仿真技術(shù)輔助于嵌入式系統(tǒng)在線教學(xué)的探討

陳彥明，周芃

（安徽大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 246110）

1 研究背景

在疫情防控背景下，教育部呼吁大中小學(xué)開展“停課不停學(xué)”網(wǎng)絡(luò)在線教學(xué)[1]，使得在線教學(xué)空前發(fā)展。僅2020年，參與在線的教學(xué)的教師達(dá)到數(shù)百萬，總計(jì)參與學(xué)生已超過億萬人次[2]。如此眾多的師生參與海量課程除了需要傳統(tǒng)的教與學(xué)之外，還需要有強(qiáng)大的課程平臺(tái)和技術(shù)平臺(tái)作為支撐?，F(xiàn)有主流在線課程平臺(tái)包括騰訊課堂、中國大學(xué)MOOC、學(xué)堂在線、釘釘EduCoder在線實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)等平臺(tái)[2]。在如此眾多的教學(xué)平臺(tái)中，僅少數(shù)平臺(tái)提供在線實(shí)踐教學(xué)，如EduCoder在線實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)[3]。而這類平臺(tái)往往僅側(cè)重于程序設(shè)計(jì)、人工智能等偏軟件開發(fā)類的課程。如Educoder平臺(tái)將整個(gè)課程體系分為程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫、Web開發(fā)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)、人工智能、運(yùn)維與測試以及其他課程，其課程方案中并沒有展現(xiàn)出硬件實(shí)踐相關(guān)課程，特別是對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力培養(yǎng)有較高要求的嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程。

嵌入式系統(tǒng)不易于在線教學(xué)是由其課程性質(zhì)決定的。嵌入式系統(tǒng)是以實(shí)際應(yīng)用為中心，能夠根據(jù)用戶需求靈活搭建、裁剪軟硬件模塊的專用微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[4]。在新工科背景下，學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)是諸多能力培養(yǎng)中的重中之重。為了提高嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)效果，需要在講授理論知識(shí)的同時(shí)注重學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力培養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生積極參與到課程實(shí)踐中。嵌入式系統(tǒng)是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程，若僅僅提供理論課程線上直播，或者僅提供部分實(shí)踐操作環(huán)節(jié)錄屏，而沒有可行的實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行實(shí)際操作，可能導(dǎo)致學(xué)生知識(shí)點(diǎn)掌握不牢。因此，如何在在線教學(xué)背景下更好地開展嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)，提高嵌入式系統(tǒng)在線教學(xué)的質(zhì)量，不僅對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程有幫助，也對(duì)其他類似實(shí)踐性課程的教學(xué)起到拋磚引玉的作用。

主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于：（1）提出以提高學(xué)生工程動(dòng)手能力為目標(biāo)，具體從課程內(nèi)容的改革、教學(xué)模式創(chuàng)新等方面，探討如何將仿真技術(shù)應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的在線教學(xué)；（2）提出以“項(xiàng)目引入、任務(wù)驅(qū)動(dòng)”方式進(jìn)行課程教學(xué)，以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，彌補(bǔ)當(dāng)前在線教學(xué)資源的不足。

2 面向在線教學(xué)的嵌入式教學(xué)體系的構(gòu)建

2.1 課程在線教學(xué)存在的問題

嵌入式系統(tǒng)是一門多學(xué)科交叉和滲透的課程[5]。以往由于課程涉及實(shí)踐內(nèi)容較多，一般采用線下方式或線上線下融合方式進(jìn)行教學(xué)。但由于疫情防控的要求，以往線下實(shí)踐部分的課程也必須遷移到線上進(jìn)行。在課程遷移過程中不可避免地出現(xiàn)一些問題、困難，亟需有針對(duì)性地對(duì)課程的教學(xué)內(nèi)容（包括硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)）的選擇、實(shí)踐教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)組織等問題予以調(diào)整和優(yōu)化，以確保嵌入式系統(tǒng)的在線教學(xué)取得實(shí)效。

(1)課程教學(xué)內(nèi)容的存在的問題

嵌入式系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容比較繁雜，很多高校課程內(nèi)容安排一般都是選擇一款A(yù)RM作為開發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，內(nèi)容涉及ARM的體系結(jié)構(gòu)、指令集介紹、接口和電路結(jié)構(gòu)、對(duì)應(yīng)ARM上的啟動(dòng)代碼、文件系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序等。針對(duì)這些現(xiàn)有課程體系，發(fā)現(xiàn)存在下述問題：第一，ARM體系結(jié)構(gòu)，操作系統(tǒng)等教學(xué)內(nèi)容，知識(shí)點(diǎn)比較抽象、理論偏多，各種概念和模型較難理解，學(xué)生動(dòng)手去實(shí)踐相對(duì)較少，學(xué)生學(xué)習(xí)起來非常抽象和枯燥，缺乏直觀性。第二，大多數(shù)涉及嵌入式系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)開發(fā)以及APP程序開發(fā)的課程，一般要求學(xué)生具有較好的編程背景，不能兼顧不同層次的學(xué)生。完全采用線上教學(xué)會(huì)加劇上述問題。因此，嵌入式系統(tǒng)教學(xué)需結(jié)合在線教學(xué)的特點(diǎn)來選擇合適的教學(xué)內(nèi)容。如何選擇合適的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容，是首先要考慮的問題。

(2)在線教學(xué)中學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高

在線下課堂，教與學(xué)的有效互動(dòng)是教學(xué)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。老師在闡述精心準(zhǔn)備的課程同時(shí)旁征博引，用靈活多變的方式活躍課堂氣氛，如互動(dòng)與提問環(huán)節(jié)、課后現(xiàn)場答疑環(huán)節(jié)等。這些措施不僅能為學(xué)生答疑解惑，也能及時(shí)調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高課程教學(xué)效果。

但在線上教學(xué)過程中，教師利用各種教學(xué)平臺(tái)按照課表規(guī)定的時(shí)間來開展線上教學(xué)，而學(xué)生在家學(xué)習(xí)存在各種干擾。在此過程中，學(xué)生的積極性不高，不僅缺乏交流，而且做筆記思考的力度也不夠[6]。即使部分平臺(tái)提供在線討論、提問等功能，但由于網(wǎng)絡(luò)延遲等原因，學(xué)生的參與度并不高。

2.2 針對(duì)在線教學(xué)的課程目標(biāo)和教學(xué)改革

針對(duì)上述問題，以安徽大學(xué)本科課程“嵌入式系統(tǒng)理論與實(shí)踐”為例開展在線教學(xué)改革。具體從課程內(nèi)容的改革、教學(xué)模式創(chuàng)新等方面進(jìn)行探討。

(1)課程教學(xué)內(nèi)容的改革

針對(duì)在線教學(xué)時(shí)嵌入式課程教學(xué)內(nèi)容存在的問題，本文探討該如何選擇合適的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)。

以往的嵌入式系統(tǒng)課程內(nèi)容主要以ARM加嵌入式操作系統(tǒng)（Linux、Android等）為主，這類課程的教學(xué)一般需要結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行（如S3C2410、sp5v210等實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)）。但由于疫情的影響，學(xué)生很難在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。若仍采用此類教學(xué)內(nèi)容，勢必會(huì)造成重理論、輕實(shí)踐的后果，這有悖于嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)目標(biāo)。鑒于此，2020年第2學(xué)期的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)選用了利用Proteus仿真軟件仿真STM32F103（ARM）平臺(tái)的混合在線教學(xué)方式進(jìn)行。Proteus是由Lab Center Electronics公司推出的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）軟件[7]，其除具有其它EDA軟件的電路圖及PCB板繪制功能外，還具有仿真單片機(jī)及其外圍器件功能，特別地可以仿真本課程中用到的STM32F103處理器。

本課程教學(xué)采用“項(xiàng)目引入、任務(wù)驅(qū)動(dòng)”的方式進(jìn)行。與以往的嵌入式系統(tǒng)課程不同，本課程內(nèi)容通過6個(gè)項(xiàng)目展開，每個(gè)項(xiàng)目又包含一些任務(wù)，每個(gè)任務(wù)將相關(guān)知識(shí)和實(shí)踐技能融合在一起，將知識(shí)、技能的學(xué)習(xí)結(jié)合任務(wù)完成過程來進(jìn)行。項(xiàng)目題目選取切合實(shí)際，學(xué)生對(duì)這些項(xiàng)目都比較感興趣，以興趣驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)，最大限度的發(fā)揮學(xué)生的自學(xué)能力，彌補(bǔ)了在線教學(xué)時(shí)學(xué)生參與度不高的問題。啟發(fā)式教學(xué)更能使得學(xué)生掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。現(xiàn)以“智能交通燈設(shè)計(jì)”這一教學(xué)案例來簡述課程內(nèi)容改革如何實(shí)現(xiàn)，其內(nèi)容分解與教學(xué)內(nèi)容安排如表1所示。智能交通燈設(shè)計(jì)項(xiàng)目分成4個(gè)任務(wù)，包括點(diǎn)亮一個(gè)LED燈、按鍵檢測、定時(shí)器使用與電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，分別講述不同的知識(shí)點(diǎn)。在線授課與學(xué)生實(shí)踐操作同步，使得學(xué)生能更好的理解相關(guān)知識(shí)，做到融會(huì)貫通。

表1 案例內(nèi)容分解與教學(xué)內(nèi)容安排Tab.1 A case of content decomposition and teaching arrangement

(2)教學(xué)模式的創(chuàng)新

傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中教師扮演著課程的主體角色，學(xué)生處于被動(dòng)受教的地位，導(dǎo)致學(xué)生無法形成基本的實(shí)踐意識(shí)，動(dòng)手能力和思維能力較差。針對(duì)以上問題，以在線教學(xué)為契機(jī)，課程組在課程教學(xué)內(nèi)容改革的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將Proteus仿真軟件引入到教學(xué)中，建立學(xué)習(xí)交互網(wǎng)站（如圖1），制作電子教案，使教與學(xué)的環(huán)境發(fā)生根本變化。積極利用在線資源（如愛課程、學(xué)堂在線）等現(xiàn)代教學(xué)資源，增加課堂與課外的信息量，大大提高教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量，取得較好的效果。

圖1 在線教學(xué)智能系統(tǒng)Fig.1 Online intelligent system for teaching

課程教學(xué)上采用了“項(xiàng)目引入、任務(wù)驅(qū)動(dòng)”的方式進(jìn)行，以一個(gè)項(xiàng)目為中心分別設(shè)置多個(gè)任務(wù)，通過項(xiàng)目教學(xué)法、案例教學(xué)法和探究式教學(xué)法等提高學(xué)生興趣和主動(dòng)參與性。此外對(duì)學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)的評(píng)價(jià)也采用創(chuàng)新的評(píng)價(jià)方式，如結(jié)合學(xué)生在線互動(dòng)、學(xué)生自評(píng)和教師點(diǎn)評(píng)以及項(xiàng)目結(jié)果展示等形式。教學(xué)過程中，可以采取包括學(xué)生課前自主學(xué)習(xí)考核、課堂學(xué)習(xí)考核、課堂實(shí)踐操作以及課后考核等方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核，了解學(xué)生實(shí)踐中存在的問題，具體方案框架見圖2。

圖2 在線教學(xué)考核評(píng)價(jià)方式Fig.2 Online teaching evaluation methods

3 結(jié)束語

在線教學(xué)的實(shí)施對(duì)現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和教學(xué)評(píng)價(jià)體系等提出了更高的要求。在疫情背景下開展嵌入式系統(tǒng)的在線教學(xué)，以提高學(xué)生工程動(dòng)手能力為目標(biāo)，探討嵌入式系統(tǒng)在線教學(xué)模式的改革。文章首先對(duì)當(dāng)前在線教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行分析總結(jié)，指出這些平臺(tái)對(duì)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)存在的不足，然后探討了構(gòu)建面向在線教學(xué)的嵌入式教學(xué)體系的三個(gè)方面。實(shí)施結(jié)果表明，課程教學(xué)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣、提供了學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，彌補(bǔ)當(dāng)前在線教學(xué)的不足，為其他相關(guān)課程的在線教學(xué)提供了有價(jià)值的參考。