聶雄　陳華　黎相成

【摘 要】本文分析嵌入式技術(shù)課程傳統(tǒng)教學(xué)存在的問題，探索基于目標(biāo)驅(qū)動法、培養(yǎng)本科工程應(yīng)用型人才為主要目標(biāo)的嵌入式技術(shù)課程教學(xué)改革。

【關(guān)鍵詞】嵌入式技術(shù)課程 教學(xué)改革 目標(biāo)驅(qū)動法

【中圖分類號】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2016）11C-0070-03

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，各高校的電子信息工程、通信工程、電子科學(xué)技術(shù)等專業(yè)都開設(shè)了嵌入式技術(shù)課程，目的是為了使學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計技術(shù)，具備一定的實踐經(jīng)驗，為畢業(yè)后從事嵌入式技術(shù)相關(guān)工作打下基礎(chǔ)。嵌入式技術(shù)課程傳統(tǒng)的教學(xué)方法大多側(cè)重于基礎(chǔ)知識、基本原理學(xué)習(xí)，經(jīng)典的教材都是從基本原理到處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，再到指令系統(tǒng)，再到內(nèi)部接口及功能電路，按照這一模式進行學(xué)習(xí)，學(xué)生把大量的時間花在原理的學(xué)習(xí)上，實踐的內(nèi)容比較少，導(dǎo)致學(xué)完課程后可能連最簡單的程序都不會調(diào)試，無法學(xué)于致用。

近年來，我國越來越重視本科生實踐能力的培養(yǎng)，提出培養(yǎng)工程型本科人才目標(biāo)，嵌入式技術(shù)課程作為電子信息類專業(yè)一門實踐性較強的課程，若還采用傳統(tǒng)的理論教學(xué)為主的教學(xué)方式，培養(yǎng)出來的學(xué)生很難適應(yīng)社會的需求，因此課程的教學(xué)改革勢在必行。我們采用目標(biāo)驅(qū)動的教學(xué)方法，縮減理論教學(xué)學(xué)時，增加實踐教學(xué)學(xué)時，教學(xué)過程制定一些具有一定難度的小設(shè)計題目，作為目標(biāo)讓學(xué)生選擇，促使學(xué)生在完成小課題的過程中遇到問題、分析問題和解決問題，在實踐過程中學(xué)習(xí)和掌握嵌入式技術(shù)相關(guān)的知識。

一、嵌入式技術(shù)課程傳統(tǒng)教學(xué)存在的問題

嵌入式技術(shù)課程以往的教學(xué)中，理論課時36學(xué)時，實驗課時9學(xué)時，以老師在課堂授課為主、學(xué)生實驗為輔。理論課教師教授時，學(xué)生還沒有機會接觸實物，學(xué)生聽課往往無法把理論和實際應(yīng)用聯(lián)系起來，聽課積極性、學(xué)習(xí)的主動性都不高，隨后雖然安排有實驗，但9個學(xué)時的實驗內(nèi)容是統(tǒng)一安排在實驗室并限定時間內(nèi)完成的，通常以驗證性實驗為主，這種模式學(xué)生參照講義內(nèi)容，雖然能完成實驗，但沒有機會和時間對實驗內(nèi)容和軟件設(shè)計方法等進行更深入的研究和思考，學(xué)習(xí)效果不好，收效不大，與實際應(yīng)用脫節(jié)。

二、基于目標(biāo)驅(qū)動法的嵌入式技術(shù)課程教學(xué)改革實踐

所謂目標(biāo)驅(qū)動，就是在學(xué)生對課程內(nèi)容有一定了解的前提下，由老師擬定一些小設(shè)計題目供學(xué)生選擇，學(xué)生可2-3人為一組，根據(jù)自己的興趣選擇一個題目來完成。為實現(xiàn)這一教學(xué)改革目標(biāo)，我們從嵌入式芯片選型、教材選擇、實驗板選擇、小設(shè)計題目擬定、學(xué)生分組形式、時間安排、中期考核、期終考核驗收等多個環(huán)節(jié)進行了改革。

（一）嵌入式處理器的選型及教材的選擇。嵌入式處理器有ARM、PowerPC、MIPS、ColdFire和386EX等多種不同系列的產(chǎn)品，其中以ARM系列的占的市場份額最大，因此嵌入式技術(shù)的學(xué)習(xí)通常是以ARM為基礎(chǔ)的。而ARM系列又可分為ARM7、ARM9、ARM11、Cortex等眾多不同的子系列，作為初學(xué)者面對眾多的、不同的類型嵌入式處理器，一般只能選擇其中一個系列來進行學(xué)習(xí)和研究，在掌握某一系列的相關(guān)技術(shù)后，如果實際工作需要，再去研究或使用其他系列的嵌入式系統(tǒng)也是比較容易上手的。

傳統(tǒng)的嵌入式技術(shù)課程一般基于ARM7系列嵌入式處理來開展教學(xué)，典型的教材有周立功編寫的《ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程》，以LPC2100系列的微控制器為核心，介紹嵌入式系統(tǒng)的基本概念、ARM7的體系結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、LPC2100內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外圍接口等，雖然內(nèi)容翔實，但教材側(cè)重于基礎(chǔ)知識和基本功能模塊的學(xué)習(xí)，沒有太多應(yīng)用實例，與目前社會上主流的技術(shù)也有所脫節(jié)。也有部分高?；贏RM9系列嵌入式處理來開展教學(xué)，典型的教材有袁志勇編寫的《嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用技術(shù)》，以S3C2410嵌入式處理器為核心，介紹嵌入式系統(tǒng)硬件工作原理與接口應(yīng)用技術(shù)、嵌入式程序設(shè)計及嵌入式Linux基礎(chǔ)應(yīng)用，學(xué)習(xí)門檻比較高，涉及比較復(fù)雜硬件內(nèi)部結(jié)構(gòu)和Linux操作系統(tǒng)，作為電子信息工程專業(yè)而言，不太合適。

針對傳統(tǒng)教材及嵌入式處理器選擇存在的不足，結(jié)合電子信息工作專業(yè)特點，我們對嵌入式技術(shù)課程的教材進行了調(diào)整，選用目前流行的Cortex-M3系列ARM處理器進行介紹，教材則選擇張洋、劉軍等編寫的《原子教你玩STM32（庫函數(shù)版）》。其中Cortex-M3系列為微控制類嵌入式芯片，內(nèi)部集成了CPU、IO接口和眾多功能模塊，也可稱之為高性能的單片機，體積小、功耗低、成本低，且具有較高性能和可靠性的特點。我們所選的教材，其內(nèi)容分為硬件篇、軟件篇和實戰(zhàn)篇等共三大部分，特別是實戰(zhàn)篇部分，設(shè)置了近40個實例（實驗）內(nèi)容，由簡單到復(fù)雜，循序漸進，引導(dǎo)學(xué)生從實踐出發(fā)，慢慢掌握STM32為核心的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方法，同時配套光盤包含所有實例的完整源碼，方便學(xué)生自主學(xué)習(xí)時進行實驗驗證及研究。

（二）實驗板的選擇。嵌入式技術(shù)課程是一門實踐性很強的課程，與實際應(yīng)用結(jié)合較為緊密，單純的理論學(xué)習(xí)不利于學(xué)生對知識的理解和掌握，學(xué)生必須在實驗、課程設(shè)計等過程中學(xué)會分析問題、解決問題的方法，在編程實踐中掌握嵌入式技術(shù)的實際應(yīng)用技能，才能在畢業(yè)后較快地適應(yīng)嵌入式技術(shù)研究與開發(fā)工作。在課程時間安排上，學(xué)生動手實驗的課時可以占總課時的2/3，可見實踐環(huán)節(jié)的重要性。

實驗板是實驗或課程設(shè)計題目工作開展的硬件基礎(chǔ)，選擇一塊合適的實驗板，有助于學(xué)生理解和掌握嵌入式系統(tǒng)基本開發(fā)流程，并能在該硬件平臺上完成更多的應(yīng)用開發(fā)。

在進行教學(xué)改革之前，我們一直使用周立功公司ARM7系列的LPC2104實驗板，該實驗板ARM芯片的片內(nèi)資源較少，引出的IO接口也比較少，實驗板上擴展的外部電路也比較少，能設(shè)計的實驗內(nèi)容也相對較少。針對原有實驗板存在的種種不足，我們選擇了教材配套的“STM32戰(zhàn)艦開發(fā)實驗板”作為實驗平臺。該實驗板以STM32F103ZET處理器為核心，具有超過100個可編程的GPIO供用戶使用，板上還配置有外部Flash、外部RAM、TFT型LCD接口、觸摸屏接口、攝像頭接口、紅外接口、鍵盤、LED等待數(shù)量眾多的外部接口及電路，與教材內(nèi)容完全配套，可對教材中近40個例程進行下載和驗證，非常方便學(xué)生進行實驗或設(shè)計。

（三）設(shè)計題目的擬定。如何制定設(shè)計題目是目標(biāo)驅(qū)動法中很重要的一個環(huán)節(jié)，考慮到各個學(xué)生實際學(xué)習(xí)能力和水平會的差異，任課教師對所選的題目的難度要仔細(xì)斟酌、拿捏好尺度。如果擬定的題目難度過高，對于學(xué)習(xí)能力較差的學(xué)生而言，可能會不知道從何處下手，找不到思路，很難完成；如果擬定的題目難度過低，則對于學(xué)習(xí)能力較強的學(xué)生，可能不需要太多的努力，很輕松就完成了，學(xué)生的潛力沒有得到充分的發(fā)揮，不利于他們學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)和實踐水平提高，也不利于今后參加實際的項目研究與開發(fā)。為適應(yīng)不同層次學(xué)生學(xué)習(xí)的需要，我們擬定的設(shè)計選題分為三個難度級別，每個級別1-2個題目，且不同難度級別的設(shè)計題目最高得分不相同，比如一級難度最高得分低于75分，二級難度最高得分低于85分，三級難度最高得分可達(dá)到95分，如果實際完成得很好的，可以超過95分。另外，對于第三級難度的題目，參考全國大學(xué)電子設(shè)計競賽出題的形式，把題目要求分為基本部分和發(fā)揮部分，如果只選擇完成基本部分時，相當(dāng)二級難度，按二級難度來考核和評定成績，如果同時完成了基本部分和發(fā)揮部分，則按三級難度來考核和評定成績。這樣學(xué)生就可以根據(jù)自己個人的實際情況，選擇合適的難度級別的設(shè)計題目來完成，從而避免出現(xiàn)力不從心或者輕而易舉的極端現(xiàn)象，每個學(xué)生都能在這門課上掌握一定的嵌入式技術(shù)知識，學(xué)習(xí)能力和實踐水平獲得一定的提高。

（四）學(xué)生分組形式。在開始進行題目設(shè)計工作之前，一般要將選課學(xué)生按2-3人一組進行分組，以便開展后續(xù)的設(shè)計工作。學(xué)生分組形式也會影響學(xué)生對于課程的學(xué)習(xí)效果，好的分組方式，同組同學(xué)之間可以相互促進，形成良好的氛圍；不好的分組形式，可能不能很好地合作，不利于任務(wù)的完成。我們采用學(xué)生自由組合的方式來進行分組，所有選課同學(xué)以2-3人為一組進行組合，每組同學(xué)配發(fā)一塊ARM開發(fā)板，開發(fā)板由各組的組長負(fù)責(zé)簽領(lǐng)及保管。學(xué)生自由組合的分組形式的優(yōu)點是：通常每個學(xué)生都會選擇自己較為要好的、愛好興趣相投的，或者認(rèn)為學(xué)習(xí)能力比自己好一點的同學(xué)來進行組合，這樣可以確保小組成員之間能夠團結(jié)協(xié)作，相互促進，順利完成老師下達(dá)的課程設(shè)計任務(wù)。

（五）時間安排。選課的學(xué)生中，除了個別學(xué)生提前接觸或自學(xué)了ARM相關(guān)知識，大部分的學(xué)生都是剛開始接觸ARM，對課程內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法不甚了解，所以課程學(xué)習(xí)分為三個階段，分別是教師授課、實驗驗證、完成設(shè)計選題任務(wù)。第一階段為教師授課，教師利用課程教學(xué)計劃安排的理論課時，給學(xué)生講解嵌入式技術(shù)的基礎(chǔ)知識、ARM處理器的體系結(jié)構(gòu)、嵌入式系統(tǒng)基本開發(fā)方法，并以較為簡單的GPIO接口編程作為例子，介紹ARM的編程方法及開發(fā)工作軟件的使用方法。通過第一階段的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠?qū)η度胧郊夹g(shù)及實際設(shè)計有基本的認(rèn)識。第二階段為實驗驗證階段，我們所選擇的正點原子STM32教材的第三篇提供了數(shù)量眾多的例程，且教材配套的光盤具有全部例程的完整源碼，這些例程為學(xué)生實習(xí)和實踐提供了很好的學(xué)習(xí)和參考，學(xué)生通過研究教材中實踐部分內(nèi)容中的例程，就可以了解ARM軟件的框架結(jié)構(gòu)和初步的軟件設(shè)計方法。教材提供的實驗例程多達(dá)40個，我們不可能要求學(xué)生全部都理解和掌握，在第二階段，只要求學(xué)生選擇其中的2個例程來研究，理解和掌握這個2個例程，并進行實驗驗證。第三階段是完成小組選定題目的設(shè)計工作。

（六）中期考核。中期考核就是在學(xué)生完成了第一階段和第二階段的學(xué)習(xí)后，進行階段性考核，中期考核的成績占總評成績的30%。以下是我們實際教學(xué)過程中，有關(guān)中期考核的要求和安排。

1.考核內(nèi)容：每一組同學(xué)選擇教材實踐篇中的兩個實驗來進行驗證（光盤中已經(jīng)有參考例程），然后根據(jù)自己的理解，制作一個PPT，該PPT的內(nèi)容包括實驗名稱、實驗的內(nèi)容、實現(xiàn)原理、關(guān)鍵代碼、實驗結(jié)果等。

2.考核方法：現(xiàn)場操作，完成實驗驗證；利用PPT講解實驗原理及方法。

3.考核時間：開課后第5-6周。

通過中期考核，學(xué)生建立了教材上的理論知識與實際應(yīng)用的相互關(guān)系，基本掌握了基于STM32的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程和方法。

（七）期終考核驗收?？己谁h(huán)節(jié)必須嚴(yán)格把關(guān)，確保考核出學(xué)生實際的水平，才能倒逼學(xué)生平時用心去研究并完成所選題目的設(shè)計工作。中期考核和期終考核環(huán)節(jié)至關(guān)重要，是否能嚴(yán)格把關(guān)，直接關(guān)系到課程教學(xué)改革的成效。

學(xué)生根據(jù)第三階段選定的目標(biāo)，即設(shè)計題目，每個小組同學(xué)制訂自己的工作計劃，從分析設(shè)計題目開始，通過自覺、老師定時指導(dǎo)答疑等環(huán)節(jié)，學(xué)生掌握相關(guān)準(zhǔn)備知識，然后制訂設(shè)計方案。以正點原子的STM32實驗為基礎(chǔ)，外加適當(dāng)?shù)耐獠侩娐罚瑥挠布O(shè)計、軟件設(shè)計到基本功能模塊調(diào)試，系統(tǒng)聯(lián)調(diào)實現(xiàn)，最終綜合合作完成設(shè)計題目。并在課程結(jié)束周，安排時間，集中進行考核驗收。驗收時要求提交課程設(shè)計作品1份和課程設(shè)計報告1份；每個同學(xué)獨立演示（展示）設(shè)計作品，回答老師或同學(xué)的現(xiàn)場提問，教師根據(jù)完成情況進行評分，期終考核成績占總評成績的70%。

三、成效

2015年廣西大學(xué)計算機與電子信息學(xué)院與廣西廣播電視技術(shù)中心開展嵌入式技術(shù)課程共建，邀請企業(yè)導(dǎo)師參加課程教學(xué)過程。在教學(xué)過程中，安排3個學(xué)時時間讓企業(yè)工程技術(shù)人員給學(xué)生授課，介紹應(yīng)用嵌入式技術(shù)的實際應(yīng)用，以及廣電中心基于嵌入式技術(shù)的研發(fā)課題。并請企業(yè)導(dǎo)師參與設(shè)計題目的擬訂，結(jié)合企業(yè)需求，提供若干設(shè)計題目供學(xué)生選題。下一步計劃將企業(yè)課題的開展帶入畢業(yè)設(shè)計，拓展合作范圍。企業(yè)的參與，更為有效地避免了理論與實踐脫節(jié)，提高了學(xué)生的工程實踐意識和學(xué)習(xí)熱情與興趣。

采用目標(biāo)驅(qū)動教學(xué)方法后，每個小組擁有一塊實驗板，以完成設(shè)計題目為目標(biāo)，加上具有豐富的例程，學(xué)生不需要等到實驗課才有機會接觸實物，而是隨時都可以利用實驗板進行設(shè)計題目的研究工作，學(xué)生參與的積極性高。同時，通過優(yōu)秀同學(xué)的帶動，絕大部分同學(xué)都能掌握嵌入式系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用的相關(guān)知識和基本技能，初步掌握基于STM32的嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件開發(fā)方法，在參加全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽、廣西大學(xué)生電子設(shè)計大賽過程中，很多學(xué)生都能自覺地使用STM32來實現(xiàn)自己的賽題設(shè)計任務(wù)。

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【教改項目】廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項目（2015JGA126）；廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項目（2015JGB123）

【作者簡介】聶 雄，廣西大學(xué)計算機與電子信息學(xué)院副教授，研究生學(xué)歷，研究方向：嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用技術(shù)。

（責(zé)編 盧 雯）