基于成果導(dǎo)向教育的嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)設(shè)計(jì)

扈國棟　栗軍　劉漢平

摘要：分析了目前嵌入式課程教學(xué)過程中存在的問題，結(jié)合我校的實(shí)際情況，運(yùn)用成果導(dǎo)向的教育理念，考慮嵌入式課程的綜合性和應(yīng)用性特點(diǎn)，系統(tǒng)總結(jié)了我們在課程教學(xué)目標(biāo)、理論課的內(nèi)容設(shè)置、實(shí)驗(yàn)課的組織實(shí)施和課程考核方面的成功經(jīng)驗(yàn)。本論文的內(nèi)容對其他從事嵌入式教學(xué)或者是以應(yīng)用為目標(biāo)的課程教學(xué)設(shè)計(jì)具有很好的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；教學(xué)設(shè)計(jì)；成果導(dǎo)向

中圖分類號：G424.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）52-0229-03

嵌入式系統(tǒng)是以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，以應(yīng)用為中心和導(dǎo)向的學(xué)科，注定要走上工程化的道路。就教學(xué)內(nèi)容而言，嵌入式系統(tǒng)涉及計(jì)算機(jī)、電子信息工程、自動(dòng)控制等相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課程的知識，集軟硬件技術(shù)于一體，并有廣泛的應(yīng)用場景，具有強(qiáng)烈的基礎(chǔ)性、綜合性和實(shí)踐性特點(diǎn)。課程的特點(diǎn)要求教師具有寬廣的基礎(chǔ)知識、靈活的教學(xué)方法和非常強(qiáng)的實(shí)踐能力。學(xué)生對先行課程的理解程度也不盡相同，水平參差不齊，如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高動(dòng)手實(shí)踐的能力、培養(yǎng)工程創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神是人才培養(yǎng)過程中的關(guān)鍵問題[1]。

為滿足社會對嵌入式人才的需求，各高校爭相開設(shè)嵌入式專業(yè)或者相關(guān)課程。如何能夠使學(xué)生在本門課程的學(xué)習(xí)過程中學(xué)到知識、提高能力，培養(yǎng)嵌入式工程師，是嵌入式教學(xué)過程中需要探討的問題。本文首先分析了目前在嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)實(shí)踐過程中存在的問題和不足，然后針對這些問題，以成果導(dǎo)向教育的理念，提出了相應(yīng)的解決方法。

一、嵌入式課程教學(xué)中存在的問題

各高校在開展自己的嵌入式課程時(shí)，都會將課程的特點(diǎn)和本校的師資情況、實(shí)驗(yàn)條件和人才培養(yǎng)目標(biāo)等具體的實(shí)際情況相結(jié)合，制定能夠體現(xiàn)專業(yè)特色，并服務(wù)于人才培養(yǎng)方案的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容。多數(shù)地方性高校受師資水平、實(shí)驗(yàn)條件的限制，在理論和實(shí)踐教學(xué)方面存在共同的不足，這些不足主要表現(xiàn)在如下3個(gè)方面的矛盾。

1.課程的綜合性與老師專業(yè)背景的單一性的矛盾。嵌入式系統(tǒng)是一項(xiàng)發(fā)展迅速的計(jì)算機(jī)技術(shù)，涉及的知識面廣、綜合性強(qiáng)，這就對任課教師提出了更高的要求。專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)任課教師缺乏，很多軟件背景或者是電子背景的老師，在接受短期培訓(xùn)之后就給學(xué)生授課，很難做到軟、硬件都精通，對相關(guān)基礎(chǔ)缺乏全面足夠的了解；平時(shí)又不從事嵌入式的研究或者開發(fā)工作，開發(fā)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)有限。很多老師直接把其他課程的教學(xué)方法搬過來用，未能體現(xiàn)嵌入式教學(xué)特點(diǎn)?；蛘邽榱送瓿山虒W(xué)計(jì)劃而一味的“填鴨式”教學(xué)，忽視了嵌入式教學(xué)的實(shí)踐性，只有理論講解，對實(shí)踐重視不夠。最終導(dǎo)致學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)有“看不見、摸不著”的感覺[2]。

2.教學(xué)內(nèi)容的保守性和技術(shù)發(fā)展的實(shí)時(shí)性的矛盾。教材內(nèi)容陳舊。當(dāng)前，ARM和Cortex體系架構(gòu)的微控制器已成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、通信等領(lǐng)域產(chǎn)品研發(fā)的主流。然而，許多學(xué)校的課程設(shè)置中還是一成不變地采用MCS-51等單片機(jī)的教材，造成了學(xué)生所學(xué)內(nèi)容和應(yīng)用環(huán)節(jié)的脫軌，學(xué)生課堂里學(xué)到的技術(shù)，在實(shí)踐環(huán)節(jié)不能用，需要重新學(xué)習(xí)，這嚴(yán)重制約了學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的積極性，抑制了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的持久性。學(xué)校培養(yǎng)的人才知識結(jié)構(gòu)不能滿足社會發(fā)展對人才的需求，造成了“學(xué)生找不到工作，企業(yè)找不到人才”的窘境。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)落后于學(xué)生社會實(shí)踐。嵌入式系統(tǒng)是一門綜合性、應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，實(shí)踐教學(xué)是重要環(huán)節(jié)。學(xué)習(xí)理論，掌握一定的專業(yè)知識是基礎(chǔ)，但是理論知識需要通過實(shí)踐來鞏固，不通過實(shí)踐，無法提高學(xué)生的動(dòng)手能力、培養(yǎng)學(xué)生的開發(fā)和創(chuàng)新能力，無法滿足學(xué)生成長過程中對新知識的構(gòu)建需求。嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)和設(shè)備發(fā)展很迅速，許多高校缺少相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)施，或者對新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)采購不力，學(xué)生實(shí)踐條件嚴(yán)重落后于社會的需求，導(dǎo)致學(xué)生認(rèn)為，學(xué)無所用，失去學(xué)習(xí)興趣。

3.課程內(nèi)容設(shè)計(jì)和嵌入式系統(tǒng)課程特點(diǎn)的矛盾。嵌入式課程的教學(xué)內(nèi)容繁多，既有應(yīng)用程序開發(fā)，又有底層內(nèi)核移植、驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)等。但是大多數(shù)學(xué)校的教學(xué)時(shí)間少于48課時(shí)，實(shí)驗(yàn)課時(shí)只有6個(gè)實(shí)驗(yàn)課，理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的安排難以保證課程內(nèi)容的完整性。理論教學(xué)沒有重點(diǎn)，內(nèi)容多而亂，內(nèi)容不夠深入，學(xué)生不能有效地掌握所有的知識。基礎(chǔ)知識講授太多，理論課的學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)聯(lián)系不緊密，所學(xué)知識和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不一致，造成理論知識難以鞏固、提高。在實(shí)驗(yàn)課程配置方面，受設(shè)備、場地、技術(shù)等多種因素的限制，更多的是開設(shè)一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，與實(shí)際工程應(yīng)用相差較遠(yuǎn)。實(shí)驗(yàn)步驟只是簡單地連接幾條線，運(yùn)行給定程序，學(xué)生自主發(fā)揮設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的可能性非常小。

二、成果導(dǎo)向教育模式引入的意義

成果導(dǎo)向教育（Outcome-Based Education，OBE）是國際上廣泛獲得好評的先進(jìn)教育理念之一，代表了專業(yè)工程教育改革的主流方向。成果導(dǎo)向教育與其他教育理論不同的地方在于，它強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者運(yùn)用所學(xué)知識的能力。在成果導(dǎo)向教育模式中，教育者需要對學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果有清晰的構(gòu)想，即學(xué)生在完成學(xué)業(yè)后能夠干什么，并通過設(shè)計(jì)合適的教育結(jié)構(gòu)來促進(jìn)和保證學(xué)生達(dá)到這些教育目的[3]。學(xué)習(xí)知識并不是教育的目的，教育的目的在于是否能使學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)后具有某種感知的能力，即要求學(xué)生在完成各項(xiàng)學(xué)習(xí)任務(wù)的過程中將知識、個(gè)人理解與技能相結(jié)合，最終形成某方面的能力成果。學(xué)習(xí)者的產(chǎn)出是該教育模式的動(dòng)力，從這個(gè)意義上說，成果導(dǎo)向教育操作理念與教育方式在工程、企業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)方面具有十分重要的意義[4]。

三、成果導(dǎo)向教育理念在嵌入式課程中的運(yùn)用

筆者結(jié)合實(shí)際的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和平時(shí)教學(xué)工作對成果導(dǎo)向教育理念運(yùn)用的總結(jié)及對兄弟院校的調(diào)研，針對嵌入式教學(xué)中存在的問題提出了以下四個(gè)方面的對策以供探討。

1.課程培養(yǎng)目標(biāo)。學(xué)習(xí)嵌入式課程的最終目標(biāo)是能夠基于單片機(jī)有解決復(fù)雜工程方面的能力?；诔晒麑?dǎo)向的教育理念，我們設(shè)計(jì)了以動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力提高為目標(biāo)的能力目標(biāo)。以完成平衡車程序開發(fā)和制作為項(xiàng)目目標(biāo)。以平衡車開發(fā)為引領(lǐng)，考慮學(xué)生的認(rèn)知能力，設(shè)計(jì)的知識目標(biāo)包括：掌握MDK-ARM軟件的開發(fā)環(huán)境搭建，STM32F107單片機(jī)各種常見外設(shè)的工作原理和開發(fā)流程等，掌握基于STM32F107單片機(jī)最小化系統(tǒng)和各個(gè)功能模塊的連接方式。

2.課程教學(xué)內(nèi)容。將項(xiàng)目化案例有機(jī)地融入課堂教學(xué)，通過工程案例，將理論教學(xué)、實(shí)踐環(huán)節(jié)串聯(lián)在一起，實(shí)現(xiàn)學(xué)生工程能力的訓(xùn)練培養(yǎng)。平衡車的開發(fā)既涉及到單片機(jī)的大部分功能，又有許多的外設(shè)穿插其中。我們以這個(gè)項(xiàng)目為引領(lǐng)，具體地講解了項(xiàng)目開發(fā)過程中遇到的基本理論、基礎(chǔ)知識。我們的課程教學(xué)結(jié)合了軟、硬件平臺，先做效果，再深入理論，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)欲望。在理論的基礎(chǔ)上更注重功能和效果，課程設(shè)計(jì)由淺入深，例如串口，先學(xué)習(xí)串口基礎(chǔ)代碼，接下來擴(kuò)展到藍(lán)牙串口模塊，讓學(xué)生“知其然知其所以然”，學(xué)以致用。其他模塊也是如此，每個(gè)知識點(diǎn)都有對應(yīng)的應(yīng)用舉例，并可以看到效果。分模塊，分階段講解，最后整合。模塊間大致相互獨(dú)立、也互相聯(lián)系，單個(gè)模塊內(nèi)容少上手會容易，最后整合模塊提升學(xué)生對單個(gè)知識模塊和項(xiàng)目開發(fā)流程的理解。

3.課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。通過實(shí)驗(yàn)內(nèi)容重新布局與修改，開展成果導(dǎo)向教育下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，同時(shí)開發(fā)基于成果導(dǎo)向教育的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的裝置。通過和學(xué)生的充分溝通及教師間的探討，我們對嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了改革。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分成基礎(chǔ)篇和綜合篇，基礎(chǔ)部分是要求學(xué)生必須掌握的，例如：開發(fā)環(huán)境搭建、GPIO控制、STM32外部中斷、串口通信、等內(nèi)容。綜合篇以綜合性實(shí)驗(yàn)為主，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括外部傳感器、wifi模塊、攝像頭QT安卓環(huán)境搭建等與產(chǎn)品應(yīng)用開發(fā)密切相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以及基于本課程的大學(xué)生課外實(shí)踐活動(dòng)。針對于學(xué)生實(shí)驗(yàn)的組織，我們在實(shí)驗(yàn)的過程中將學(xué)生進(jìn)行分組，基礎(chǔ)篇的所有內(nèi)容要求每個(gè)學(xué)生必須掌握，而綜合篇?jiǎng)t要求小組內(nèi)討論，個(gè)別同學(xué)重點(diǎn)實(shí)施單個(gè)提高篇的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，最終完成整個(gè)平衡車的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況，提出了一種差異性的實(shí)驗(yàn)方案。針對于基礎(chǔ)篇的內(nèi)容，為使學(xué)生易于掌握和理解，我們編寫了基礎(chǔ)篇實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，該指導(dǎo)詳細(xì)的列出了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)過程。學(xué)生按照該指導(dǎo)自己能夠獨(dú)立完成基礎(chǔ)篇的實(shí)驗(yàn)。每個(gè)學(xué)生的能力不同，完成實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度也不同，如果在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中固定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，一部分學(xué)生會提前完成后而無事可做，另一部分學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己進(jìn)度緩慢，這部分學(xué)生會產(chǎn)生自卑或者采用其他的方法提高實(shí)驗(yàn)進(jìn)度。這不利于學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)。為了提高學(xué)生自主思考的主動(dòng)性和參與度，我們針對每一個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)提出了思考問題，要求學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)之后，根據(jù)自己的能力完成提高篇的內(nèi)容。為完成基礎(chǔ)篇的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，充足的實(shí)驗(yàn)器材保障是關(guān)鍵。為了使每個(gè)學(xué)生能夠獨(dú)立自主的完成基礎(chǔ)篇的內(nèi)容，我們準(zhǔn)備了遠(yuǎn)大于學(xué)生數(shù)的實(shí)驗(yàn)器材，并在學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中安排專人保障學(xué)生實(shí)驗(yàn)器材的穩(wěn)定性和可靠性。

綜合篇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的實(shí)施分成兩部分。一是老師指導(dǎo)學(xué)生討論的實(shí)驗(yàn)課，另一個(gè)是學(xué)生分組的課外實(shí)踐。在綜合類的實(shí)驗(yàn)課中，我們?yōu)閷W(xué)生提供了平衡車的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)器材，學(xué)生進(jìn)行分組，組員之間分工明確，各自完成自己獨(dú)立的內(nèi)容且又存在一定的聯(lián)系，匯總之后完成一個(gè)共同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。學(xué)生完成平衡車的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后，就有了獨(dú)立開發(fā)項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)。課外實(shí)踐部分要求學(xué)生以小組為單位，基于學(xué)習(xí)的單片機(jī)，開發(fā)一款能夠使用的產(chǎn)品，此過程重在學(xué)生參與開發(fā)的過程。

4.教學(xué)質(zhì)量的考核。期末考試，占60%；實(shí)驗(yàn)部分（實(shí)驗(yàn)內(nèi)容完成情況、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和課外實(shí)踐部分），占30%；平時(shí)表現(xiàn)（課堂和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的表現(xiàn)、作業(yè)情況等），占10%。（1）期末考試注重考查基礎(chǔ)知識和基本的工作原理，兼顧考查程序內(nèi)容以及項(xiàng)目的規(guī)劃和設(shè)計(jì)。（2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的考查以實(shí)驗(yàn)過程的評分為準(zhǔn)，對于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，完成基本的實(shí)驗(yàn)給定一個(gè)基本的成績，完成提高部分實(shí)驗(yàn)相應(yīng)的給定成績，所有的評分標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)驗(yàn)前已確定。實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)老師嚴(yán)格控制學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)。對于綜合實(shí)驗(yàn)和課外實(shí)踐內(nèi)容部分的成績評定，以小組成員在實(shí)驗(yàn)中的貢獻(xiàn)大小評定，由老師確定等級，小組成員民主評定。（3）平時(shí)的表現(xiàn)分為學(xué)生隨堂表現(xiàn)和課后作業(yè)兩部分組成。（4）特殊情況的評定。對于以課程實(shí)驗(yàn)單片機(jī)為主參加大學(xué)生科技文化活動(dòng)獲獎(jiǎng)的成員，實(shí)驗(yàn)部分評定為滿分。

四、結(jié)語

隨著嵌入式系統(tǒng)的理論與技術(shù)的飛速發(fā)展，教學(xué)團(tuán)隊(duì)在成果導(dǎo)向教育理論的指導(dǎo)下，積極、主動(dòng)地開展嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)改革與實(shí)踐模式的探索，全面總結(jié)多年來嵌入式教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，思考提高嵌入式課程支撐人才培養(yǎng)的方法，挖掘這類應(yīng)用為主課程教學(xué)的規(guī)律性，促進(jìn)了我們自身教學(xué)工作水平的提高。也期望我們的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)能起到拋磚引玉的作用，通過與廣大一線教師、學(xué)者的交流，凝聚共識，共同推動(dòng)形成科學(xué)的、先進(jìn)的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)模式。

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