高校嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)改革研究

湯萍萍　王冬菊

摘要：傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)在新環(huán)境新形勢下急需更新。通過市場調(diào)查和教學(xué)現(xiàn)狀分析，根據(jù)多年的嵌入式教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，探索以實(shí)踐為導(dǎo)向的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革，并取得了較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng);教學(xué)改革;改革研究

中圖分類號：TP311 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）13-0151-02

1 背景及教學(xué)現(xiàn)狀分析

嵌入式系統(tǒng)是先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是一個(gè)技術(shù)密集、不斷創(chuàng)新的知識系統(tǒng)。尤其是5G技術(shù)的革新，帶來物聯(lián)網(wǎng)的崛起和飛速發(fā)展，也給嵌入式系統(tǒng)帶來新的契機(jī)和挑戰(zhàn)[1]。

然而，該課程的知識更新速度明顯快于傳統(tǒng)學(xué)科，教學(xué)難點(diǎn)和暴露的問題日益突出，具體分析如下：1）多領(lǐng)域知識與技術(shù)的結(jié)合。嵌入式領(lǐng)域的專家一致認(rèn)為[2]，嵌入式系統(tǒng)具有很強(qiáng)的綜合性，如計(jì)算機(jī)工程、軟件工程、通信、自動化等，其專業(yè)框架大、基礎(chǔ)內(nèi)容廣，導(dǎo)致教學(xué)體系的量身定制有著較高要求，考慮因素眾多。2）軟件與硬件的結(jié)合。嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的緊密結(jié)合，這個(gè)特點(diǎn)也決定了嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)體系必須是軟件和硬件兩條線并行并重。3）理論與實(shí)踐相結(jié)合。嵌入式系統(tǒng)以應(yīng)用為中心、注重實(shí)踐，必須通過大量的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)來提升嵌入式系統(tǒng)的專業(yè)知識和實(shí)際動手能力。在目前的教學(xué)條件下，如何提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平和實(shí)際動手能力是個(gè)難題。

我院從2006年開設(shè)嵌入式系統(tǒng)課程至今，雖然積累了很多寶貴經(jīng)驗(yàn)，但在科學(xué)技術(shù)日新月異的形勢下，傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容、方法和手段已不能適應(yīng)發(fā)展的需要。為此，我們從2012年開始，組建教學(xué)團(tuán)隊(duì)，針對嵌入式系統(tǒng)課程的特點(diǎn)，探索嵌入式系統(tǒng)課程的系列教學(xué)改革，并取得了較好的教學(xué)效果。

2 教學(xué)體系改革

據(jù)《2015-2020年中國嵌入式計(jì)算機(jī)行業(yè)競爭格局分析及發(fā)展前景預(yù)測報(bào)告》顯示的嵌入式人才培養(yǎng)的技能需求，以及IEEE和ACM起草的嵌入式系統(tǒng)課程體系的建議[4]，再結(jié)合我院各專業(yè)的特點(diǎn)和培養(yǎng)目標(biāo)的要求，確定了嵌入式系統(tǒng)的課程體系架構(gòu)如圖1所示。

這里，支撐嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)課程有：數(shù)字電路，模擬電路、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、C語言程序設(shè)計(jì)、單片機(jī)原理、計(jì)算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)原理、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等。需要特別說明的是，我們在這些先修課程里溶入了一些嵌入式系統(tǒng)的知識，例如在Linux GNUCC環(huán)境下學(xué)習(xí)C語言編程，在微機(jī)原理課程中講述嵌入式系統(tǒng)和PC的區(qū)別和共性，在單片機(jī)課程中講解CISC和RISC指令集等等。在基礎(chǔ)課程里溶入嵌入式系統(tǒng)的知識，為學(xué)生在高年級學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)打下良好的基礎(chǔ)。另外，這種溶入的方法使得各門課程之間相互銜接，有較強(qiáng)的系統(tǒng)性和連貫性。

3 教學(xué)模式改革

傳統(tǒng)的教學(xué)模式重理論輕實(shí)踐、強(qiáng)調(diào)知識學(xué)習(xí)而忽略開拓創(chuàng)新、重視個(gè)人學(xué)術(shù)能力而輕視團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，為此，我們探索一系列以實(shí)踐為導(dǎo)向的教學(xué)模式（包括CDIO教學(xué)模式、三明治教學(xué)模式、信息化輔導(dǎo)教學(xué)模式等等），努力培養(yǎng)全方位的嵌入式人才，強(qiáng)調(diào)能力素質(zhì)教育。

1）CDIO教學(xué)模式[5]。CDIO是近年來國際工程教育改革的最新成果，以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在基礎(chǔ)知識、個(gè)人能力等方面達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，適合工科教育教學(xué)過程各個(gè)環(huán)節(jié)的改革。為此，我們引入CDIO教學(xué)模式，并結(jié)合我院實(shí)際和專業(yè)特點(diǎn)，提出項(xiàng)目驅(qū)動的嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)，通過產(chǎn)、學(xué)、研的廣泛合作，以典型的工程項(xiàng)目為對象，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，幫助分解提煉理論知識點(diǎn)和實(shí)踐知識點(diǎn)，并將它們滲透到教學(xué)之中。另外，根據(jù)CDIO教學(xué)模式，我們還建立了雛鷹計(jì)劃工程，該工程以團(tuán)隊(duì)合作為內(nèi)容，設(shè)計(jì)組織學(xué)生以團(tuán)隊(duì)合作方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，從而鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

2）三明治教學(xué)模式。英國的三明治教學(xué)模式，是指將理論知識應(yīng)用于實(shí)踐，又從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提升理論學(xué)習(xí)的過程。受這種模式的啟發(fā)，再結(jié)合嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的實(shí)際需要，我們將教學(xué)過程設(shè)計(jì)為實(shí)踐和理論相互穿插的漢堡巨無霸模式：傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)課程的第一周是概要介紹，革新后的第一周教學(xué)內(nèi)容，是讓學(xué)生接觸實(shí)際的嵌入式產(chǎn)品或生產(chǎn)環(huán)節(jié)，這屬于認(rèn)知性的實(shí)踐教學(xué);在接下來的2-8周是基礎(chǔ)知識教學(xué);6-12周是以實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐為主的應(yīng)用型教學(xué);10-15周是提升的理論知識教學(xué);14-16周是提升式技能教學(xué)。這種模式下，理論與實(shí)踐相互穿插，達(dá)到理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)教學(xué)相長的目的。

3）分層教學(xué)模式。根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，將教學(xué)目標(biāo)根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)層次分級制定更具有實(shí)際意義。為此我們進(jìn)行一系列的分層行為，包括團(tuán)隊(duì)分層，任務(wù)分層，教學(xué)內(nèi)容分層等等。例如，在教學(xué)后期，我們根據(jù)學(xué)生的基礎(chǔ)與接受能力的不同，劃分為不同層次的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，給予不同層次的任務(wù)，如模仿驗(yàn)證型、自主設(shè)計(jì)型、思考創(chuàng)新型。這種分層的方法，不僅促進(jìn)了優(yōu)等團(tuán)隊(duì)的特色建設(shè)，普通學(xué)生也各有所學(xué)、各有所獲。

4）頭腦風(fēng)暴的考核模式。傳統(tǒng)的考核方式是筆試成績（期末考試）+平時(shí)成績（點(diǎn)名、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等），主要考察基本理論知識的掌握程度。以實(shí)踐為導(dǎo)向的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革大環(huán)境下，需要突出學(xué)生操作技能和實(shí)踐創(chuàng)新能力，因此采用課程考核、認(rèn)證考核以及競賽考核的1+1+1模式：課程考核即為傳統(tǒng)的考核模式;認(rèn)證考核以信息產(chǎn)業(yè)部“嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工程師”認(rèn)證和微軟“WinCE嵌入式工程師”認(rèn)證為主，其他認(rèn)證為輔;競賽考核，主要是鼓勵(lì)學(xué)生積極參加國內(nèi)外嵌入式系統(tǒng)競賽，比如全國大學(xué)生電子大賽、博創(chuàng)杯嵌入式設(shè)計(jì)大賽、ZLG杯ARM嵌入式系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)大賽等等，激發(fā)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

5）信息化輔導(dǎo)教學(xué)模式。網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)深刻地影響著學(xué)習(xí)方式的改進(jìn)，在嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)過程中，我們高度重視網(wǎng)絡(luò)手段對傳統(tǒng)教學(xué)方式的補(bǔ)充作用，通過在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)（online learning system）的教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺實(shí)現(xiàn)信息共享和知識更新，例如上傳教學(xué)課件和演示案例、在線問題討論等。這種新型的網(wǎng)絡(luò)輔導(dǎo)教學(xué)方法為學(xué)生的自學(xué)、復(fù)習(xí)提供了豐富的資源，為師生之間、學(xué)生之間的交流溝通建立了實(shí)時(shí)通道，對嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)提供強(qiáng)有力的支撐。

4 教學(xué)方法改革

現(xiàn)代教學(xué)認(rèn)為[3]，教學(xué)是教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生共同參與的多邊活動，學(xué)生是教學(xué)的主體。于是，我們以“實(shí)用、有趣、有效”為指導(dǎo)思想，探索嵌入式系統(tǒng)的一系列教學(xué)方法，目的在于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，鍛煉學(xué)生的動手能力，引導(dǎo)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

1）案例教學(xué)法。初創(chuàng)于哈佛商學(xué)院，是一種以案例為基礎(chǔ)的教學(xué)法。嵌入式系統(tǒng)教材中最明顯的特征是內(nèi)容生硬，學(xué)生很難把抽象的知識和實(shí)踐結(jié)合并具體應(yīng)用，通過設(shè)計(jì)有趣的案例來吸引學(xué)生，提高表達(dá)能力，縮短了教學(xué)情境與實(shí)際生活情境的差距。例如在理論教學(xué)初期介紹ARM處理器時(shí)，我們設(shè)計(jì)了一些模擬數(shù)字電路功能的“軟件芯片”，通過在多媒體教室 PC 機(jī)演示其功能，幫助學(xué)生對知識點(diǎn)的理解和入門。

2）倒推教學(xué)法。嵌入式系統(tǒng)課程中有很多專業(yè)性極強(qiáng)的理論知識部分，學(xué)生對晦澀難懂、抽象難理解的內(nèi)容非常乏味，為此，我們的教學(xué)團(tuán)隊(duì)對嵌入式教學(xué)方法進(jìn)行了大膽的改革，效果證明倒推法完全改變了教學(xué)過程枯燥單調(diào)的狀況。例如在課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，首先就讓學(xué)生見識一個(gè)實(shí)際的嵌入式產(chǎn)品，再以這個(gè)典型的嵌入式產(chǎn)品為目標(biāo)，將產(chǎn)品分解，倒推出一個(gè)產(chǎn)品的開發(fā)過程。

3）實(shí)戰(zhàn)教學(xué)法。嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)方法與傳統(tǒng)課程的教學(xué)相比，需要突出實(shí)際動手能力的培養(yǎng)。為了提高學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力，利用課余時(shí)間和現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件，為學(xué)生搭建科技競賽的訓(xùn)練平臺，鼓勵(lì)學(xué)生積極參加各類嵌入式比賽，如全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽—嵌入式系統(tǒng)專題邀請賽，微軟嵌入式全球大學(xué)生挑戰(zhàn)賽，博創(chuàng)杯嵌入式競賽等。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】