嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)方法的改革與實(shí)踐

李傳娣 趙常松

摘 要：嵌入式系統(tǒng)是一門理論與實(shí)踐并重的學(xué)科，在分析傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中普遍存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，立足于獨(dú)立本科院校應(yīng)用型人才培養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)，針對(duì)嵌入式課程的教學(xué)設(shè)計(jì)，本文從教學(xué)內(nèi)容的選擇、實(shí)踐環(huán)節(jié)以及考核方式等多方面對(duì)嵌入式系統(tǒng)課程的改革進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。從課改實(shí)施效果來(lái)看，該課程提高了嵌入式課程的教學(xué)質(zhì)量，加深了學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)的理解，培養(yǎng)學(xué)生具有較好嵌入式軟硬件設(shè)計(jì)能力，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：嵌入式;教學(xué)方法;課程改革

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009 — 2234（2019）01 — 0144 — 03

一、傳統(tǒng)嵌入式課程教學(xué)中普遍存在的弊端

傳統(tǒng)的嵌入式課程教學(xué)以微處理器體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)為主，教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用的聯(lián)系不緊密，學(xué)生在學(xué)習(xí)相關(guān)理論過(guò)程中經(jīng)常會(huì)感到抽象和不易理解，面對(duì)實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題，無(wú)法把所學(xué)內(nèi)容與應(yīng)用實(shí)際聯(lián)系起來(lái)，學(xué)習(xí)積極性下降，效果不好，更談不上對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。教學(xué)內(nèi)容與企業(yè)的開發(fā)需求匹配度不好，造成學(xué)校培養(yǎng)的大量相關(guān)專業(yè)畢業(yè)生無(wú)法適應(yīng)市場(chǎng)需求，同時(shí)就業(yè)市場(chǎng)又缺乏相關(guān)專業(yè)人才的矛盾局面。傳統(tǒng)的嵌入式課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能真正培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力，其主要以ARM教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱為主要教具，無(wú)法讓學(xué)生參與到硬件設(shè)計(jì)及制作的實(shí)踐過(guò)程中。傳統(tǒng)的嵌入式課程考核主要是試卷的形式，無(wú)法體現(xiàn)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力〔1〕。

二、嵌入式課程的教學(xué)方法改革

（一）如何選擇嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)內(nèi)容

嵌入式系統(tǒng)綜合了多門學(xué)科及課程。從工程的角度分析，它涉及了電子、機(jī)械、計(jì)算機(jī)、傳感器等多個(gè)課程及學(xué)科，學(xué)生很難在短時(shí)間內(nèi)學(xué)習(xí)到嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的全部技能。因此，各個(gè)學(xué)科的嵌入式系統(tǒng)課程所側(cè)重的知識(shí)面是不同的〔2〕。目前市場(chǎng)上有多種嵌入式微處理器類型、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及其開發(fā)工具，如何選擇合適的教學(xué)內(nèi)容是課程改革首先需要解決的問(wèn)題。

傳統(tǒng)教學(xué)模式以傳授基本概念、原理為主，隨著課程的深入，有很多學(xué)生覺(jué)得嵌入式技術(shù)高深莫測(cè)，需要有廣泛的專業(yè)知識(shí)——尤其是需要掌握大量硬件相關(guān)知識(shí)——才能學(xué)習(xí)。在《嵌入式原理及應(yīng)用設(shè)計(jì)》的教學(xué)內(nèi)容選擇上，經(jīng)多方面的分析和比較，最終確定了把“ARM硬件平臺(tái)+嵌入式Linux開源操作系統(tǒng)”作為課程教學(xué)的主要內(nèi)容。經(jīng)過(guò)授課實(shí)踐，此內(nèi)容的選擇降低了嵌入式課程的學(xué)習(xí)門檻，減小了學(xué)生對(duì)嵌入式課程的神秘感和懼怕心理，使嵌入式技術(shù)被更多學(xué)生所掌握，可以系統(tǒng)的學(xué)習(xí)嵌入式軟件和硬件知識(shí)。

本課程把“ARM11（S3C6410）硬件平臺(tái)+嵌入式Linux開源操作系統(tǒng)”作為主要的課程教學(xué)內(nèi)容。選擇ARM11作為硬件平臺(tái)，是因?yàn)槟壳皬V泛使用的嵌入式CPU中90%的產(chǎn)品是以ARM作為IP核的，具有廣闊的應(yīng)用前景。在操作系統(tǒng)平臺(tái)選擇方面，嵌入式Linux是當(dāng)前最具有發(fā)展?jié)摿Φ牟僮飨到y(tǒng)，這使學(xué)生更加充分地理解嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程和設(shè)計(jì)思路。另外，在教學(xué)中，教師也可以講解一些基于嵌入式的科研項(xiàng)目相關(guān)知識(shí)，保證了教學(xué)內(nèi)容能夠和嵌入式技術(shù)發(fā)展的新方向和新趨勢(shì)密切聯(lián)系。

（二）啟發(fā)式教學(xué)方法

在嵌入式課改中，我們要改變和轉(zhuǎn)換傳統(tǒng)教學(xué)理念下教師和學(xué)生的角色，讓教師從知識(shí)的傳播者變?yōu)橹笇?dǎo)者，學(xué)生從知識(shí)的被動(dòng)學(xué)習(xí)者變?yōu)橹R(shí)的主動(dòng)構(gòu)建者。嵌入式課改教學(xué)過(guò)程中，在講解微處理器的軟件技術(shù)和硬件平臺(tái)時(shí)，我們強(qiáng)調(diào)了嵌入式軟硬件系統(tǒng)和通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的相似及不同之處，啟發(fā)學(xué)生把已掌握的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的理論知識(shí)，應(yīng)用到嵌入式的使用場(chǎng)景中，從而可以更加高效地學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用和設(shè)計(jì)。這樣的授課方式能讓學(xué)生更好地理解嵌入式技術(shù)并應(yīng)用。

（三）加強(qiáng)實(shí)踐訓(xùn)練教學(xué)環(huán)節(jié)

在教學(xué)過(guò)程中引入項(xiàng)目應(yīng)用的教學(xué)理念，采取以學(xué)生為主的教育方式，充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性，把平時(shí)上課學(xué)到的基本理論和網(wǎng)上自主學(xué)習(xí)的知識(shí)和項(xiàng)目（可選自于企業(yè)職業(yè)技能培訓(xùn)項(xiàng)目）充分應(yīng)用起來(lái)，解決實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生在嵌入式系統(tǒng)中的軟硬件編程能力的培養(yǎng)。

對(duì)于嵌入式系統(tǒng)這么課程，很多學(xué)生掌握一般的入門知識(shí)，無(wú)法達(dá)到研發(fā)的程度，因此，本課改選擇了項(xiàng)目式教學(xué)法，其核心理念就是將學(xué)生組織起來(lái)，以學(xué)習(xí)小組的形式共同學(xué)習(xí)、共同探討，即在掌握了嵌入式基礎(chǔ)知識(shí)的前提下共同研發(fā)，在軟硬件開發(fā)過(guò)程中深入學(xué)習(xí)，教師給予指導(dǎo)和幫助。學(xué)生們可以互相交流，例如有的學(xué)生擅長(zhǎng)ARM微處理器硬件設(shè)計(jì)，有的學(xué)生擅長(zhǎng)ARM嵌入式軟件設(shè)計(jì)，學(xué)生們一起合作，建立主動(dòng)的學(xué)習(xí)方式，培養(yǎng)學(xué)生的ARM嵌入式設(shè)計(jì)能力、編程能力和創(chuàng)新能力。

本課程開始之前，教師會(huì)根據(jù)每個(gè)學(xué)生的理論基礎(chǔ)、研發(fā)能力將學(xué)生分為幾個(gè)小組，以小組為基本單位進(jìn)行嵌入式的實(shí)驗(yàn)開發(fā)。教師講解ARM嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程，力求為全體學(xué)生建立相對(duì)完整的嵌入式硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)的理論框架以及開發(fā)思路。隨后的學(xué)習(xí)過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生上機(jī)實(shí)踐、查閱資料，分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，在實(shí)踐中獲取知識(shí)。具體的嵌入式實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，采取小組成員分工實(shí)踐、定時(shí)總結(jié)匯報(bào)、互動(dòng)交流協(xié)助的模式，讓學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)的每個(gè)方面。這個(gè)過(guò)程可以鍛煉學(xué)生的分析、表達(dá)、總結(jié)問(wèn)題、討論問(wèn)題以及最終解決問(wèn)題的能力?？傊?，教師是教學(xué)的引導(dǎo)者，并將合作學(xué)習(xí)和探索的責(zé)任也由教師為主轉(zhuǎn)向?qū)W生為主，最終要讓學(xué)生達(dá)到獨(dú)立開發(fā)初級(jí)嵌入式系統(tǒng)的程度。之后，教師逐步加強(qiáng)學(xué)生在研發(fā)中自主學(xué)習(xí)和解決遇到的實(shí)際問(wèn)題的能力。選題一般為具有實(shí)際應(yīng)用背景的項(xiàng)目課題，由教師指導(dǎo)學(xué)生小組詳細(xì)分析硬件、軟件設(shè)計(jì)方案、開發(fā)進(jìn)度安排等。學(xué)生不再是傳統(tǒng)教學(xué)中受外部刺激的被動(dòng)接受者和被灌輸?shù)膶?duì)象，本教學(xué)法以學(xué)生為中心，充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)新精神。

項(xiàng)目舉例：智能農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

智能農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可應(yīng)用于大棚、果園等場(chǎng)所，布設(shè)在果園或大棚中的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集農(nóng)作物生長(zhǎng)所需的空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)，并采用低功耗自組網(wǎng)的短程無(wú)線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的傳輸，所有數(shù)據(jù)匯集到中心節(jié)點(diǎn)，采用一個(gè)無(wú)線網(wǎng)關(guān)連接到互聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)或手機(jī)可以實(shí)時(shí)查詢農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境參數(shù)，專家系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境參數(shù)診斷、預(yù)測(cè)農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀況與病蟲害狀況。在環(huán)境參數(shù)超標(biāo)的情況下，系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程控制遮陽(yáng)網(wǎng)、風(fēng)機(jī)、加熱、加濕或灌溉裝置等，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化監(jiān)測(cè)與管理。

系統(tǒng)組成：本系統(tǒng)由嵌入式微處理器、溫度傳感器、空氣濕度、土壤濕度、光照等傳感器組成，數(shù)據(jù)采集后，經(jīng)無(wú)線模塊傳輸?shù)胶笈_(tái)服務(wù)器中;

系統(tǒng)功能：

（1）溫度控制：當(dāng)溫室大棚內(nèi)溫度高于設(shè)定上限值時(shí)，控制器發(fā)出指令關(guān)閉加熱器，之后開啟通風(fēng)設(shè)備;當(dāng)溫室大棚內(nèi)溫度低于設(shè)定下限值時(shí)，控制器發(fā)出指令關(guān)閉通風(fēng)設(shè)備，之后開啟加熱器，從而保證溫室大棚內(nèi)的溫度在設(shè)定范圍內(nèi)。

（2）空氣/土壤濕度控制：當(dāng)溫室大棚內(nèi)空氣/土壤濕度高于設(shè)定上限值時(shí)，控制器發(fā)出指令關(guān)閉噴淋灌溉設(shè)備，之后開啟通風(fēng)設(shè)備;當(dāng)溫室大棚內(nèi)空氣/土壤濕度低于設(shè)定下限值時(shí)，控制器發(fā)出指令關(guān)閉通風(fēng)設(shè)備，之后開啟噴淋灌溉設(shè)備，保證空氣及土壤的濕度恒定。

（3）光照強(qiáng)度控制：當(dāng)溫室大棚內(nèi)光照強(qiáng)度高于設(shè)定上限值時(shí)，控制器發(fā)出指令關(guān)閉光照器;當(dāng)溫室大棚內(nèi)光照強(qiáng)度低于設(shè)定下限值時(shí)，控制器發(fā)出指令開啟光照器，使得農(nóng)作物達(dá)到最佳的光合作用狀態(tài)。

系統(tǒng)仿真效果圖：

以這種實(shí)踐項(xiàng)目開發(fā)式的教學(xué)方式，教師的核心職責(zé)是幫助學(xué)生小組，如何進(jìn)行一個(gè)完整的嵌入式項(xiàng)目的開發(fā)、如何發(fā)現(xiàn)軟硬件調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的各種問(wèn)題以及如何解決問(wèn)題的方法。教師不再像傳統(tǒng)教學(xué)中，把自己的看法及課本知識(shí)直接教給學(xué)生，而是改變自己的教學(xué)方式以適應(yīng)學(xué)生的學(xué)習(xí)。教師不再是單純地知識(shí)灌輸者，而是指導(dǎo)者和組織者，是學(xué)生的實(shí)踐顧問(wèn)，教師在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)與學(xué)生積極互動(dòng)，共同發(fā)展。

（四）嵌入式課程的考核方式改進(jìn)

嵌入式系統(tǒng)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，學(xué)生在學(xué)習(xí)了硬件結(jié)構(gòu)的之后再參考相關(guān)英文資料后才能進(jìn)行系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)。為此，本課程將對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)和考核貫穿于整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，提高學(xué)生的嵌入式軟硬件的設(shè)計(jì)能力。

我們對(duì)考核方式進(jìn)行了改進(jìn)，改革措施如下：

1.平時(shí)成績(jī)占25%。包括出勤、作業(yè)等。

2.期末成績(jī)占30%?？荚嚍殚]卷，主要目的為考察學(xué)生對(duì)嵌入式知識(shí)點(diǎn)的掌握程度?？荚囶}型除了填空、選擇、判斷外，以自主編程為主，考察學(xué)生的嵌入式綜合運(yùn)用能力。

3.綜合實(shí)驗(yàn)成績(jī)占45%。在項(xiàng)目法教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生要參加一次綜合實(shí)驗(yàn)測(cè)試，除必考題目外，讓具有硬件設(shè)計(jì)及編程能力較強(qiáng)的學(xué)生有自主發(fā)揮部分，可現(xiàn)場(chǎng)講解編程思路，并回答老師提出的問(wèn)題，最后根據(jù)題目難易程度及實(shí)際完成情況進(jìn)行評(píng)分。

三、嵌入式課程教學(xué)方法改革的實(shí)踐效果

（一）調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

通過(guò)對(duì)本課程教學(xué)方法的改革，學(xué)生的學(xué)習(xí)嵌入式的積極性得到提高，真正使學(xué)生做到在學(xué)習(xí)中思考、在思考中鞏固、在鞏固中提高，通過(guò)激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在學(xué)習(xí)興趣，挖掘?qū)W生的學(xué)習(xí)潛能，著重培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識(shí)。在該教學(xué)改革中，我們?cè)O(shè)置了課后實(shí)踐項(xiàng)目訓(xùn)練，可有效地激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，鍛煉軟硬件設(shè)計(jì)能力，同時(shí)也培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新能力。

（二）學(xué)會(huì)了合作，培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)精神。

隨著各學(xué)科的發(fā)展和細(xì)化，建立團(tuán)隊(duì)、合作是必然趨勢(shì)，這就要求學(xué)生具有團(tuán)隊(duì)精神。因此，我們?cè)诮虒W(xué)改革中更加注重培養(yǎng)學(xué)生的合作精神，著力培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)以及課題實(shí)踐的能力。這種項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)方法激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造能力，取得了非常好的成果。

（三）教學(xué)相長(zhǎng)，師生共同提高。

在實(shí)踐中，作為教師，對(duì)學(xué)生實(shí)踐時(shí)遇到的各種問(wèn)題作出解答或給出相應(yīng)的指導(dǎo)方案;作為學(xué)生，在參與硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、整體調(diào)試的過(guò)程后，學(xué)生的積極性和創(chuàng)造力得到了提高。因此學(xué)生在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成一個(gè)項(xiàng)目，實(shí)際上是一個(gè)共同合作、相互學(xué)習(xí)的過(guò)程。在這個(gè)課程改革的過(guò)程中，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力，鍛煉了導(dǎo)師的科研能力〔5〕。

（四）促進(jìn)學(xué)生個(gè)性化發(fā)展。

通過(guò)嵌入式課程改革，教師可以根據(jù)學(xué)生對(duì)嵌入式的興趣和綜合素質(zhì)，進(jìn)行項(xiàng)目分工，分別側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的理論水平、軟硬件設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力，達(dá)到個(gè)性化發(fā)展。

四、結(jié)束語(yǔ)

嵌入式系統(tǒng)是一門側(cè)重應(yīng)用性的課程。為實(shí)現(xiàn)我校應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)，有必要對(duì)該課程進(jìn)行一系列改革。本課程從教學(xué)內(nèi)容的選擇、實(shí)踐環(huán)節(jié)以及考核方式等多方面進(jìn)行了改革，教學(xué)效率得到提高，鍛煉了學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力，培養(yǎng)了學(xué)生的硬件設(shè)計(jì)能力、軟件編程能力、創(chuàng)新能力，有利于培養(yǎng)高素質(zhì)專業(yè)人才，為獨(dú)立院校進(jìn)一步培養(yǎng)應(yīng)用型人才提供參考。然而嵌入式課程的教學(xué)改革是需要堅(jiān)持不懈的探索的，本課程會(huì)繼續(xù)改進(jìn)教學(xué)方法，爭(zhēng)取在更大程度上提升學(xué)生進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的能力，以適應(yīng)嵌入式開發(fā)行業(yè)的需求。

〔參 考 文 獻(xiàn)〕

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〔責(zé)任編輯：侯慶?！?/p>