國(guó)際化模式結(jié)合本土案例實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)

池濤 陳明 沈曉晶 周汝雁

[摘要]以嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)入手，探討了國(guó)際化教學(xué)模式和本土案例驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的課程建設(shè)。通過(guò)引入國(guó)際化教學(xué)模式，將嵌入式系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)方法付諸于設(shè)計(jì)實(shí)踐，并在關(guān)鍵設(shè)計(jì)中加強(qiáng)本土案例的設(shè)計(jì)實(shí)踐，從而為學(xué)生提供了最先進(jìn)技術(shù)的指導(dǎo)及對(duì)照。同時(shí)，借助網(wǎng)絡(luò)上海量的教學(xué)資源，結(jié)合課堂設(shè)計(jì)理論教學(xué)構(gòu)成混合學(xué)習(xí)模式，探討一種適合于外國(guó)留學(xué)生嵌入式課程教學(xué)的新模式。特別是針對(duì)嵌入式系統(tǒng)全英語(yǔ)教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及不同的學(xué)生對(duì)象，以建構(gòu)主義教學(xué)理論為依據(jù)，建立課堂教學(xué)和學(xué)生實(shí)踐相互融合的教學(xué)體系。

[關(guān)鍵詞]國(guó)際化教學(xué)；混合學(xué)習(xí)；建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論；教學(xué)模式；嵌入式系統(tǒng)

[中圖分類(lèi)號(hào)]G642.0[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]1005-4634（2018）01-0075-05

0引言

隨著嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用范圍越來(lái)越成熟，人才需要量也越來(lái)越大，國(guó)內(nèi)各大高校及科研院所都積極開(kāi)設(shè)了嵌入式課程。不同于計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)傳統(tǒng)課程，嵌入式課程作為一個(gè)新興課程體系，存在的問(wèn)題已經(jīng)引起了教育工作者廣泛的關(guān)注[1，2]，一方面，國(guó)內(nèi)大部分院校僅將其作為一門(mén)普通應(yīng)用技術(shù)型課程，沒(méi)有意識(shí)到嵌入式技術(shù)已經(jīng)引領(lǐng)了后PC時(shí)代，該課程在國(guó)外已經(jīng)形成了一個(gè)課程群。在國(guó)內(nèi)，由于該課程的內(nèi)容多、課程少的特點(diǎn)，教師教授內(nèi)容基本是基于具體特定的芯片（如ARM7）以及與其對(duì)應(yīng)的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，放棄了嵌入式系統(tǒng)理論和嵌入式設(shè)計(jì)方法的研究，從而造成了學(xué)生針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)差、分析解決問(wèn)題能力弱。另一方面，嵌入式系統(tǒng)作為專(zhuān)業(yè)必修或?qū)I(yè)選修課程，開(kāi)設(shè)該課程的國(guó)內(nèi)各大院校普遍不重視實(shí)踐環(huán)節(jié)，考核單一，學(xué)生選取該課程也多為了學(xué)分。脫離嵌入式設(shè)計(jì)技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)課程造成了國(guó)內(nèi)學(xué)生缺乏動(dòng)手能力，更無(wú)創(chuàng)新意識(shí)，得不到企業(yè)的青睞。

嵌入式系統(tǒng)最早源于英國(guó)，發(fā)展于美國(guó)，目前最先進(jìn)的嵌入式技術(shù)都掌握在美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家手中，成型的設(shè)計(jì)理論及產(chǎn)品幾乎都來(lái)自國(guó)外。嵌入式系統(tǒng)的前沿技術(shù)幾乎都是由英語(yǔ)進(jìn)行描述。國(guó)外嵌入式課程更注重學(xué)生嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論和技術(shù)方法的講授，培養(yǎng)的學(xué)生更受企業(yè)的重視和歡迎[3]。而我國(guó)的嵌入式系統(tǒng)研究及教學(xué)多直接生搬硬套國(guó)外的教育理論和案例，包括課程設(shè)計(jì)及相關(guān)教材，這就使同一門(mén)課程不同學(xué)校培養(yǎng)的學(xué)生差異巨大[4]。筆者以嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理為牽引，分析并研究國(guó)外嵌入式課程教學(xué)過(guò)程和對(duì)象，結(jié)合本土科研項(xiàng)目案例構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全英語(yǔ)教學(xué)環(huán)境[5，6]。同時(shí)，借助網(wǎng)絡(luò)上海量的教學(xué)資源，結(jié)合課堂設(shè)計(jì)理論教學(xué)構(gòu)成混合學(xué)習(xí)模式，探討一種適合對(duì)外國(guó)留學(xué)生進(jìn)行嵌入式課程教學(xué)的新模式，特別是針對(duì)嵌入式系統(tǒng)全英語(yǔ)教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及不同的學(xué)生對(duì)象，以建構(gòu)主義教學(xué)理論為依據(jù)，建立課堂教學(xué)和學(xué)生實(shí)踐相互融合的教學(xué)體系模式[7]。

1國(guó)外嵌入式教學(xué)模式的本土化構(gòu)建與實(shí)踐

1.1UTD嵌入式教學(xué)模式

德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校（The University of Texas at Dallas，簡(jiǎn)稱(chēng)UTD）的Erik Jonsson工程學(xué)院的前身是世界三大芯片生產(chǎn)商德州儀器（Texas Instrument）的一個(gè)研究所，目前每年都收到Texas Instrument公司大量科研項(xiàng)目和資助。學(xué)院在其下設(shè)的計(jì)算機(jī)科學(xué)系、電子工程系、計(jì)算機(jī)工程系均開(kāi)設(shè)了嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程，課程包括“Micro-electromechonical System”“Semiconductor Design and Manufacturing”“Systems Engineering”等。課程教學(xué)內(nèi)容大部分來(lái)自于已經(jīng)完成的研究項(xiàng)目和科研成果，是對(duì)相關(guān)實(shí)際項(xiàng)目的提煉、總結(jié)和歸納。雖然所有項(xiàng)目涉及不同的應(yīng)用領(lǐng)域、不同技術(shù)，但是課程講解并不是散亂成每個(gè)技術(shù)報(bào)告，而是凝聚在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及方法中。課程通過(guò)建模方法將所用到的項(xiàng)目進(jìn)行提煉，建立精確的數(shù)學(xué)模型，將設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行規(guī)一化處理，具體如圖1所示。

UTD嵌入式課程教學(xué)非常注重實(shí)踐教學(xué)，實(shí)踐教學(xué)過(guò)程包括模型設(shè)計(jì)、整體功能描述、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)、系統(tǒng)級(jí)合成、系統(tǒng)測(cè)試，具體如圖2所示。課程實(shí)踐從純軟件設(shè)計(jì)過(guò)渡到硬/軟件結(jié)合設(shè)計(jì)，特別強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新的重要性，注重基本訓(xùn)練與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1.2本土化構(gòu)建與實(shí)踐

自2015年將嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)作為上海市全英語(yǔ)授課示范進(jìn)行建設(shè)以來(lái)，筆者開(kāi)展了國(guó)際教學(xué)模式本土化實(shí)踐與研究，取得了一些經(jīng)驗(yàn)和成果。UTD嵌入式課程教學(xué)模式的實(shí)質(zhì)是將科研與教學(xué)相融合，對(duì)科研項(xiàng)目和成果進(jìn)行歸納總結(jié)，運(yùn)用建模方法進(jìn)行嵌入式設(shè)計(jì)理論和方法提煉，再運(yùn)用到實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，整個(gè)教學(xué)過(guò)程強(qiáng)化了“基本原理、方法、建模、案例”4個(gè)要素的統(tǒng)一。

嵌入式課程改革本著UTD的“基本原理、方法、建模、案例”4要素合一的教學(xué)模式，借助上海海洋大學(xué)計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)，引入模塊式一體化教學(xué)，進(jìn)行了嵌入式系統(tǒng)課程本土化實(shí)施，具體如圖3所示。首先，教學(xué)內(nèi)容的構(gòu)建?？紤]到計(jì)算機(jī)硬件系列課程構(gòu)成了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)知識(shí)中物理結(jié)構(gòu)及體系結(jié)構(gòu)的完整知識(shí)模塊，從全局角度按照知識(shí)單元和知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行更深程度的細(xì)化和分類(lèi)，并逐一整合，以知識(shí)點(diǎn)為最小知識(shí)粒度，構(gòu)建整個(gè)計(jì)算機(jī)硬件體系結(jié)構(gòu)及教學(xué)內(nèi)容，課程群包括《數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)實(shí)踐》《計(jì)算機(jī)組成原理》《單片機(jī)與接口技術(shù)》《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》?？梢园凑罩R(shí)單元進(jìn)行細(xì)化和分類(lèi)，并逐一整合。這樣既可以更好地協(xié)調(diào)教學(xué)中的各門(mén)課程，又保證了硬件課程體系的整體性和系統(tǒng)性。為確保硬件課程教學(xué)內(nèi)容不過(guò)時(shí)，通過(guò)專(zhuān)題講座、小組討論形式，動(dòng)員學(xué)生極積參與，主要讓學(xué)生了解硬件系統(tǒng)的新技術(shù)和新進(jìn)展，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，開(kāi)闊視野。其次，課程是組織教學(xué)最主要的手段，UTD本土化課程建設(shè)就是以體系結(jié)構(gòu)為導(dǎo)向，建立以本土化項(xiàng)目和成果為基礎(chǔ)的嵌入式系統(tǒng)課程案例。UTD教學(xué)模式注重學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的過(guò)程，強(qiáng)調(diào)教師教授嵌入式設(shè)計(jì)方法重于傳授嵌入式知識(shí)，促使學(xué)生在原有的知識(shí)上發(fā)展出新知識(shí)，并把新知識(shí)轉(zhuǎn)化成自身技能。通過(guò)引入U(xiǎn)TD教學(xué)模式，建立了嵌入式系統(tǒng)課程反轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式。教師在課程中以學(xué)生為中心，鼓勵(lì)對(duì)同一問(wèn)題作不同解答，并與學(xué)生一起探索問(wèn)題的不同假設(shè)，由學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，鼓勵(lì)學(xué)生做真正的設(shè)計(jì)者。再次，筆者所在教學(xué)團(tuán)隊(duì)提出一種新的混合教學(xué)模式，即“課堂教學(xué)+線(xiàn)上復(fù)習(xí)”混合教學(xué)模式，具體如圖4所示。課堂教學(xué)采用多種教學(xué)方式。除采用案例式教學(xué)方式外，還采用了啟發(fā)式教學(xué)方式，通過(guò)設(shè)置疑點(diǎn)、提出懸念來(lái)激發(fā)學(xué)生探求知識(shí)的欲望，培養(yǎng)學(xué)生敢于提出問(wèn)題、積極思考問(wèn)題的良好習(xí)慣。此外，還借助網(wǎng)絡(luò)上海量的教學(xué)資源，完善了混合教學(xué)全過(guò)程。為了保證混合教學(xué)不流于形式，在課程前導(dǎo)期，教師將整個(gè)課程的教學(xué)計(jì)劃、教學(xué)目標(biāo)告知學(xué)生，學(xué)生在助教指導(dǎo)下完成各自的嵌入式設(shè)計(jì)方案，借助線(xiàn)上教學(xué)資源進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，完成自己的設(shè)計(jì)報(bào)告。為充實(shí)實(shí)踐項(xiàng)目的教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合歷年上海市大學(xué)生創(chuàng)新大賽的設(shè)計(jì)方案，建立相關(guān)備用芯片的資料庫(kù)，用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例的形式供學(xué)生分析，強(qiáng)化學(xué)生實(shí)踐設(shè)計(jì)能力。最后，改變單一考核方式，從階段實(shí)驗(yàn)、結(jié)課實(shí)踐、理論考試三方面對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合考核。

2典型本土化案例

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，上海市各高校的全英語(yǔ)教學(xué)示范課程對(duì)全英語(yǔ)教學(xué)能力的重視遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本土化案例建設(shè)。然而，必須清楚地認(rèn)識(shí)到本土化案例建設(shè)才是課程關(guān)鍵所在，才是外國(guó)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的原始驅(qū)動(dòng)。課程案例雖然來(lái)自于科研項(xiàng)目，但是完全不同于項(xiàng)目設(shè)計(jì)，需要經(jīng)過(guò)提煉、建模、總結(jié)等大量工作。為了體現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，筆者及所在教學(xué)團(tuán)隊(duì)采用“打碎重裝”“抽像化設(shè)計(jì)”分析提煉教學(xué)案例。

如“溫室控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)實(shí)例”，其來(lái)源于已經(jīng)完成的國(guó)家863項(xiàng)目“溫室無(wú)線(xiàn)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究與系統(tǒng)集成”。筆者及團(tuán)隊(duì)選取其中控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)作為研究對(duì)象，具體如圖5所示，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中，強(qiáng)調(diào)嵌入式系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)，包括處理器選型及設(shè)計(jì)、傳感器選型及設(shè)計(jì)、輸出控制選型及設(shè)計(jì)等。然而，作為教學(xué)案例，這些遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需要增加許多設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，包括運(yùn)用建模工具進(jìn)行數(shù)據(jù)建模、設(shè)計(jì)控制模型、運(yùn)用具體控制器建立溫室控制系統(tǒng)等。

具體設(shè)計(jì)包括四步：第一步，確定被控對(duì)象，包括控制器、執(zhí)行器和溫室植物三部分。第二步，模型設(shè)計(jì)，包括控制目標(biāo)函數(shù)、植物模型等，控制目標(biāo)函數(shù)可以根據(jù)溫室中不同的植物進(jìn)行自行設(shè)定，植物模型作為控制參數(shù)調(diào)整控制策略；執(zhí)行器包括控制溫室溫度的各項(xiàng)控制單元，包括控制簾幕的開(kāi)閉、控制溫室側(cè)窗的開(kāi)閉、控制加熱裝置的開(kāi)閉、控制制冷裝置的開(kāi)閉等。第三步，控制器的具體設(shè)計(jì)，包括：（1）開(kāi)發(fā)一個(gè)溫室控制模型（develop a model of the plant）；（2）開(kāi)發(fā)一個(gè)控制器（develop a controller）；（3）分析控制器參數(shù)（analyze the controller）；（4）權(quán)衡系統(tǒng)擾動(dòng)（consider disturbance）；（5）判定系統(tǒng)性能（determine performance）。在這個(gè)案例中，控制模型、控制器和擾動(dòng)是決定系統(tǒng)性能的重要因素。整個(gè)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)是控制器設(shè)計(jì)。通過(guò)數(shù)學(xué)建模，設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單線(xiàn)性函數(shù)，采用線(xiàn)性比例控制器作為控制核心。第四步，基于時(shí)間序列進(jìn)行系統(tǒng)擾動(dòng)和時(shí)延的分析。通過(guò)對(duì)輸入、輸出及比例系數(shù)分析，給出系統(tǒng)穩(wěn)定的臨界點(diǎn)，避免系統(tǒng)振蕩。

類(lèi)似的本土案例有7個(gè)，都是由具體項(xiàng)目總結(jié)形成，并以建模的方法提煉，使得所有案例既能反映嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論，又能體現(xiàn)具體的解決方案。

3結(jié)束語(yǔ)

嵌入式系統(tǒng)課程國(guó)際化教學(xué)模式本土化，本質(zhì)上就是吸收國(guó)外先進(jìn)教學(xué)思想，不斷豐富先進(jìn)的嵌入式系統(tǒng)理論和技術(shù)。在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)期間，通過(guò)科研帶動(dòng)教學(xué)實(shí)踐，可以增加許多較為實(shí)用的設(shè)計(jì)案例，特別是針對(duì)研究生的教學(xué)，通過(guò)將研究生的研究方向與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)有機(jī)融合，加強(qiáng)科研能力、科學(xué)思維的培養(yǎng)。經(jīng)過(guò)幾輪教學(xué)，筆者發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)學(xué)生的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐能力要求非常高，不但需要學(xué)生掌握多種編程語(yǔ)言（C語(yǔ)言、HDL語(yǔ)言等）、計(jì)算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)等課程，而且要有探索精神、解決問(wèn)題的能力和動(dòng)手能力。同時(shí)，也對(duì)教師提出了更高的要求，教師不僅需要嫻熟的焊接技術(shù)，還需要精通項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，以引導(dǎo)學(xué)生完成項(xiàng)目。從實(shí)驗(yàn)效果來(lái)看，這種教學(xué)模式改觀了學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)的認(rèn)知，使學(xué)生學(xué)會(huì)了將理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中，在大量自己動(dòng)手的過(guò)程也提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。與傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)相比，學(xué)生各方面的提升都是巨大的。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊曉.國(guó)外教學(xué)思想本土化：背景、特征與理路[J].山西師范大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2012，39（4）：152-156.

[2] 陳乃金，周鳴爭(zhēng).“嵌入式系統(tǒng)”課程教學(xué)的設(shè)計(jì)[J].合肥學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，18（4）：82-89.

[3] 汪沛.嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的改革與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2011（12）：70-73.

[4] 陳威.項(xiàng)目化教學(xué)模式在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2011（6）：162-165.

[5] 俞建新.略論嵌入式系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2006（7）：739-745.

[6] 池濤.西部地區(qū)計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的困境與改進(jìn)[J].教學(xué)研究，2015，38（5）：92-95.

[7] 池濤.全英語(yǔ)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革. 2017年發(fā)展報(bào)告[M].上海：上海人民出版社，2017：112-115.