新工科下嵌入式系統(tǒng)實驗課程的教學改革研究

劉人萍 龍林波

【摘要】嵌入式系統(tǒng)是銜接上層復雜應(yīng)用與底層海量終端的堅實橋梁，同時，嵌入式系統(tǒng)實驗是構(gòu)筑堅實橋梁的基石。然而，當前的嵌入式系統(tǒng)實驗課程在教學內(nèi)容、教學形式、教學考核方式上缺乏與時俱進的特性。因此，本文面向新工科建設(shè)，提出新嵌入式系統(tǒng)實驗課程的教學改革方案，旨在助力嵌入式領(lǐng)域創(chuàng)新型、實踐型人才的培養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】嵌入式系統(tǒng)實驗? 教學內(nèi)容? 教學形式? 教學考核

【基金項目】本文系“教育部協(xié)同育人項目”（“新工科”背景下計算機專業(yè)嵌入式人才的培養(yǎng)模式研究與實踐，201902020010）與“重慶郵電大學教育教學改革項目”（面向計算機專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計課程研究與實踐，XJG19223）的研究成果。

【中圖分類號】G64 ? 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）27-0094-02

一、背景

為積極響應(yīng)教育部推出的新工科建設(shè)，落實《高等學校人工智能創(chuàng)新行動計劃》等文件精神，高等學校有責任、有義務(wù)培養(yǎng)未來科技創(chuàng)新型領(lǐng)軍人才，搶占未來科技發(fā)展先機。針對新工科專業(yè)涵蓋的大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、虛擬現(xiàn)實、智能科學等新興技術(shù)，嵌入式系統(tǒng)是銜接上層復雜應(yīng)用與底層海量終端的堅實橋梁，也是理論落地于實踐的重要支撐。因此，嵌入式系統(tǒng)課程是新工科專業(yè)的基石。目前，在眾多高等學校中，嵌入式系統(tǒng)課程正逐步發(fā)展為本科教育的必修課程。

同時，根據(jù)教育部發(fā)布的《關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》《關(guān)于推薦新工科研究與實踐項目的通知》等文件，“實踐”是諸多文件提及的關(guān)鍵詞匯。嵌入式系統(tǒng)實驗課程是深入理解嵌入式系統(tǒng)概念、培養(yǎng)學生“實踐”能力的主要途徑。但是，傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)實驗課程在教學內(nèi)容、教學形式、教學考核方式上缺乏與時俱進的特性。因此，如何面對新興技術(shù)，面向新工科建設(shè)開展新嵌入式系統(tǒng)實驗課程的設(shè)計，是一項亟待解決的關(guān)鍵問題。

二、傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)實驗課程的現(xiàn)狀分析

隨著大數(shù)據(jù)時代的來臨，嵌入式智能設(shè)備的數(shù)量呈爆發(fā)式增長，被廣泛地應(yīng)用在軍事、醫(yī)療、智能辦公、生產(chǎn)制造等方面。因此，嵌入式系統(tǒng)實驗課程的重要性尤為凸顯。但是，傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)實驗課程存在教學內(nèi)容陳舊、教學形式機械、教學考核死板的問題，無法高效地處理大數(shù)據(jù)時代產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，導致了課程教育難以適應(yīng)新興技術(shù)的發(fā)展、難以實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新、難以推動學生自主學習。

（一）在教學內(nèi)容上，內(nèi)容陳舊，難以適應(yīng)技術(shù)發(fā)展

傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)實驗課程通常以8051單片機，或者以基于ARM Cortex-M系列處理器的STM32為主要平臺，開展單一的裸機設(shè)備教學。當然，大多高等學校采用ARM Cortex-A系列或相同等級的處理器，融入常用的嵌入式操作系統(tǒng)（如ucLinux、RT-Linux、Android、IOS、Vxworks、Windows CE等），從處理器的啟動（BootLoader）出發(fā)，面向字符設(shè)備驅(qū)動、塊設(shè)備驅(qū)動和網(wǎng)絡(luò)編程等方面開展教學。但是，傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)實驗課程存在內(nèi)容陳舊的問題。隨著應(yīng)用場景和嵌入式設(shè)備性能的急速發(fā)展，新興的應(yīng)用程序需要在高性能的嵌入式設(shè)備中落地。尤其是對于人工智能（AI）、虛擬現(xiàn)實等高趣味、高實用型應(yīng)用，傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)實驗課程尚未將這些應(yīng)用融入到教學中，導致教學內(nèi)容難以適應(yīng)技術(shù)發(fā)展。

（二）在教學形式上，機械教育，難以實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新

對于傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)實驗課程，教學形式通常分為理論授課、實驗指導、學生實驗三個階段。在理論授課階段，教師大多數(shù)采用多媒體與板書相結(jié)合的授課形式，向?qū)W生講述實驗內(nèi)容。這種單一的授課形式容易造成學習氛圍沉悶，難以調(diào)動學生對實驗內(nèi)容的積極性和主動性[1]。在實驗指導和學生實驗階段，教師通常按照實驗手冊，一步一步地進行實驗操作展示。同時，學生機械式地模仿教師操作步驟，直至實驗完成。這導致了學生只專注于繁冗復雜的實驗流程，忽略了嵌入式系統(tǒng)課程中的重難點，難以發(fā)散性地思考嵌入式系統(tǒng)在日常生活中的應(yīng)用。此外，傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)課程實驗采用的實驗設(shè)備為“集成實驗箱”或者“集成開發(fā)板”，并且往往是多人共享一套實驗設(shè)備。這樣一來，學生只能在時間受限的課堂中匆忙實驗。對于學有余力的學生，實驗設(shè)備的不靈活性導致了學生無法利用空余時間進行深入探索，難以實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新。

（三）在教學考核上，考試為主，難以推動自主學習

嵌入式系統(tǒng)是一門實踐性較強的課程。設(shè)置實驗課程的初衷是通過具體的工程應(yīng)用突出課程重難點、強化理解嵌入式系統(tǒng)的工作原理，以達到靈活運用系統(tǒng)知識解決實際問題的目標。然而，傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)實驗課程通常以筆試，結(jié)合實驗報告作為考核形式。面對以筆試為主的考核方式，學生往往在考試前夕集中突襲理論內(nèi)容和實驗步驟，以應(yīng)付繁瑣、死板的考試內(nèi)容。這違背了實驗課程設(shè)置的初衷。因此，對于嵌入式系統(tǒng)實驗課程，書面考核不足以反映學生對課程掌握的熟練程度。這種以結(jié)果為導向的教學考核方式限制了學生的學習方式，難以推動自主學習。

三、新嵌入式系統(tǒng)實驗課程的教學改革

嵌入式系統(tǒng)實驗課程是計算機專業(yè)與各個行業(yè)實際應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物。在嵌入式系統(tǒng)實驗課程的授課和學習過程中，與時俱進的教學改革是適應(yīng)新興技術(shù)急速發(fā)展的重要途徑。同時，嵌入式系統(tǒng)實驗課程是一門軟硬件協(xié)同的實踐課程，對教師的教學過程和學生的知識積累提出了更高的挑戰(zhàn)。因此，本文針對傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)實驗課程存在的問題，提出了新工科下嵌入式系統(tǒng)課程實驗的教學改革方案，指出新嵌入式系統(tǒng)實驗課程在教學內(nèi)容、教學形式、教學考核上應(yīng)當考慮推陳出新、因材施教、強調(diào)過程。

（一）在教學內(nèi)容上，推陳出新，適應(yīng)技術(shù)發(fā)展

面向新興的人工智能、虛擬現(xiàn)實等高趣味、高實用型應(yīng)用，新嵌入式系統(tǒng)實驗課程應(yīng)當考慮融入這些應(yīng)用的教學，編撰可行的實驗內(nèi)容。根據(jù)學生對軟/硬件編程的興趣差異，為學生提供差異化的實驗平臺。針對偏向軟件開發(fā)的學生，考慮加入NVIDIA TX2平臺，結(jié)合CUDA并行計算架構(gòu)，讓學生了解嵌入式CPU+GPU異構(gòu)計算架構(gòu)，重點教學CUDA基本的編程模型，包括分配CPU端的內(nèi)存并進行初始化、分配GPU端的內(nèi)存并進行數(shù)據(jù)拷貝、調(diào)用CUDA核函數(shù)啟動并行計算、拷貝GPU端數(shù)據(jù)、釋放CPU和GPU內(nèi)存，最終讓學生完成實用的智能算法;針對偏向硬件開發(fā)的學生，挑選Xilinx或Intel的FPGA平臺，重點教學Verilog硬件編程語言或高層次綜合語言HLS，培養(yǎng)學生的硬件設(shè)計思路，引導學生入門硬件加速領(lǐng)域，挑戰(zhàn)智能算法加速，實現(xiàn)高性能、低功耗的嵌入式AI。此外，面對萬物互聯(lián)的應(yīng)用場景，HarmonyOS是一種跨平臺的分布式操作系統(tǒng)，為新嵌入式系統(tǒng)實驗課程的教學內(nèi)容改革提供了新思路。

（二）在教學形式上，因材施教，實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新

針對傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)實驗課程在教學形式上容易造成學習氛圍沉悶，難以調(diào)動學生積極性和主動性的問題，新嵌入式系統(tǒng)實驗課程需要引入多元化的授課形式，結(jié)合學術(shù)界和工業(yè)界的前沿性應(yīng)用，全方位拓展學生視野。在實驗授課階段，可由教師邀請國內(nèi)外著名專家學者報告最新的研究成果。為了突出嵌入式系統(tǒng)的實用性，可聯(lián)系百度、阿里、騰訊、網(wǎng)易以及華為等企業(yè)的工程師分享嵌入式系統(tǒng)的具體應(yīng)用[2]，強化學生對嵌入式系統(tǒng)的認識。此外，在實驗指導過程中，簡化實驗流程，聚焦嵌入式系統(tǒng)課程中的重難點，引導學生對關(guān)鍵技術(shù)進行復現(xiàn)與思考。針對實驗設(shè)備的不靈活性導致學生課后無法實驗的窘境，可充分利用硬件模擬器如QEMU等，為學有余力的學生搭建虛擬的硬件平臺，讓學生利用課余時間進行深入探索，實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新。

（三）在教學考核上，強調(diào)過程，實現(xiàn)自主學習

為了加強學生在嵌入式系統(tǒng)實驗課程中主動式、迭代式的學習效果，針對傳統(tǒng)以筆試為主的考核方式，新嵌入式系統(tǒng)實驗課程更加強調(diào)學習過程，并非以考試結(jié)果為唯一衡量標準。因此，在教學考核方面，新工科下新嵌入式系統(tǒng)課程實驗的改革尤為重要。為此，本文針對以結(jié)果為導向的教學考核方式，提出一種考核思路。首先，開放式的選題能夠有效地激發(fā)學生對課程的濃厚興趣，提升學生的主觀能動性。其次，在課題完成階段，通過學情分析，合理地設(shè)置學習小組，形成互幫互助的學習氛圍。最后，在課題考核階段，采用多樣化的考核方式，落實每位學生在完成課題時充當?shù)慕巧?，注重考查學生對嵌入式系統(tǒng)的理解程度及運用能力。

四、結(jié)語

隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、虛擬現(xiàn)實等新興應(yīng)用的不斷涌現(xiàn)，嵌入式系統(tǒng)是將這些應(yīng)用理論落地于實踐的重要支撐。但是，傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)實驗課程難以迎合新興應(yīng)用的快速發(fā)展，導致了人才培養(yǎng)與現(xiàn)實需求嚴重脫節(jié)。為此，本文首先分析了傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)實驗課程的現(xiàn)狀。然后，面向新工科建設(shè)，以教學內(nèi)容、教學形式、教學考核三方面為切入點，提出了一種新嵌入式系統(tǒng)實驗課程設(shè)計方案，為嵌入式領(lǐng)域創(chuàng)新型、實踐型人才培養(yǎng)提供有益的探索路徑。

參考文獻：

[1]吳晨睿.新工科背景下“嵌入式系統(tǒng)”課程教學改革研究[J].南方農(nóng)機，2021，52（14）：173-174.

[2]龍林波，劉俊，李菁晶.高校嵌入式人才培養(yǎng)模式研究[J].課程教育研究，2019（13）：11.