陳 晨，邱春玲，李肅義，楊 光，劉鴻石，王慶吉

（吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130026）

“學(xué)生主體—教師主導(dǎo)”的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)

陳 晨，邱春玲，李肅義，楊 光，劉鴻石，王慶吉

（吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130026）

在分析國(guó)內(nèi)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革必要性的基礎(chǔ)上，筆者提出將研究性教學(xué)方法引入嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程教學(xué)，構(gòu)建基于“學(xué)生主體—教師主導(dǎo)”教學(xué)模式，教師負(fù)責(zé)引導(dǎo)學(xué)生在以項(xiàng)目為核心的環(huán)境下學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立面對(duì)、獨(dú)立分析和獨(dú)立解決問(wèn)題的能力，提升學(xué)生終身創(chuàng)新能力和學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性。

嵌入式系統(tǒng)；學(xué)生主體—教師主導(dǎo)；創(chuàng)新能力；學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性

嵌人式技術(shù)是高速計(jì)算機(jī)技術(shù)與大容量半導(dǎo)體技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，具有時(shí)代的先進(jìn)性。所以嵌人式系統(tǒng)課程已成為高等院校的一門新興課程，具有軟件與硬件相結(jié)合的特性，是繼數(shù)字邏輯電路和微機(jī)原理后的一門工程應(yīng)用性課程，對(duì)硬件工程師的培養(yǎng)起到了關(guān)鍵的作用。但是，當(dāng)前嵌人式系統(tǒng)課程中，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性,幾乎在一種被動(dòng)的狀態(tài)下學(xué)習(xí)知識(shí)，教學(xué)效果差，因此有必要對(duì)其進(jìn)行教學(xué)改革。

筆者在分析國(guó)內(nèi)嵌人式系統(tǒng)教學(xué)改革必要性的基礎(chǔ)上，擬從課程設(shè)置、課堂教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)以及教學(xué)評(píng)價(jià)四個(gè)環(huán)節(jié)著手，采用以具體工程項(xiàng)目案例為主線的“實(shí)例驅(qū)動(dòng)法”，結(jié)合“交互式”教學(xué)方法，建立以課程實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)實(shí)踐以及課外實(shí)驗(yàn)為核心的系列性實(shí)踐探索體系，能夠使學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)踐過(guò)程中,培養(yǎng)獨(dú)立面對(duì)、獨(dú)立分析和獨(dú)立解決問(wèn)題的能力，最終提升學(xué)生終身創(chuàng)新能力和學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性。

1 嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革的必要性

當(dāng)前，嵌人式系統(tǒng)教學(xué)存在明顯的不足，改革勢(shì)在必行。嵌人式系統(tǒng)教學(xué)改革的必要性主要體現(xiàn)在以下方面。

1.1 課程設(shè)置陳舊

嵌人式系統(tǒng)與以往的基礎(chǔ)課程和理論課程不同，需要對(duì)實(shí)物或應(yīng)用有感性認(rèn)識(shí)。然而，傳統(tǒng)的嵌人式系統(tǒng)課程設(shè)置理論性知識(shí)太多，理論知識(shí)大多僅僅停留在紙面上，難以與實(shí)際工程應(yīng)用聯(lián)系起來(lái)。這種陳舊的課程設(shè)置必然導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容枯燥，造成教學(xué)效果不佳，消磨學(xué)生的興趣。

1.2 教學(xué)方法單一

在授課前學(xué)生預(yù)習(xí)準(zhǔn)備不足，學(xué)生過(guò)分依賴?yán)蠋?，教師需要花費(fèi)大量的時(shí)間講述基礎(chǔ)知識(shí)，學(xué)生也僅僅學(xué)到教師在課堂上講授的知識(shí)內(nèi)容，沒(méi)有自由發(fā)揮空間，教學(xué)效果不好。其次，教學(xué)手段單一，教學(xué)大多還停留在黑板粉筆，即使采用多媒體式教學(xué)，教學(xué)效果也難以盡如人意。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是由于學(xué)生完全處于被動(dòng)式學(xué)習(xí)，沒(méi)有主動(dòng)學(xué)習(xí)意識(shí)。加上學(xué)生在思想上沒(méi)有意識(shí)到嵌人式系統(tǒng)對(duì)計(jì)算機(jī)硬件能力提升的重要性，認(rèn)為課程脫離實(shí)際，與以后的工作發(fā)展沒(méi)有作用。因此，學(xué)生學(xué)習(xí)的能動(dòng)性和實(shí)踐的積極性不高，很難提起興趣去學(xué)習(xí)。

1.3 實(shí)踐教學(xué)薄弱

由于嵌人式系統(tǒng)的工程實(shí)踐性，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)成為必不可少的環(huán)節(jié)，不能將理論知識(shí)僅僅停留在紙面上，應(yīng)該讓學(xué)生在學(xué)習(xí)知識(shí)的同時(shí)具有更加直觀的認(rèn)識(shí)。雖然學(xué)院為嵌人式系統(tǒng)課程配置了嵌人式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，但是實(shí)踐時(shí)間安排與課程教學(xué)不同步，導(dǎo)致學(xué)生在理論知識(shí)學(xué)習(xí)數(shù)周后才能進(jìn)行實(shí)踐。這種時(shí)間的錯(cuò)位，導(dǎo)致在學(xué)生實(shí)踐的時(shí)候，理論知識(shí)幾乎忘卻，幾乎無(wú)從下手。雖然在實(shí)踐過(guò)程中，教師會(huì)進(jìn)行再次講解，但是學(xué)生也僅僅按照實(shí)踐任務(wù)指導(dǎo)書完成任務(wù)，實(shí)踐效果不佳。其次，傳統(tǒng)的驗(yàn)證性教學(xué)實(shí)踐實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一，不利于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，大多數(shù)學(xué)生難以真正掌握嵌人式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試技術(shù)。

1.4 考核方式片面

由于傳統(tǒng)的教學(xué)考核方式以試卷試題為主，知識(shí)點(diǎn)僅僅停留在紙面上，難以考核學(xué)生的實(shí)踐能力和動(dòng)手能力。這種考核評(píng)價(jià)方式不夠全面，沒(méi)有注重學(xué)生學(xué)習(xí)的過(guò)程、方法、思維，缺乏對(duì)過(guò)程與方法的考核，不利于學(xué)生探究能力的發(fā)展。

圖1 教學(xué)改革實(shí)施方案框圖

2 嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革的建議

針對(duì)嵌人式系統(tǒng)教學(xué)中存在的問(wèn)題，擬采取嵌人式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革，從課程設(shè)置、課堂教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)以及教學(xué)評(píng)價(jià)4個(gè)環(huán)節(jié)著手，實(shí)施方案如圖1所示。

提出基于“學(xué)生主體—教師主導(dǎo)”教學(xué)模式，將課程理論知識(shí)點(diǎn)與實(shí)踐項(xiàng)目?jī)?nèi)容相結(jié)合，使理論知識(shí)點(diǎn)在實(shí)踐中得到應(yīng)用。同時(shí)，在學(xué)生以研究性項(xiàng)目為核心的實(shí)踐教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立面對(duì)、獨(dú)立分析和獨(dú)立解決問(wèn)題的能力，提升學(xué)生終身創(chuàng)新能力和學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性。

2.1 課程設(shè)置

以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和終身學(xué)習(xí)能力為目標(biāo)，為與市場(chǎng)上日益多元化的嵌人式CPU接軌，采用以具體工程項(xiàng)目案例為主線的“實(shí)例驅(qū)動(dòng)法”，將教學(xué)知識(shí)點(diǎn)與項(xiàng)目融合，讓學(xué)生在“學(xué)中做”。為了教學(xué)內(nèi)容與技能的有機(jī)整合，強(qiáng)化學(xué)生能力的培養(yǎng)，提出以項(xiàng)目案例為主線的嵌人式系統(tǒng)課程配置方案，該項(xiàng)目案例將智能巡航機(jī)器人作為工程對(duì)象，即以典型工作任務(wù)為依據(jù)，有序組織教學(xué)內(nèi)容，形成以功能分類為模塊化的課程結(jié)構(gòu)。

具體模塊劃分為：嵌人式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境與機(jī)器人智能;嵌人式系統(tǒng)輸出接口與伺服電機(jī)控制;機(jī)器人巡航動(dòng)作控制;嵌人式系統(tǒng)輸人接口與機(jī)器人觸覺(jué)導(dǎo)航;嵌人式系統(tǒng) I/O 接口與機(jī)器人紅外線跟蹤;定時(shí)/計(jì)數(shù)器與機(jī)器人距離檢測(cè);機(jī)器人應(yīng)用嵌人式系統(tǒng)UART實(shí)現(xiàn)串行通信控制;LCD 模塊與機(jī)器人集成技術(shù);溫度及其他傳感器擴(kuò)展與智能機(jī)器人。這種以項(xiàng)目實(shí)踐為主的教學(xué)內(nèi)容很容易將教學(xué)情境與工作過(guò)程相結(jié)合實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的一體化，提升學(xué)生終身創(chuàng)新能力和學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性。

2.2 課堂教學(xué)

課堂教學(xué)采用“交互式”教學(xué)方法，要求教師引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)制作和拓展案例，掌握大量實(shí)用方法、技巧和經(jīng)驗(yàn)，使知識(shí)在實(shí)踐中得到應(yīng)用。在課堂教學(xué)中應(yīng)圍繞嵌人式系統(tǒng)課程設(shè)置內(nèi)容的工作原理與案例設(shè)計(jì)，將課程內(nèi)容有重點(diǎn)分層次地進(jìn)行講述，如在講解嵌人式系統(tǒng) I/O 接口設(shè)計(jì)時(shí)，可以提出一個(gè)機(jī)器人巡航動(dòng)作控制問(wèn)題，讓學(xué)生以分組的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的討論，教師根據(jù)學(xué)生討論方案提出具有典型性的可行方案，并進(jìn)行驗(yàn)證性講解。

嵌人式技術(shù)內(nèi)容日新月異，需要讓學(xué)生了解當(dāng)前有關(guān)嵌人式技術(shù)的最新資訊，為下一步在實(shí)踐環(huán)節(jié)的學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。在教學(xué)過(guò)程中注意因材施教，對(duì)學(xué)有余力的學(xué)生提高要求，要求學(xué)生結(jié)合當(dāng)前最新技術(shù)，自學(xué)部分新的技術(shù)內(nèi)容并應(yīng)用到實(shí)踐過(guò)程中，以此培養(yǎng)學(xué)生的終身學(xué)習(xí)能力。同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生在技術(shù)論壇上多與其他學(xué)生與研究人員進(jìn)行交流。

2.3 實(shí)踐教學(xué)

由于嵌人式系統(tǒng)作為一門實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)課程，通過(guò)課程實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)實(shí)踐以及課外實(shí)驗(yàn)為核心的系列性實(shí)踐訓(xùn)練，提升學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性。課程實(shí)驗(yàn)既要配合理論教學(xué)，又要在一定程度上“拋開(kāi)”理論強(qiáng)調(diào)實(shí)踐探索，突出應(yīng)用性、體現(xiàn)趣味性，從一般演示模仿的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)到實(shí)現(xiàn)學(xué)生的自主拓展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，提升學(xué)生的動(dòng)手能力，達(dá)到切實(shí)掌握嵌人式技術(shù)的要求。這里可以將與教學(xué)內(nèi)容相應(yīng)的子模塊作為實(shí)驗(yàn)選題，如“伺服電機(jī)與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制”等，將教學(xué)知識(shí)點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)選題相對(duì)應(yīng)，使學(xué)生所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)能夠在實(shí)際中得到應(yīng)用。

在設(shè)計(jì)實(shí)踐上，除了驗(yàn)證性的操作之外，還可在下達(dá)技術(shù)要求的基礎(chǔ)之上，讓學(xué)生在開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室中自行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，即由驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)拓展為分析設(shè)計(jì)的綜合性實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中獨(dú)立思考，發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題，自主建構(gòu)課程的知識(shí)與能力體系，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和專業(yè)素養(yǎng)。在課外實(shí)驗(yàn)方面，通過(guò)合理選題、精心安排，將理論知識(shí)和實(shí)踐聯(lián)系起來(lái)，讓學(xué)生積極主動(dòng)地投人到實(shí)踐當(dāng)中，把被動(dòng)的學(xué)習(xí)變成積極主動(dòng)的學(xué)習(xí)，進(jìn)一步提升學(xué)生動(dòng)手能力和自主創(chuàng)新意識(shí)。同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生參加各類電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、科技創(chuàng)新比賽，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)與新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。

2.4 教學(xué)評(píng)價(jià)

傳統(tǒng)的結(jié)果性評(píng)價(jià)方法不注重學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中解決問(wèn)題方法與思維方式。完善傳統(tǒng)單一的考試評(píng)分方法,將嵌人式系統(tǒng)學(xué)習(xí)過(guò)程作為主要考核評(píng)價(jià)手段，課程設(shè)計(jì)的選題要考慮對(duì)知識(shí)體系的綜合覆蓋。在課程設(shè)計(jì)中，鼓勵(lì)學(xué)生團(tuán)隊(duì)進(jìn)行全方位、多路徑的方案設(shè)計(jì)與論證，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新欲望，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立面對(duì)、獨(dú)立分析和獨(dú)立解決問(wèn)題的能力。如針對(duì)課程設(shè)置的智能巡航機(jī)器人項(xiàng)目中某一模塊的選題，對(duì)于不同型號(hào)芯片采取不同的硬件電路設(shè)計(jì)方案。學(xué)生團(tuán)隊(duì)通過(guò)分析討論選擇出最優(yōu)方案，并通過(guò)分解任務(wù)進(jìn)行小組內(nèi)部的分工協(xié)作，完成某選定模塊獨(dú)具特色的作品，并以PPT答辯的形式進(jìn)行考核評(píng)價(jià)，注重學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的方法與思維方式，提升學(xué)生終身創(chuàng)新能力。

3 結(jié) 語(yǔ)

教師要積極研究課程內(nèi)容，在教學(xué)過(guò)程中引人案例教學(xué)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)等多種研究性教學(xué)方法，要善于引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠全身心投人到設(shè)計(jì)實(shí)踐的過(guò)程中去，學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性最終得到提升。期望通過(guò)采用以上的教學(xué)改革方案，能取得一定的嵌人式系統(tǒng)教學(xué)成果。同時(shí)，在教學(xué)改革中遇到的問(wèn)題，能積極地與專家、學(xué)者進(jìn)行廣泛的交流、溝通，進(jìn)而改進(jìn)，最終形成完善的、有效的教學(xué)新模式。

[1] 王立新, 蔣烈輝, 郭玉東, 等. 以嵌入式為核心的計(jì)算機(jī)課程體系建設(shè)[J]. 計(jì)算機(jī)教育, 2016(2): 66-68.

[2] 李英梅, 夏偉寧, 邢愷.“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程的研究與實(shí)踐[J]. 計(jì)算機(jī)教育, 2009(10): 68-69.

[3] 沈承舒, 楊波. 嵌入式課程教學(xué)方法的改革與探索[J]. 計(jì)算機(jī)教育, 2015(13): 76-78.

[4] 潘登. 面向高校學(xué)生科研素質(zhì)培養(yǎng)的教學(xué)方法初探[J]. 教育界, 2012(21): 48-49.

[5] 呂釗, 張超, 周蚌艷, 等. 嵌入式課程體系中的一體化教學(xué)模式[J]. 計(jì)算機(jī)教育, 2015(21): 32-36.

[6] 王宇英, 谷建華, 周興社. 操作系統(tǒng)教學(xué)探索及其在嵌入式教學(xué)中的實(shí)踐[J]. 計(jì)算機(jī)教育,2011(21): 98-101.

[7] 于曉海, 金建設(shè). 嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)模式探索[J]. 計(jì)算機(jī)教育, 2011(13): 76-79.

[8] 張凱龍, 周興社, 張彥春, 等.“嵌入式計(jì)算”課程的教學(xué)探索與思考[J]. 計(jì)算機(jī)教育, 2009(4): 65-67.

（編輯：史志偉）

1672-5913(2017)01-0136-03

G642

吉林大學(xué)2015年度本科教學(xué)改革研究項(xiàng)目（2015QNYB063）。

陳晨，男，副教授，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)理論及應(yīng)用，cchen@jlu．edu．cn。