在理清我们的现状，了解我们的特长后，学生在老师的帮助下去进行课程学习设计。这一步非常重要。一方面可以从全局来俯瞰整个嵌入式系统学习的过程，避免只注重某个局部：某一个部分需要学习多长时间，如何判断已经掌握该部分内容，各个环节之间如何环环相扣，需要用到哪些外设接口，哪些功能模块，每个模块需要学到何种程度。这样学生在一开始就有一个全局的概念。在学期结束后，学生就可以完成一个完整的智能项目。另一方面，这是介绍团队合作的好机会。每一个模块都是整个系统的一部分，只有相互协作才能完成系统所实现的目标。我们也可以鼓励学生组成团队来完成一个大的项目设计，每个成员来主攻其中的一个功能部分，最后完成联调，并达成最终的项目目标。通过设计环节，大家就会了解到，只要按照设计的路径，我们就可以实现梦想。
（四）实现（Destiny）:执行设定的行动计划
执行是4D中最后的一环，也是非常重要的一环，千里之行始于足下。有了梦想，有了计划，了解了自己学习的特点。那么就可以开始行动了。和一般平时讲的行动不同的是，在4D的行动的过程中，我们更强调肯定的力量，使大家具有充分的信心，持续进行学习力的提升。“4D”是一个循环的过程，对不同的个体可以循环使用，可以极大的挖掘个人的潜力；同时可以通过周期性的复盘来调整自己前进的节奏。
五 结合欣赏式探询和嵌入式系统教学特点的抓手
通过欣赏式探询的方法，可以充分发挥学生的学习特点，有效的激发学生的学习兴趣，从而让学生产生持久的内在学习驱动力。最终实现自主学习，达到学习效果和学习目的。下面介绍一些在嵌入式系统教学中实施4D欣赏式探询的具体方法。
（一）营造应用场景
梦想来自于哪里？很多时候，学生们并不知道到如何把梦想和嵌入式系统学习结合在一起。00后的梦想很多来自于偶像，歌星，或者小说中的主人公。这些梦想通过图片，声音，一些具体的形象让大家心之神往。那么我们能给嵌入式系统教学画出一个什么样的形象呢？那就是嵌入式系统的广泛运用。
在通常的教学中，我们对嵌入式系统的运用可能只有一两页PPT就一带而过，并没有在学生中形成一个强烈的形象：那就是嵌入式系统的无所不能。我们可以从两个方面来描绘嵌入式系统的强大威力。第一个方面是在生活中的广泛运用：十字路口的交通灯，机器人，家用智能控制系统，各种工业控制，电影中的某个酷炫的场景，学生们喜欢的歌手演唱的舞台效果，尽量具像的呈现各种实例。如果有可能的话，让学生可以触摸到这些实物，可以让学生看看嵌入式系统的运行效果。第二个方面就是跟学生相关的运用：例如做一个送给女朋友的爱心流水灯，宿舍里手机APP控制灯开关，或者一些可以装酷的小装置。
把这些运用场景用一些文艺的形式展现出来，当学生们看到这些具体的运用场景时，就可以大大提升他们的学习兴趣。一旦他们通过梦想的方式来定下一个将来运用嵌入式系统的目标后，他们就能主动参与到学习过程中，然后就会朝这个梦想前进了。
（二）发挥流行元素
00后兴趣广泛，学习不再局限于课堂一种模式。很多00后喜欢哔哩哔哩网站，有一个很大的原因是在直播中他们可以发弹幕。其背后的根本原因有两条：第一你不知道我是谁，我可以畅所欲言。第二，我需要交互，而不是单向的灌输。如今我们的课堂只是达到了一个效果，那就是直播的效果。但是没有办法发挥互动，或者说互动的效果很有限，往往是老师提问，学生回答。同时学生很害怕被提问。
那么如何在教学中引导学生进行主动的交互呢？由于在一个班级，老师对学生都认识，所以没有办法做到匿名的交互，除非老师也是用视频直播的方式授课。所以一个解决方案就是老师退居幕后，也就是用翻转课堂的形式来进行课程的学习。翻转课堂译自“Flipped Classroom”或“Inverted Classroom”，也可译为“颠倒课堂”，是指重新调整课堂内外的时间，将学习的决定权从教师转移给学生。在这种教学模式下，教师不再占用课堂的时间来讲授信息。这些信息需要学生在课前完成自主学习，他们可以看视频讲座、听播客、阅读功能增强的电子书，还能在网络上与别的同学讨论，能在任何时候去查阅需要的材料。教师也能有更多的时间与每个人交流。学生通过自主规划学习内容、学习节奏，教师则采用讲授法和协作法来满足学生的需要和促成他们的个性化学习，让学生通过实践获得更真实的学习感受。而课堂内的宝贵时间可以用来答疑解惑，或者给学生展示的机会，让学生能够更专注于学习中碰到的问题，以及相互之间的协同，从而获得更深层次的理解。翻转课堂模式给开放自信的学生提供了一个展示的舞台；可以让学习更加灵活、主动；让学生的参与度更强；有更多的互动。
（三）教学沙盘
如何解决整体和局部的关系，如何解决软件和硬件的互联问题也是教学改革中需要探讨的话题。
在前面规划一节我们曾经探讨过整体和局部的问题。那么如何具体实现对嵌入式系统教学的整体把握呢？如何让学生对整个学习有一个整体的感觉呢？我们可以导入教学沙盘。沙盘，在战争的电影中经常可以看到，是根据地形图、航空像片或实地地形，按一定的比例关系，用泥沙、兵棋和其它材料堆制的模型。而如今，沙盘不只是运用在地形上，还更广泛的运用在教学，团队训练，项目指导等各个方面。嵌入式系统的教学沙盘，首先是一张系统结构图。它应该包含了整个嵌入式系统的所有模块。然后每一个模块应该有一个实体的展示。在每一个模块下面都有一个进度条。当你学习完一个模块，这个进度条就会显示完成的状态。所以一个嵌入式系统的教学沙盘，本身也是一个嵌入式系统的应用。为了确保系统的完整性，当某些功能缺失时，整个系统可以出现一些声光警示或者特有的提示，让大家对缺失的模块有更进一步的可视化理解。这个教学沙盘可以达到两个效果，第一个就是让学生对全局有一个完整的了解，第二是让每一个局部的进展都有可视化的呈现。这样学生在学习的过程中对整个进程了如指掌。同时在这个过程中可以进一步平衡硬件和软件之间的互联关系。沙盘的呈现是硬件，沙盘的运转是软件，缺一不可。
教学沙盘的设计应当遵循“有用、有趣、建立学生自信”的原则。“有用”意味着教学沙盘应尽量来源于嵌入式工程实践，案例所涵盖的一些知识、解决问题的方法技巧，对于学生今后的嵌入式应用开发有着一定的指导和借鉴意义；“有趣”意味着采用生动形象的案例将枯燥的知识趣味化，从而引发学生的学习兴趣。“建立学生自信”就是要按照学生的认知规律，将抽象理论具体化，对来源于工程实践的真实项目进行适当的简化处理，让学生易于学习、参与、模仿，并体验学习成功的快乐。
教学沙盘的设计应当为学生提供一定的想象空间和足够的自主探索空间，教师在沙盘案例示范教学和讨论时应多提供几种思路，激发学生的求异思维，提高学生的创造能力。
教学沙盘教学模式强调开放、互动，强调学生的高度参与。教师的重要职责是创造好的教学环境，激发学生的学习兴趣，保持学生的学习动力，从而保证沙盘教学的顺利进行。为了达到这一目的，要求教师在课前要精心策划和安排，课堂中巧妙地引入学生感兴趣的案例，并引导学生积极参与讨论。
教学沙盘的更高形式是项目驱动教学。项目驱动教学要求通过一个或几个项目来贯穿整个课程教学，以培养学生分析问题、解决问题的能力，以及工程素养和团队合作精神。这对项目选题、教师要求、课程考核均提出了新的挑战。
（四）强有力发问启发提问和思考
在4D欣赏式探询和整个学习的过程中，启发学生的提问和思考非常关键。它可以帮助学生在每一个4D的环节找到自己所需要关注的焦点。在这里需要用到强有力发问的技巧。
强有力发问就是问正确的问题。这些问题通常是开放性问题。可以启发学生思考的问题。很多时候，我们学生有两个比较严重的问题现象：第一个是不愿意提问。特别是在初高中阶段一些填鸭式的教学方式让学生丢失了批判性思维的能力，同时也失去了问问题的兴趣和乐趣。第二个是不敢探索不同的答案。就算问了问题，在探寻答案的过程中，大家都不敢有有别于标准答案的思考。这两种现象在大学的教学中是不可取的。我们应该鼓励学生进行不同的思考，特别是批判性思维的探索，面对一个问题，可以从多个角度切入，可以找到不同的解决方案，从而让学生打开思路，打开思维。而强有力发问就可以帮助学生达到这个目的。也就是鼓励学生提问，同时问题能够问到点子上。当你问了一个正确的问题时，你就可以激发学生的自我思考。从而能够让学生自发去探索并找到答案。
很多时候我们说答案就在问题背后。可见问一个正确的问题是多么的重要。
那什么算是强有力的发问呢？一般有三种问题：
1.开放式问题：不是简单的回答是或不是，而是需要通过阐述并解释来回答问题。例如“为什么要用声音报警而不是用光报警？”2.未来导向式问题：关注将来的可能性。“比如智能家居系统，如果我买了新的家电设备，如何把新设备接入目前的智能控制系统呢？”3.如何型问题：聚焦在如何实现上。“我要怎么做才可以把这个LED点亮？”。“智慧城市太阳能路灯，如果碰到黄梅天，怎么解决充电问题呢？”。
这三种问题的问法可以有效地引导学生对未知进行探索，不满足于已知的现状，同时带来更深入的启发。
六应用案例
在实际的教学中，综合运用4D欣赏式探询的方法并结合教学沙盘，可以取得比较好的效果。在物联网学院嵌入式系统教学中，我运用了如下的教学沙盘，成功地激发了学生的兴趣。智能家居监控系统是我们学校自己开发的教学沙盘。智能家居系统与学生的生活息息相关，是学生比较熟悉的内容。因此在教学中比较能够吸引学生的注意力。
智能家居沙盘既涉及到嵌入式硬件相关资源的应用，如蜂鸣器、按键、LCD显示屏、定时器、中断、UART、I2C、ADC等，又涉及到基于嵌入式操作系统程序设计的各个环节，如任务划分、任务优先级设计、任务间同步、任务间数据通信等。通过这样一个沙盘教学案例，将嵌入式系统和嵌入式操作系统所学的知识贯通起来，也让学生初步掌握了综合利用所学知识开发一个嵌入式系统的步骤和相关技巧。
智能家居教学沙盘的整个系统有五大模块组成：中央控制器，传感器数据采集模块，Contiki-OS操作系统，WIFI透传模块，LORA无线传输模块。可以实现对煤气检测、根据光线开关灯和窗帘，根据温湿度开空调和风扇，远程读水表、电表，还可以APP远程控制家电。
1.中央控制器，负责接收数据，计算并输出控制信号。
2.传感器数据检测负责采集数据，传感器采集有多种模式，如煤气泄漏检测传感器、光敏传感器由ADC转换模块完成。温湿度传感器I2C总线。
3.输出采用了GPIO接口，例如控制灯的开关，或者声光报警，窗帘开关等。
4.WIFI模块实现远程控制，中央控制器通过UART串口通信与WIFI模块连接，进行透传，将数据上传到服务器，手机APP可以通过网络对家居产品进行远程控制。
5.LORA模块将各传感器的数据传给中央控制器，中央控制器对数据进行计算和处理
这样在讲课时将各个章节嵌入，有针对性的实现智能家居沙盘中的各个功能，当学期结束时，一个项目也就完成了。
通过沙盘教学为学生提供一些紧扣教学内容的选题方向，同时也为学生如何进行课程设计提供了启发和思路。特别是我们在课程实验设计的时候，都为学生预留了一些扩展空间，给学生留下一些需要进一步思考的问题和挑战性的课题。沙盘教学涵盖了项目开发的一个整体过程，对于学生今后的应用开发及毕业设计有一定的借鉴和指导意义。当这样一个教学沙盘呈现在学生的面前时，大家非常感兴趣。当有声光报警等输出时，大家会变得非常好奇。这时候就可以引导学生去了解系统的整个组成，以及各个模块的功能和作用。
在整个教学过程中，每完成一个模块，就让学生回到这个沙盘前，去看一下他们目前的模块实现的功能，以及还有哪些模块等待去探索。在这个过程中，很多同学自然而然会问很多问题。这些问题会启发他们进一步去探索，我们提供一下线索，鼓励学生自己去寻找答案。当他们通过自己的摸索找到答案时，他们会兴致高涨。从他们的笑容中，我们可以感受到，知识真正被他们掌握了。他们不但掌握了这些知识，还会举一反三地应用。有个同学就把简单的蜂鸣器声音报警通过PWM的方式改编成了他喜欢的一段乐曲。而这种乐趣会继续推动他们深入去学习。
七结语
00后的学生对自己感兴趣的知识表达了强烈的愿意。作为老师，激发学生的学习乐趣是教学的一个重要环节。通过4D欣赏式探询，肯定学生的态度和努力，通过寻找他们过去的巅峰时刻来获得经验，通过梦想去展望未来，通过计划来架起现状和梦想之间的桥梁。再通过行动一步一个脚印去到达目标。在这个过程中，根据嵌入式系统教学的特点，通过运用场景呈现，教学沙盘，翻转课堂，强有力发问等多个抓手，激发学生的学习兴趣，帮助学生养成良好的问问题和思考问题的习惯，同时结合软件和硬件，理论和实践，使得学生能学有所思，学有所用，学有所成，成为真正的应用型人才。
参考文献
[1]《00后画像报告》腾讯QQ 2018.5.4
[2]戴安娜惠特尼博士.《4D欣赏式探询》[M].华夏出版社,2019.
[3]乔纳森伯格曼亚伦萨姆斯.《翻转课堂和混合式教学》[M].中国青年出版社,2018.
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