《嵌入式系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用》優(yōu)質(zhì)課程設(shè)計(jì)與實(shí)踐

劉莫塵，宋月鵬，婁 偉，閆銀發(fā)，劉 平

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271018)

0 引言

《嵌入式系統(tǒng)技術(shù)及應(yīng)用》是山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)科學(xué)術(shù)型碩士研究生的一門專業(yè)課，是培養(yǎng)研究生嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)的重要課程[1-3]。通過對該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生全面掌握嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)方法。本課程以應(yīng)用問題為驅(qū)動(dòng)力，結(jié)合科研項(xiàng)目，運(yùn)用嵌入式系統(tǒng)知識解決實(shí)際問題，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新精神和綜合理論應(yīng)用能力的重要課程，它可為專業(yè)課的學(xué)習(xí)和進(jìn)一步深造奠定基礎(chǔ)。

1 課程設(shè)計(jì)理念和體系

《嵌入式系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用》重點(diǎn)講授嵌入式系統(tǒng)的研究進(jìn)展、最新研究成果及當(dāng)前主流軟硬件開發(fā)設(shè)計(jì)方法(圖1)，在專業(yè)課程體系中起到重要的承上啟下作用，對于培養(yǎng)學(xué)生的基本理論素養(yǎng)、工程實(shí)踐能力、綜合素質(zhì)及創(chuàng)新能力具有重要的作用[4]。本課程的設(shè)計(jì)理念：內(nèi)容上注重知識的系統(tǒng)性和先進(jìn)性，注重理論與實(shí)踐的聯(lián)系，突出應(yīng)用基礎(chǔ)理論、先進(jìn)技術(shù)和設(shè)計(jì)理念解決實(shí)際問題的方法，培養(yǎng)研究生分析和解決嵌入式系統(tǒng)問題的能力，以“理論-方法-實(shí)現(xiàn)”為主線，開拓解決實(shí)際問題的思路；在教學(xué)方法上倡導(dǎo)“以學(xué)生為本，理論結(jié)合實(shí)踐，重在學(xué)生參與”，突出理論應(yīng)用與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)特色，構(gòu)建以“多媒體教學(xué)-網(wǎng)絡(luò)教學(xué)-實(shí)踐教學(xué)”為主體的多元化教學(xué)模式[5-6]。

2 課程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 知識構(gòu)成與能力構(gòu)成

2.1.1知識體系結(jié)構(gòu)

(1)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程。主要講授嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)理念、設(shè)計(jì)方法等。

(2)硬件設(shè)計(jì)。主要包括基本的時(shí)序邏輯電路、硬件資源、常用的總線(IIC、SPI、USB、CAN)、主流的I/O設(shè)備功能特點(diǎn)及接口設(shè)計(jì)等。

(3)軟件設(shè)計(jì)。主要包括嵌入式系統(tǒng)開發(fā)語言的特點(diǎn)、嵌入式軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與方法、異常處理及中斷機(jī)制等。

(4)嵌入式操作系統(tǒng)。主要包括典型嵌入式操作系統(tǒng)的文件管理、內(nèi)存管理、基于嵌入式操作系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方法、嵌入式操作系統(tǒng)的內(nèi)核裁剪及嵌入式操作系統(tǒng)的移植等。

2.1.2培養(yǎng)學(xué)生能力

(1)專業(yè)知識能力。典型嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案規(guī)劃與開發(fā)能力、工程實(shí)踐問題分析能力及優(yōu)化改進(jìn)嵌入式系統(tǒng)的能力等。

(2)學(xué)生設(shè)計(jì)方法能力。主要包括典型常用硬件(傳感器、人機(jī)接口、存儲器、通信模塊)的設(shè)計(jì)能力、軟件開發(fā)能力和嵌入式操作系統(tǒng)的裁剪移植開發(fā)能力等。

(3)學(xué)生社會能力。主要包括良好的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的基本素養(yǎng)，較好的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、合作交流意識和溝通表達(dá)能力，一定的獨(dú)立觀察、思考、分析概括和創(chuàng)新能力等。

2.2 講述內(nèi)容與自修內(nèi)容

本課程主要包括課堂講授和實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)兩個(gè)主要教學(xué)環(huán)節(jié)。課堂教學(xué)普及了嵌入式系統(tǒng)的基本知識及設(shè)計(jì)方法，通過對本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)了解嵌入式系統(tǒng)的基本特點(diǎn)與設(shè)計(jì)方法，熟悉并掌握嵌入式系統(tǒng)硬件、軟件和嵌入式操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)主要講授嵌入式硬件設(shè)計(jì)與開發(fā)、嵌入式軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)、嵌入式操作系統(tǒng)的裁剪移植與開發(fā)等，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力和分析問題能力，為本課程的教學(xué)奠定實(shí)踐基礎(chǔ)。同時(shí)還結(jié)合國內(nèi)外嵌入系統(tǒng)典型案例、仿真設(shè)計(jì)等現(xiàn)代化教學(xué)手段，使學(xué)生了解和掌握國內(nèi)外嵌入式系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。教材中的部分內(nèi)容還可以讓學(xué)生自學(xué)或結(jié)合實(shí)際問題進(jìn)行課堂討論，或針對嵌入式系統(tǒng)的最新研究動(dòng)態(tài)開展專題講座，以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題與解決問題的能力[7-8]。

本課程要求學(xué)生利用課余時(shí)間進(jìn)行廣泛閱讀。除了教材之外，教師在授課過程中還使用一些補(bǔ)充資料：一是教師在課堂上所要講授的內(nèi)容，而教材上沒有的或者教材上內(nèi)容不夠的，如國內(nèi)外更新的功能硬件、計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)方法和典型案例等；二是選擇一些參考教材、學(xué)術(shù)期刊等指定學(xué)生課后閱讀；三是向?qū)W生提供專業(yè)技術(shù)網(wǎng)站，學(xué)習(xí)并補(bǔ)充本領(lǐng)域最新研究和發(fā)展動(dòng)態(tài)。

3 課程教學(xué)方法與手段

3.1 主要教學(xué)方法

(1)科學(xué)合理地使用多媒體與傳統(tǒng)教學(xué)方法。采用多媒體授課加強(qiáng)學(xué)習(xí)進(jìn)度，提高教學(xué)效率。減少重復(fù)勞動(dòng)，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性。綱要概括簡明，重在提綱攜領(lǐng)，激發(fā)潛能靈感，刺激學(xué)習(xí)興趣，解決重點(diǎn)難點(diǎn)，增進(jìn)心靈溝通，創(chuàng)造平行交流，營造融洽空間。授課過程中并不完全依賴多媒體，而是把握好多媒體教學(xué)使用的“度”，在教學(xué)過程中應(yīng)用多媒體課件時(shí)，教師應(yīng)起主導(dǎo)作用，而多媒體只是教學(xué)輔助手段。

(2)采用啟發(fā)式、討論式教學(xué)。主講教師堅(jiān)持講清思路、引導(dǎo)啟發(fā)、精講多練和培養(yǎng)能力的原則，采用講課、討論、練習(xí)和實(shí)驗(yàn)等多個(gè)環(huán)節(jié)配合，在教學(xué)中體現(xiàn)教師的主導(dǎo)作用與學(xué)生的主體作用。教師運(yùn)用邏輯手段，啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生對問題的提出、解決方法和思路的深層次思考，加強(qiáng)師生互動(dòng)和學(xué)生主動(dòng)參與，以提高學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識分析問題、解決問題的能力。

(3)理論課與實(shí)踐課結(jié)合與滲透，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的綜合能力。針對本課程理論性強(qiáng)的特點(diǎn)，教學(xué)中始終堅(jiān)持理論與實(shí)踐統(tǒng)一，二者相互滲透。一方面，在學(xué)時(shí)安排上，理論課與實(shí)踐課銜接，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與教學(xué)內(nèi)容互相滲透。另一方面，采用分層次教學(xué)，即采用驗(yàn)證型、設(shè)計(jì)型及綜合型3層次教學(xué)，尤其是一些綜合開發(fā)實(shí)驗(yàn)，不僅延伸了教學(xué)內(nèi)容，而且對理論知識進(jìn)行綜合應(yīng)用[5]。鼓勵(lì)和引導(dǎo)大學(xué)生結(jié)合課程學(xué)習(xí)內(nèi)容，有針對性地進(jìn)行課外科技活動(dòng)、科技創(chuàng)新和各種科技競賽，加強(qiáng)學(xué)生科研能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。將學(xué)生在參加科技活動(dòng)中對知識的渴求轉(zhuǎn)化為內(nèi)在的學(xué)習(xí)動(dòng)力，激發(fā)學(xué)生課程學(xué)習(xí)的熱情。

3.2 多樣化教學(xué)手段的運(yùn)用

采用“網(wǎng)絡(luò)+現(xiàn)實(shí)、傳統(tǒng)+現(xiàn)代、講授+討論”相結(jié)合的多樣化教學(xué)手段。緊密結(jié)合科研中的實(shí)際問題，增強(qiáng)對理論知識的感性認(rèn)識。

(1)利用網(wǎng)絡(luò)條件開展課程教學(xué)活動(dòng)。根據(jù)本課程及其各部分內(nèi)容的特點(diǎn)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了“嵌入式系統(tǒng)技術(shù)及應(yīng)用”學(xué)習(xí)網(wǎng)站，網(wǎng)站提供在線學(xué)習(xí)、在線答疑、問題證解、動(dòng)畫演示、在線自測和例題詳解等功能。將教學(xué)資源上網(wǎng)，教師可以在任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)使用教學(xué)資源，學(xué)生可以在校園網(wǎng)上任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)學(xué)習(xí)。進(jìn)一步豐富了教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)了教學(xué)手段和方法[9-10]。

(2)采用多種形式的考試方法和成績評定方式。成績評定由理論考試、能力考查、課外科技活動(dòng)和平時(shí)表現(xiàn)多種方式綜合評定，引導(dǎo)學(xué)生在掌握基礎(chǔ)知識的同時(shí)，更加注重實(shí)踐應(yīng)用能力的培養(yǎng)和訓(xùn)練。

(3)將科研成果引入教學(xué)，展示學(xué)科前沿技術(shù)。學(xué)生對新技術(shù)、新方法總是懷有濃厚的興趣，教學(xué)團(tuán)隊(duì)教師結(jié)合自己的科研課題，將科研成果和科研體會融入教學(xué)，理論聯(lián)系實(shí)際，及時(shí)將嵌入式系統(tǒng)最前沿成果介紹給學(xué)生，激發(fā)學(xué)生對知識應(yīng)用的關(guān)注，引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

(4)健全教學(xué)評價(jià)機(jī)制。除了嚴(yán)格執(zhí)行學(xué)校有關(guān)教學(xué)評價(jià)制度外，課題組還定期進(jìn)行學(xué)生評價(jià)、同行評價(jià)和教師自評評價(jià)教學(xué)效果，定期組織學(xué)生對教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段及實(shí)驗(yàn)教學(xué)等情況進(jìn)行座談交流，采取互相聽課、觀摩教學(xué)對發(fā)現(xiàn)的問題及時(shí)進(jìn)行完善，設(shè)法提高理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。

3.3 教學(xué)風(fēng)格創(chuàng)新與探索

(1)以基礎(chǔ)軟件為核心，以嵌入式軟件工程思想為指導(dǎo)，通過實(shí)踐強(qiáng)化軟硬件綜合能力，建立以“嵌入式系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用”為核心的課程體系。在保證基礎(chǔ)理論知識扎實(shí)的基礎(chǔ)上，完善實(shí)踐教學(xué)體系，著力提高學(xué)生的實(shí)踐技能，從項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)3個(gè)層面加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)，不斷強(qiáng)化和反復(fù)訓(xùn)練，以達(dá)到學(xué)生掌握知識的要求。同時(shí)，增大實(shí)踐環(huán)節(jié)在課程考核中的比例，突出課程實(shí)踐性較強(qiáng)的特點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)上轉(zhuǎn)變觀念、更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，通過基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的多層次教學(xué)，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的實(shí)用性、綜合性和創(chuàng)造性。在原有實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過增加課外項(xiàng)目制作，鼓勵(lì)學(xué)生參加課外科技競賽，促進(jìn)理論和實(shí)踐緊密結(jié)合，嚴(yán)格考核過程。在課程設(shè)計(jì)上體現(xiàn)課程體系的基礎(chǔ)性、完整性和先進(jìn)性，強(qiáng)化工程綜合應(yīng)用意識，培養(yǎng)學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)的把握，以及創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)精神。

(2)采用多維度教學(xué)方法，改革傳統(tǒng)教學(xué)手段。采用“提問式”“啟發(fā)式”“對比式”“探究式”和“討論式”等多種教學(xué)方法，教學(xué)過程以“基礎(chǔ)→綜合→系統(tǒng)→創(chuàng)新”為主線，包含基于問題的學(xué)習(xí)、基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)、基于資源的學(xué)習(xí)、探究性學(xué)習(xí)和開放式學(xué)習(xí)等多種形式，靈活、恰當(dāng)?shù)乩枚喾N方法組織實(shí)施教學(xué)，遵循“實(shí)踐—理論—實(shí)踐”的教學(xué)模式，最大程度地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)積極性。

(3)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用創(chuàng)新集成方法研究。將課程目標(biāo)分解為基礎(chǔ)準(zhǔn)備階段、應(yīng)用開發(fā)階段、低層開發(fā)階段和項(xiàng)目實(shí)踐階段，學(xué)生在各階段中不斷加深各個(gè)知識的理解，逐步將分散的知識點(diǎn)系統(tǒng)化、將理論知識變?yōu)閷?shí)踐能力(圖2)。理論教學(xué)中，以“知其然，知其所以然”為目的，深入淺出地講解嵌入式系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)、軟件編程等內(nèi)容，并作好基礎(chǔ)理論、原理和實(shí)際應(yīng)用相呼應(yīng)，使得學(xué)生對該課程的學(xué)習(xí)能夠知微見著，觸類旁通，強(qiáng)化學(xué)生的理論功底。實(shí)踐教學(xué)中，通過多元化實(shí)踐教學(xué)模式，使學(xué)生更好地掌握本課程要求的實(shí)踐技能，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、思考能力、觀察能力、動(dòng)手能力和數(shù)據(jù)處理能力。學(xué)生首先掌握嵌入式操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識，如鍵盤、通訊和顯示等常用模塊的開發(fā)使用；進(jìn)而熟悉ARM處理器的體系結(jié)構(gòu)與開發(fā)環(huán)境，能夠完成諸如多任務(wù)間的互斥、同步與通信等復(fù)雜任務(wù)；最終能夠構(gòu)建基于Android/Linux等不同操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，完成面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)和硬件調(diào)試。

圖2 “嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用”的學(xué)習(xí)階段設(shè)計(jì)Fig.2 Learning design of“Embedded System Technology and Application”

4 自主創(chuàng)新能力培養(yǎng)與實(shí)踐

研究生自主創(chuàng)新能力培養(yǎng)是研究生教育的根本目標(biāo)之一，也是我國高等教育趕超國際一流大學(xué)人才培養(yǎng)能力和水平的一個(gè)重要方面。充分考慮不同學(xué)習(xí)階段研究生的知識結(jié)構(gòu)、創(chuàng)新基礎(chǔ)和群體環(huán)境等要素，本文提出了團(tuán)隊(duì)模式下漸進(jìn)深化的自主創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式，并開展了相關(guān)的探索和實(shí)踐[11]。如圖3所示，經(jīng)學(xué)生自由組合組建創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，每一個(gè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)由1名指導(dǎo)教師及4～6名學(xué)生組成。選擇并設(shè)置在研究生知識和能力范疇內(nèi)并且具有較大想象空間的教學(xué)課題，這些教學(xué)課題是指導(dǎo)教師從其從事的科研項(xiàng)目中挖掘創(chuàng)新思維的種子后根據(jù)學(xué)生的具體情況設(shè)計(jì)形成的，教學(xué)課題不僅需要用到學(xué)生正在學(xué)習(xí)的專業(yè)基礎(chǔ)課的知識，還離不開專業(yè)課及相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的知識。通過完成這些課題提高團(tuán)隊(duì)成員主動(dòng)獲取、加工知識的能力，培養(yǎng)成員的自主創(chuàng)新精神、激發(fā)其創(chuàng)造力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力，使學(xué)生具備動(dòng)手實(shí)踐能力。在完成課題的過程中，必然離不開團(tuán)隊(duì)成員的密切協(xié)作，因而可以培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神及團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新能力。

圖3 研究生自主創(chuàng)新能力培養(yǎng)方法Fig.3 Training method of independent innovation ability for postgraduate

5 結(jié)論

“嵌入式系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用”是機(jī)械工程專業(yè)重要的學(xué)位專業(yè)課，根據(jù)研究生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)和本課程內(nèi)容特點(diǎn)，本文優(yōu)化了課程的教學(xué)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行實(shí)踐，主要結(jié)論如下。

(1)突出特色，強(qiáng)調(diào)基本理論和實(shí)踐方法，變抽象為形象，變枯燥為興趣，極大調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。

(2)實(shí)踐支撐理論，科研助推教學(xué)，以科研實(shí)踐的素材將理論的內(nèi)涵表達(dá)清晰，使理論學(xué)習(xí)更加牢靠，使記憶更加深刻。

(3)改革教學(xué)環(huán)節(jié)，注重實(shí)踐教學(xué)，啟發(fā)式、探討式、參與試驗(yàn)式教學(xué)模式深受學(xué)生歡迎和肯定。