以實際應(yīng)用為導(dǎo)向的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革探索

謝家祖 張翠萍 張寶菊

摘? 要：本文在總結(jié)嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)過程中存在問題的基礎(chǔ)上，探索以實際應(yīng)用為導(dǎo)向的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革手段，提出面向?qū)嶋H應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革方案，并在本科生實際教學(xué)過程中進行試用。一系列的教學(xué)改革手段，有效增強了學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)課程的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)新性，提升了嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)效果，同時也使得學(xué)生的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)能力與企業(yè)需求實現(xiàn)良好匹配，體現(xiàn)出高校人才培養(yǎng)與社會需求的良好契合度。

關(guān)鍵詞：實際應(yīng)用;嵌入式系統(tǒng)教學(xué);創(chuàng)新性;企業(yè)需求

中圖分類號：G642? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2020）44-0121-03

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展，各類新技術(shù)層出不窮，新需求也不斷涌現(xiàn)，社會對嵌入式系統(tǒng)方面的人才需求也在不斷增加，對嵌入式系統(tǒng)人才的能力要求也發(fā)生了改變。目前在開設(shè)“嵌入式系統(tǒng)”課程的內(nèi)容設(shè)置、教學(xué)方式方法、課程考核方法與教學(xué)指導(dǎo)思想等方面，國內(nèi)眾多高校未能及時跟上新技術(shù)的發(fā)展步伐，人才培養(yǎng)未能滿足社會發(fā)展需求，需要企業(yè)開展二次培訓(xùn)，這既增加了社會和企業(yè)的用人成本，也束縛了企業(yè)的創(chuàng)新能力。因此，高校有責(zé)任開展市場調(diào)研，并根據(jù)反饋結(jié)果對課程進行改革創(chuàng)新，以適應(yīng)社會需求，服務(wù)社會。

一、當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的問題

目前，國內(nèi)眾多高校電類相關(guān)專業(yè)都開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程，嵌入式系統(tǒng)課程是一門多學(xué)科交叉課程，課程內(nèi)容涉及計算機組成原理、計算機操作系統(tǒng)、C語言程序設(shè)計、ARM體系結(jié)構(gòu)、數(shù)字電路、模擬電路、單片機及接口技術(shù)等課程?；谇度胧较到y(tǒng)本身涉及的課程眾多、知識點的講解需要綜合多門專業(yè)課程的特點 [1]，目前國內(nèi)高校在嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)過程中普遍存在以下問題。

（一）學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高

首先，嵌入式系統(tǒng)是一門綜合性課程，需要學(xué)習(xí)多門專業(yè)基礎(chǔ)課程，例如C語言程序設(shè)計、計算機組成原理、數(shù)字電路等。由于涉及基礎(chǔ)課程較多，知識面分布較廣，部分學(xué)生基礎(chǔ)較為薄弱，或者知識點關(guān)聯(lián)能力弱，導(dǎo)致基礎(chǔ)知識不系統(tǒng)，在學(xué)習(xí)嵌入式課程時就自然而然存在畏難情緒，極大削弱了學(xué)習(xí)興趣 [2]。其次，課程設(shè)置不合理，課程間銜接欠妥，例如，基礎(chǔ)課程后置，導(dǎo)致開設(shè)嵌入式課程時，一些基礎(chǔ)課程還未開設(shè)，使學(xué)生認為嵌入式系統(tǒng)課程難度較大。再次，教學(xué)過程中，部分教師的實踐教學(xué)能力不足，工程實踐能力欠缺，導(dǎo)致嵌入式課程教學(xué)偏重于理論講解，學(xué)生未能順利開展實驗練習(xí)。最后，一些專業(yè)基礎(chǔ)課程并不注重基礎(chǔ)知識的實踐應(yīng)用，導(dǎo)致學(xué)生在嵌入式課程學(xué)習(xí)過程中難以熟練應(yīng)用課程基礎(chǔ)知識，尤其是在實踐環(huán)節(jié)，很難運用學(xué)過的知識分析并解決實際問題，從而產(chǎn)生嵌入式課程難以理解的印象，學(xué)習(xí)積極性因此被削弱。

（二）教學(xué)內(nèi)容老舊

嵌入式系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容更新不能與新技術(shù)發(fā)展相適應(yīng)，現(xiàn)行教材講授的內(nèi)容較為老舊，近年涌現(xiàn)出來的新技術(shù)很難納入現(xiàn)行教學(xué)內(nèi)容。究其原因，一方面，嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺、設(shè)備陳舊，大多基于C51系列單片機或ARM9 核的嵌入式微處理器，導(dǎo)致所學(xué)的內(nèi)容不能滿足實際工程應(yīng)用開發(fā)的技術(shù)要求 [3];另一方面，嵌入式系統(tǒng)教學(xué)配套使用的實驗設(shè)備一般較為昂貴，更新淘汰需要一定周期，難以做到大面積、高頻率淘汰更新，導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容更新較慢;再者，大部分授課教師與社會接觸較少，對嵌入式新技術(shù)發(fā)展不敏感。嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)計的新技術(shù)發(fā)展迅速，在教學(xué)過程中，教師需要把握前沿技術(shù)，適當(dāng)對教學(xué)內(nèi)容做出調(diào)整，例如，淘汰某些匯編語言編程的篇幅，引入嵌入式操作系統(tǒng)相關(guān)知識點。

涉及嵌入式系統(tǒng)的一些基礎(chǔ)課程，也應(yīng)對教學(xué)內(nèi)容加以更新。根據(jù)行業(yè)發(fā)展的前沿應(yīng)用場景，應(yīng)適當(dāng)做出調(diào)整，不斷增加現(xiàn)有知識點在新應(yīng)用場景下的實踐應(yīng)用教學(xué)。教師可在教學(xué)內(nèi)容中引入一些新知識點，并聯(lián)系實際應(yīng)用進行講解，提高新知識點的趣味性，以增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時也要適當(dāng)刪減傳統(tǒng)知識點所占的課時比例，保證課時分配合理均衡。

（三）重理論輕實踐

嵌入式系統(tǒng)是一門偏重實踐的課程，但目前大多數(shù)學(xué)校理論課時是實驗課時的兩倍，理論課時明顯重于實踐。在理論課中，嵌入式系統(tǒng)的概念相對抽象，學(xué)生理解起來相對困難。在實驗課上，學(xué)生能親自動手驗證理論課上難度較大的知識點。大部分學(xué)校嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)使用的是現(xiàn)成實驗箱開設(shè)實驗課程，學(xué)生做實驗的過程，大多是對現(xiàn)成例程的驗證過程，缺少自主編寫程序、自主調(diào)試電路的環(huán)節(jié)，這也是學(xué)生不能深入學(xué)習(xí)嵌入式課程的原因之一。

使用實驗箱系統(tǒng)，能方便教師教學(xué)，且配套有相應(yīng)的例程和實驗指導(dǎo)書。但是對于學(xué)生來說，會導(dǎo)致實驗過程過于簡單，達不到實驗應(yīng)有的效果，且實驗箱系統(tǒng)不便于實時更新內(nèi)容。若授課教師形成自己的嵌入式系統(tǒng)實驗方案，一方面可以隨時更新內(nèi)容;另一方面也能較好地把控例程等實驗材料，達到良好的實驗效果。

二、以實際應(yīng)用為導(dǎo)向的嵌入式系統(tǒng)課程改革方式

基于上述嵌入式系統(tǒng)教學(xué)現(xiàn)狀存在的諸多問題，從實際應(yīng)用出發(fā)，引入近年涌現(xiàn)的嵌入式新技術(shù)，對嵌入式系統(tǒng)課程進行改革創(chuàng)新，并以功能模塊的形式導(dǎo)入嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中直觀接觸新技術(shù)，增強學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)習(xí)主動性，新技術(shù)的模塊化可以屏蔽模塊底層具體實現(xiàn)的復(fù)雜度 [4]，降低學(xué)習(xí)應(yīng)用難度，嵌入式系統(tǒng)課程的改革可從以下幾點入手。

（一）改革課程內(nèi)容

高校應(yīng)擯棄老舊型號的嵌入式處理器，選擇目前廣泛流行使用的ARM Cortex-M3嵌入式處理器作為課程講解的核心，該處理器架構(gòu)較新、參數(shù)性能較高、學(xué)習(xí)資料豐富，并以具體型號STM32F103處理器為核心設(shè)計實驗板，核心板擴展所有IO資源，集成ISP電路，僅使用USB接口就能夠進行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。在學(xué)校實驗經(jīng)費有限的前提下免費提供給學(xué)生，進而淘汰昂貴且不便更新的嵌入式系統(tǒng)實驗箱，同時也方便學(xué)生在課堂之外進行自主實驗，極大降低開發(fā)門檻，方便學(xué)生隨時隨地進行嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)，為學(xué)生創(chuàng)造良好學(xué)習(xí)環(huán)境和條件。同時為了增強學(xué)生興趣，結(jié)合實際應(yīng)用提供系列新技術(shù)擴展實驗電路模塊，例如：GPS定位實驗、WIFI組網(wǎng)實驗、藍牙通信實驗、LORA通信實驗、TFT顯示實驗、圖像獲取處理實驗、IOT物聯(lián)等。學(xué)生能在完成嵌入式課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，參加挑戰(zhàn)杯等學(xué)生課外競賽活動。

（二）改革教學(xué)形式

基于嵌入式系統(tǒng)課程偏實踐應(yīng)用的特點，應(yīng)改變以往教學(xué)步驟，以實例應(yīng)用為導(dǎo)向。首先讓學(xué)生直觀接觸并感受教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生好奇心和學(xué)習(xí)興趣。再逐步引導(dǎo)學(xué)生理解實驗的具體實現(xiàn)原理、實現(xiàn)步驟，讓學(xué)生掌握教學(xué)內(nèi)容的具體實現(xiàn)方法，并要求學(xué)生在模板例程的基礎(chǔ)上進行修改和擴展，完成自己設(shè)定的實驗擴展功能，做到根據(jù)例程實現(xiàn)舉一反三，進而對實驗程序進一步理解和掌握，即做到“知其然，然后知其所以然”。

（三）改革考核手段

課程考核上，應(yīng)以實現(xiàn)預(yù)期實驗現(xiàn)象作為掌握課程內(nèi)容的評判依據(jù)。在實驗的基礎(chǔ)上，學(xué)生自我設(shè)計擴展實驗效果，增加自我設(shè)計實驗項目考核環(huán)節(jié)。每次實驗過程中，要求學(xué)生提出自己設(shè)計的預(yù)期效果，并在基礎(chǔ)例程上完成代碼修改，實現(xiàn)預(yù)期實驗效果，提高學(xué)生自我設(shè)計及創(chuàng)新實驗的能力。以基礎(chǔ)實驗和設(shè)計自主實驗作為課程考核的重要內(nèi)容。在課程期末考核上，要求每位學(xué)生完成具有一定功能的實踐項目，并計入考核成績。例如：實踐項目的復(fù)雜程度、設(shè)計構(gòu)思的新穎性和可行性、模塊電路的功能考慮及選擇、實際測試效果等。摒棄傳統(tǒng)的卷面考試，以實踐項目實驗演示和答辯解說的方式開展考核，并結(jié)合平時實驗擴展效果給出課程評價分?jǐn)?shù)。

（四）改革教學(xué)指導(dǎo)思想

嵌入式系統(tǒng)知識面廣，涉及的學(xué)科眾多。應(yīng)在考慮學(xué)生專業(yè)特點的基礎(chǔ)上，以專業(yè)若干技術(shù)應(yīng)用實驗為主線，直觀展現(xiàn)實驗的具體過程，讓學(xué)生能清晰地感知實現(xiàn)方法及實施步驟，把學(xué)習(xí)真正落到實處，并扎實掌握課上講解的知識點。

作為嵌入式系統(tǒng)課程的授課教師，應(yīng)該不斷學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)前沿技術(shù)，時刻保持學(xué)習(xí)熱情，實時把握嵌入式系統(tǒng)主流的發(fā)展方向，適時更新教學(xué)內(nèi)容，改革教學(xué)指導(dǎo)思想，并將教學(xué)內(nèi)容與科研緊密相連，做到科研反哺教學(xué)，教學(xué)促進科研，使學(xué)生更加契合社會需求。例如，在教學(xué)過程可引入橫向項目的案例，通過實際案例講解晦澀難懂的知識點。

三、結(jié)語

本文總結(jié)了現(xiàn)行嵌入式系統(tǒng)教學(xué)過程中存在的若干問題，在此基礎(chǔ)上，針對教學(xué)的各個環(huán)節(jié)提出了改革措施，引入學(xué)生感興趣的新技術(shù)應(yīng)用內(nèi)容，提升課程吸引力，激發(fā)學(xué)生參與實踐環(huán)節(jié)的主動性和積極性，同時針對嵌入式系統(tǒng)課程實踐性強的特點，更新教學(xué)方式方法，革新教學(xué)指導(dǎo)思想，通過上述措施能有效提升嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)效果。

參考文獻：

[1] 孫偉，李嚴(yán)，等. 面向應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革與探索[J]. 工業(yè)和信息化教育，2016（01）：32-35.

[2] 池濤，陳明，等. 國際化模式結(jié)合本土案例實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)[J]. 教學(xué)研究，2018，41（01）：75-79.

[3] 劉威，常瑞，謝耀濱. 面向系統(tǒng)能力培養(yǎng)的嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)模式改革與實踐[J]. 計算機教育，2019（01）：39-43+47.

[4] 王立新，蔣烈輝，等. 以嵌入式為核心的計算機課程體系建設(shè)[J]. 計算機教育，2016（02）：66-68.

（責(zé)任編輯：胡甜甜）