“互聯(lián)網(wǎng)+”時代嵌入式課程教學改革研究與實踐

王娜+霍英

摘 要：針對嵌入式領域發(fā)展迅速、涉及交叉學科多、課程難度大、人才培養(yǎng)與技術發(fā)展同步困難的特點，針對企業(yè)對嵌入式人才的需求，結合互聯(lián)網(wǎng)+時代特點，采用CDIO模式的嵌入式教學改革，分別從教學內(nèi)容改革、教學方法改革、加強學生學習能力的培養(yǎng)、注重提升教師能力等方面進行探討，提出相應的具體改革措施，從而提高學生學習的積極性和主動性，培養(yǎng)學習能力、創(chuàng)新能力和實踐應用能力。

關鍵詞：互聯(lián)網(wǎng)+；嵌入式；教學改革

中圖分類號：TP368.1-4 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2017）04-0037-04

一、引言

近年來，嵌入式系統(tǒng)幾乎無所不在的應用領域使其成為一項極具發(fā)展?jié)摿Φ漠a(chǎn)業(yè)，然而人才的匱乏已成為其發(fā)展的瓶頸，據(jù)權威部門統(tǒng)計，隨著嵌入式系統(tǒng)成為當前最熱門最有發(fā)展前途的IT應用領域之一，嵌入式人才缺口達到了每年80萬人左右。出現(xiàn)與十幾年前計算機專業(yè)的擴張非常相似的嵌入式專業(yè)的泛濫和培訓的亂象。然而大量高校的嵌入式相關專業(yè)的畢業(yè)生的就業(yè)情況并不樂觀，高校中，嵌入式學習的重視程度參差不齊，高校開設的課程體系陳舊，常常與工作中的實際需求脫節(jié)。這也導致很多公司不輕易招收缺乏工作經(jīng)驗的應屆畢業(yè)生，從而使得部分嵌入式方向的畢業(yè)生，走向了單方面的C/C++語言、或Linux運維崗位，未能成為理想中的綜合型的嵌入式人才。

目前，嵌入式教學的難點是，以MCU 和嵌入式處理器為代表的嵌入式技術發(fā)展很快，而教師、課件、實驗環(huán)境很難同步跟進。隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的進入，ZigBee、WiFi和藍牙等無線技術和MEMS傳感器技術，原本自成一體的嵌入式系統(tǒng)變成了智能聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，因此傳統(tǒng)的8051單片機教學和“ARM+Linux”的嵌入式[1]教學亟需改革。同時，隨著嵌入式教學內(nèi)容的不斷擴充，教學和實驗課時也顯得捉襟見肘[2]。盡管各類嵌入式或者物聯(lián)網(wǎng)大賽能夠提升部分學生的素質(zhì)，但是如何提高一批學生的整體能力是我們教學改革的關鍵。

CDIO教育理念是構思 （Conceive）、設計（Design）、實現(xiàn)（Implement）、運作 （Operate）四個英文單詞的縮寫，它是“做中學”和“基于項目教育和學習”（Project based education and learning）的集中概括和抽象表達[2]，是由美國麻省理工學院聯(lián)合世界著名工科大學從2000 年開始研究實施的先進教育模式。它以產(chǎn)品研發(fā)到運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式學習工程的理論、技術與經(jīng)驗。使學生通過基于項目的學習，來感受職場文化環(huán)境的熏陶，形成全面的職場能力和素質(zhì)。這種教學理念與嵌入式教學的目標不謀而合，為適應嵌入式領域快速更新，發(fā)展迅速的現(xiàn)狀，嵌入式課程教學應結合 CDIO 的教學理念，培養(yǎng)學生的主動學習能力、實踐動手能力。

二、CDIO模式嵌入式教學改革

1.多課程聯(lián)合的教學內(nèi)容改革

嵌入式開發(fā)的工程師不應僅僅停留在某個應用或某個模塊上，而是應盡量全面地學會或把握整個系統(tǒng)，雖然不能做到每個模塊的代碼都去理解一遍，但基本的流程要懂，基本層次從低到高包括啟動、驅動、操作系統(tǒng)、API、中間件、UI、應用等等[3]。

因此，基于CDIO模式的新的課程設計將會更注重培養(yǎng)學生的自學能力、團隊協(xié)作能力以及系統(tǒng)調(diào)控能力。新的課程規(guī)劃要求學生養(yǎng)成一個習慣，那就是主動找書找資料。這樣讓學生學會關注科技發(fā)展，緊跟時代潮流。為了提高學生的團隊協(xié)作能力，新的課程計劃將會有更多的團隊設計，培養(yǎng)學生的實踐能力，在實踐中體驗CDIO（構想—設計—實驗—操作）的教育理念。結合嵌入式學習的特點，新的課程計劃要圍繞著“做項目”的模式展開，按照課程的前后相關性和軟件層次從低到高分階段，分層次系統(tǒng)開設，并且每個階段要通過階段項目對知識進行鞏固應用，課程最后通過綜合項目進行綜合應用，讓才干在實踐中提升。這也將極大地提高學生的系統(tǒng)調(diào)控能力。

嵌入式課程實踐性強，課程體系建設方面需要根據(jù)所依賴的實驗平臺來組織[4]，以某種現(xiàn)成開發(fā)板為基礎，講授嵌入式開發(fā)相關技術，實驗平臺選定以當前主流的基于Cortex-A8處理器為核心的GEC-210的開發(fā)板為實驗平臺，重點講授平臺及處理器特征特點、擴展接口板開發(fā)技術、操作系統(tǒng)內(nèi)核精簡優(yōu)化技術、其他系統(tǒng)軟件開發(fā)優(yōu)化技術，應用程序開發(fā)技術等[5]。

針對嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品研發(fā)流程，將嵌入式課程的教學劃分為六個階段，共設計六個階段項目，配合GEC-210的開發(fā)板， 結合要對嵌入式軟件各個層次全面把握的要求，逐層遞進的嵌入式核心內(nèi)容主要如表1所示：

對于每個階段的學習，都要設計應用性很強的階段項目，對每一個階段的所有知識點進行綜合練習。整個課程體系的最后就是綜合項目實戰(zhàn)《智能家居系統(tǒng)》，本項目不僅需要嵌入式的知識，還要綜合傳感器和無線網(wǎng)絡的知識，將一個大項目拆分為幾個模塊，學生分組協(xié)作。模擬真實項目的管理過程，培養(yǎng)學生項目團隊協(xié)同開發(fā)能力，項目文檔編寫能力和實踐應用能力。

嵌入式涵蓋的內(nèi)容廣泛，包括硬件設計、用戶軟件，以及網(wǎng)絡通信等等，一個人不可能精通嵌入式所有的知識，所以通過以上分層次的一系列專業(yè)課程的學習和應用，使學生先理解嵌入式開發(fā)的總體流程，以及用到的相關技術，先對嵌入式有個總體地宏觀地把握，然后在嵌入式領域找到自己的興趣，了解自己的能力邊界，確定自己將來的工作方向，如嵌入式底層驅動開發(fā)，系統(tǒng)移植開發(fā)，還是應用開發(fā)、GUI開發(fā)，從而在自己感興趣的領域深入學習，為將來的工作打好基礎。

2.教學方式方法改革

在當今互聯(lián)網(wǎng)+的時代，人們越來越依賴網(wǎng)絡，網(wǎng)絡改變著大學生的學習生活和思維方式，他們身上有著市場經(jīng)濟和互聯(lián)網(wǎng)時代的顯著特點，個性張揚，易于接受新事物，善于利用網(wǎng)絡，精通于互聯(lián)網(wǎng)的使用，但又過分依賴網(wǎng)絡。老式傳統(tǒng)的教學模式與90后大學生之間的矛盾日漸突出。如何利用網(wǎng)絡并結合大學生的特點和嵌入式課程的目標，采用合理的教學方法，引導學生主動學習，提高學習效率。根據(jù)CDIO模式的指導思想，教學方法采用“翻轉課堂”和“成果為本教學”相結合的方法。

（1）“翻轉課堂”式教學方法

網(wǎng)絡是一把雙刃劍，在給大學生們帶來諸多便利的同時，也帶給他們諸多危害。引導學生利用網(wǎng)絡學習資源，提高學習效率。

改變傳統(tǒng)的“講三練二考一”的教育模式，采用國際化的“講一練二做三”的教育模式在每一個項目中，涉及一些理論基礎，教師指導學生進行必要的理論準備，并不局限于課堂授課，對于通識性的理論知識，采用“翻轉課堂”式教學方法[6]，注重啟發(fā)引導學生通過微課、慕課、網(wǎng)易公開課等網(wǎng)絡平臺課下學習，課堂討論知識應用。同時啟發(fā)學生如何完成項目的基本要求和擴展要求，項目由簡入深的原則，通過漸進的學習逐步地提高和完善學生的知識面。

（2） “成果為本”教學方法

教師教了不等于學生學了，改變傳統(tǒng)教學中內(nèi)容為本，著重“知識”的教學方法。采用“成果為本”的教學方法[7]，學習成果應該包括“知識”——學生應該知道/理解的、“能力”——學生應該能做的、“素質(zhì)”——學生應該具備的價值觀和態(tài)度三個方面。

對于與硬件關系緊密的實踐性較強的內(nèi)容，要采用“成果為本”的教學方法。并設計配合學習成果的課程設計、教學方法及評價考核方法。

技術的學習必須奉行的原則一定是“實踐出真知”。從成果即項目出發(fā)，進而學習相關的知識，實踐過程中學生哪怕只是驅動了簡單的A/D 轉換器，都會對整個嵌入式開發(fā)工作形成方法學的概念，延展到多種應用領域后會很容易上手，這就達到了更高層次的“素質(zhì)”要求。

從“成果”出發(fā)，從解決問題的角度學習知識。通過邊動手實踐邊學理論的學習方法，練習過程中有問題和不懂的地方，學生可以討論，將所有知識點當堂課完全理解吸收，充分調(diào)動學生的學習興趣和繼續(xù)深入學習積極性。而且還能在教師的監(jiān)督下鍛煉學生的編程能力，提高學生的就業(yè)競爭力。

教師在授課過程中要從使學生樹立正確的學習理念的角度出發(fā)，要注意思想和方法的講解，而不是單一知識點的傳授。要有工程的理念，比如鑒于嵌入式硬件資源的限制，嵌入式軟件開發(fā)需要考慮代碼精簡和執(zhí)行效率問題，對所寫的每一行代碼要清楚它的作用，它在可執(zhí)行代碼中的位置，它真正要加載的位置（即虛擬運行地址），它什么時候會被執(zhí)行，什么時候會被加載等等。因此教師在授課過程中需要給學生講清楚內(nèi)存的分配情況，通過具體的實例使學生對代碼在內(nèi)存中的運行過程和作用有一個從理性到感性的認識。

3.加強對學生學習能力的培養(yǎng)

為培養(yǎng)能迅速適應各種變化的嵌入式系統(tǒng)人才，通過“翻轉課堂”和“成果為本”的方法設計教學內(nèi)容和配套的考核機制，可以更好的培養(yǎng)學生的學習能力。同時對學生的學習理念和方法在以下幾個方面進行改革。

首先在學習理念上，要使學生明白，要真正學好一門語言，不是指懂它的語法，而是要有解決問題的思想，比如理解C語言在內(nèi)核中的靈活使用，Linux內(nèi)核開發(fā)中，通過結構體和函數(shù)指針實現(xiàn)的面向對象的編程思想。

要注重培養(yǎng)學生的自學能力，比如在Linux內(nèi)核中的子系統(tǒng)很多，教師可以帶領學生分析一個有代表性的子系統(tǒng)如Input子系統(tǒng)，重點分析系統(tǒng)邏輯、講授學習方法，引導學生通過查閱相關文檔、博客、技術論壇自學其它子系統(tǒng)，學會自己查找解決問題的方法。

要培養(yǎng)學生工程的理念，在階段項目和課程綜合項目開發(fā)過程中，一定引導學生先從整個工程的邏輯入手，先確定整個項目的功能結構，邏輯劃分，注意模塊之間的重用，提高代碼的內(nèi)聚降低耦合，再進入代碼撰寫階段，不要直接動手寫代碼，否則會越寫越混亂。

培養(yǎng)良好的學習方法，學一門技術時，遵循的是理論知識學習、實踐、再看書、總結這樣一個模式。還有一點就是，用到一分，就往廣里多學一分，往深里多學一分。以點帶面，就會持續(xù)不斷地學下去，這樣時間長了，自然會不斷豐富自己，脫胎換骨。

鼓勵學生積極參加各種競賽，在參與的過程中他們會積極思考，努力探索，有針對性地去學習、討論，這對培養(yǎng)學生的應用能力和積極參與競爭的意識有很重要的意義。學生參加了大學生電子設計大賽，中國機器人大賽、博創(chuàng)杯嵌入式大賽、中國大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等，參賽結束后學生們的應用能力、自學能力和自信息都有了很大提高。

通過校企合作為提高學生的學生實戰(zhàn)經(jīng)驗，為全面了解產(chǎn)品的設計選型、功能定義、需求定義、軟硬件開發(fā)，以及功能樣機測試等，鼓勵學生走出去，到公司進行實習，我們學院一直堅持校企合作，與藍狐、中軟國際、深圳軟件園建立協(xié)同育人的長期合作關系，給學生提供到企業(yè)實踐的機會，真正接觸一些項目開發(fā)工作，既利于學生畢業(yè)找到更為理想的工作，又便于企業(yè)實際項目用人，有效地減少雙方磨合的時間。

4.注重提升教師的能力

嵌入式的發(fā)展日新月異，幾年前盛極一時的諾基亞和塞班系統(tǒng)被淘汰，說明在嵌入式領域，固步自封只能走向滅亡。嵌入式教師要緊跟行業(yè)發(fā)展不斷學習新知識新技術，及時更新知識結構和授課內(nèi)容，要與社會需求接軌。

CDIO模式對嵌入式的教師的要求很高，很多教師缺乏嵌入式工作的實戰(zhàn)經(jīng)驗，長期在教學一線，不能緊跟業(yè)界動態(tài)，逐漸脫離新技術的發(fā)展，課程更新的速度很難跟得上嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的速度，并且缺少對整個嵌入式行業(yè)的把握，授課更多是以理論知識為主，其結果可想而知。

嵌入式系統(tǒng)具有與眾不同的特點，它至少匯集了電氣、電子、計算機、控制、機械、工業(yè)設計等多種學科技術，而且是與應用需求高度結合的。單靠教師的自學很難真正掌握并達到一定的高度。所以有計劃的師資培訓就顯得非常重要，我們學院一直致力面向應用型人才培養(yǎng)的路線，大力培養(yǎng)同時具有講師和中級工程師以上資格的“雙師雙能型”教師隊伍的建設，派遣教師到企業(yè)和培訓機構深造學習，教師都是帶著問題有目的性地去學習，收獲非常大，不僅提高了教師的工程應用能力和教學水平，又能使教師接觸市場最新的技術動態(tài)，使他們對公司用人需求也非常了解，知道如何把學生培養(yǎng)成為公司需要的技術人才，與市場接軌的授課內(nèi)容和授課方式大大提高學生的學習興趣和應用水平，也提高了學生的就業(yè)競爭能力。

三、總結

嵌入式教學結合“互聯(lián)網(wǎng)+”的時代特點，采用基于CDIO的教學模式，在課程的構思（Conceive）、設計（Design）方面進行多課程聯(lián)合的教學內(nèi)容改革，利用網(wǎng)絡教學資源通過“反轉課堂”和“成果為本”的教學方法，使學生掌握項目實現(xiàn)（Implement）的知識和技能，最終體驗整個項目運作 （Operate）的流程。

嵌入式系統(tǒng)是IT 產(chǎn)業(yè)中變化最迅速的前沿科技領域，因此嵌入式系統(tǒng)教學改革是一項長期而系統(tǒng)的工程，需要不斷的探索實踐和改進。

參考文獻：

[1]顧可民. 計算機專業(yè)實用型人才培養(yǎng)模式的研究與實踐[J]. 遼寧教育研究，2007（5）：11.

[2]Johan Bankel， etc. The CDIO Syllabus A comparative study of expected student proficiency[J].European Journal of Engineering Education，2003（3）：26.

[3]王建萍，費躍農(nóng)，王燕瑜.嵌入式系統(tǒng)“邊干邊學”教學模式探究[J].電氣電子教學學報，2007，29（5）：103-105.

[4]斯榮喜. 獨立學院應用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式探索[J]. 高等工程教育研究，2005（1）：45.

[5]牛建偉，張炯. 北京航空航天大學嵌入式系統(tǒng)課程建設[J]. 計算機教育，2008（7）：21.

[6]張金磊，王穎，張寶輝.翻轉課堂教學模式研究[J]. 遠程教育雜志，2012（4）： 46.

[7]秦秀媛，文雪巍. 基于“成果為本”教學方法探究[J].課程教育研究， 2015（36）：51.

（編輯：郭桂真）