唐永鶴 何紅旗 王瑞敏 井靖

摘 要：在分析嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中系統(tǒng)性不強(qiáng)、實(shí)踐安排不合理等問(wèn)題，提出一種競(jìng)賽牽引下的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革方法。該方法立足于嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)，在大學(xué)生競(jìng)賽相關(guān)要求的牽引下，從激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、鍛煉學(xué)生綜合能力、培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)觀與創(chuàng)新思維著手進(jìn)行改革，輔以貫穿教學(xué)全程的過(guò)程性考核方式。教學(xué)實(shí)踐表明，該方法教學(xué)效果良好，能夠有效提高學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新意識(shí)。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng);教學(xué)改革;綜合能力;過(guò)程性考核

DOI：10. 11907/rjdk. 182207

中圖分類號(hào)：G434文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-7800（2019）002-0216-03

Abstract： On the basis of analyzing the teaching characteristics of embedded system course， we propose competition-oriented teaching reform method which aims at the weakness of the current embedded system teaching， such as the poor teaching content in system and the unreasonable experiment arrangement. Based on the basic knowledge of embedded systems， this method takes several reform measures such as stimulating students' interest in learning， exercising the comprehensive ability of students， cultivating students' system view and innovative thinking， and process assessment method is adopted throughout the whole teaching process. Teaching practice shows that the method has a good teaching effect and can effectively improve students' comprehensive quality and innovation consciousness.

Key Words： embedded system; teaching reform; comprehensive ability; process assessment

0 引言

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟、硬件可裁剪，適應(yīng)于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[1]，涉及先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)等，在通信與軟件、工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、智能家電、醫(yī)療儀器、航空航天、軍事國(guó)防等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。相應(yīng)地，上述各行業(yè)對(duì)嵌入式技術(shù)人才需求也與日俱增。為此，國(guó)內(nèi)眾多高校在本科培養(yǎng)計(jì)劃中開(kāi)設(shè)了嵌入式技術(shù)的相關(guān)課程，并就如何培養(yǎng)適應(yīng)市場(chǎng)需求的嵌入式專業(yè)人才進(jìn)行了深入探索與研究[2-6]。

周一恒等[7]在分析制約嵌入式系統(tǒng)教學(xué)效果的基礎(chǔ)上，對(duì)嵌入式系統(tǒng)課程項(xiàng)目引領(lǐng)式教學(xué)進(jìn)行探討，在教學(xué)項(xiàng)目設(shè)置、考核方式等方面進(jìn)行了改革;盧燦舉[8]將案例教學(xué)引入到嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)改革實(shí)踐中，具有較大的參考價(jià)值;李建榮等[9]提出結(jié)合實(shí)踐與項(xiàng)目推動(dòng)嵌入式系統(tǒng)雙語(yǔ)教學(xué)的改革思路;吳立峰[10]提出問(wèn)題驅(qū)動(dòng)的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)模式，并結(jié)合實(shí)例闡述了問(wèn)題驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法及教學(xué)案例;陳德富等[11]針對(duì)研究生嵌入式系統(tǒng)教學(xué)提出學(xué)術(shù)興趣驅(qū)動(dòng)的新型教學(xué)方案。上述方法取得了很好的教學(xué)效果，但仍存在一定的局限性，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、鍛煉學(xué)生綜合能力、培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)觀與創(chuàng)新思維方面還存在一定提升空間。為此，本文提出一種競(jìng)賽牽引下的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革方法，該方法立足于計(jì)算機(jī)相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，緊貼嵌入式技術(shù)的最新發(fā)展，以競(jìng)賽形式引導(dǎo)學(xué)生從當(dāng)前生活中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出解決方案、設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的嵌入式系統(tǒng)，將知識(shí)傳授、能力鍛煉與創(chuàng)新思維培養(yǎng)貫穿于整個(gè)過(guò)程，教學(xué)效果良好。

1 嵌入式系統(tǒng)教學(xué)特點(diǎn)及現(xiàn)狀

嵌入式系統(tǒng)教學(xué)具有如下特點(diǎn)：①綜合性強(qiáng)。嵌入式系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，涉及電子、通信、自動(dòng)控制等多種專業(yè)知識(shí)，是一種綜合性技術(shù)。其次，嵌入式系統(tǒng)包括硬件與軟件，二者相互配合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)特定功能，其中硬件涉及處理器、存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備、電源、時(shí)鐘等，軟件又可分為驅(qū)動(dòng)層、操作系統(tǒng)層與應(yīng)用層軟件;②實(shí)踐性強(qiáng)。嵌入式系統(tǒng)以應(yīng)用為中心，面向?qū)嵺`，并且隨著需求變化與技術(shù)進(jìn)步不斷更新，這意味著嵌入式系統(tǒng)教學(xué)應(yīng)以理論為基礎(chǔ)，以實(shí)踐應(yīng)用為主要目標(biāo)，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的工程實(shí)踐能力及創(chuàng)新思維。

嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)特點(diǎn)決定了該課程教學(xué)應(yīng)當(dāng)圍繞夯實(shí)學(xué)生理論基礎(chǔ)、鍛煉學(xué)生綜合能力、培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)觀及創(chuàng)新思維展開(kāi)，但嵌入式系統(tǒng)教學(xué)現(xiàn)狀與目標(biāo)還有一定差距。具體表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

（1）嵌入式系統(tǒng)理論教學(xué)內(nèi)容一般包括嵌入式系統(tǒng)硬件（包括嵌入式處理器、存儲(chǔ)器、外部I/O等）、嵌入式系統(tǒng)軟件（引導(dǎo)加載程序、操作程序、應(yīng)用軟件等）、嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具與嵌入式最新技術(shù)等，高校根據(jù)授課對(duì)象具體情況而有所側(cè)重，教學(xué)內(nèi)容呈模塊化，學(xué)生難以從系統(tǒng)角度理解相關(guān)知識(shí)。實(shí)踐教學(xué)大多是在給定的硬件平臺(tái)上編程實(shí)現(xiàn)規(guī)定的功能，對(duì)學(xué)生的鍛煉主要局限于某些模塊，不夠系統(tǒng)，缺少需求分析、方案設(shè)計(jì)、硬件平臺(tái)構(gòu)建等環(huán)節(jié)，不利于提高學(xué)生分析、解決問(wèn)題的能力，也不利于學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)軟硬件全局把握和認(rèn)識(shí)。

（2）盡管目前嵌入式系統(tǒng)教學(xué)對(duì)實(shí)踐的重視程度有所增強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也由驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)向基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與綜合實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式轉(zhuǎn)變，但是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大多是老師預(yù)先設(shè)置好的或者受限于使用的硬件系統(tǒng)。這種實(shí)驗(yàn)安排使部分學(xué)生對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容興趣寥寥，無(wú)法充分發(fā)揮學(xué)生主動(dòng)性和創(chuàng)造性;另一方面，由于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)更新較慢，一些涉及新技術(shù)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)無(wú)法在老舊平臺(tái)上開(kāi)展，導(dǎo)致教學(xué)及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與最新技術(shù)發(fā)展脫節(jié)。

（3）嵌入式系統(tǒng)教學(xué)對(duì)知識(shí)傳授、實(shí)踐能力鍛煉的重視程度較高，而對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告等文檔撰寫(xiě)能力、實(shí)驗(yàn)成果展示匯報(bào)等語(yǔ)言表達(dá)及溝通能力鍛煉機(jī)會(huì)較少，而后兩者對(duì)學(xué)生今后工作影響十分巨大。因此，現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生綜合能力方面還存在一定提升空間。

2 教學(xué)改革具體措施

針對(duì)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中存在的問(wèn)題，以大學(xué)生競(jìng)賽為牽引，采用3-4人一組的分組形式，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容選題、方案設(shè)計(jì)、方案實(shí)現(xiàn)、結(jié)果展示匯報(bào)貫穿于嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)整個(gè)過(guò)程，重點(diǎn)從激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、鍛煉學(xué)生綜合能力、培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)觀和創(chuàng)新思維等方面進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革。

2.1 激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

在理論教學(xué)方面，單純的理論講授十分枯燥乏味，學(xué)生不僅難以理解掌握，而且易產(chǎn)生厭學(xué)情緒。為此，通過(guò)收集、整理學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)、電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、物聯(lián)網(wǎng)競(jìng)賽等作品構(gòu)建教學(xué)案例庫(kù)，根據(jù)各個(gè)案例中的嵌入式系統(tǒng)知識(shí)點(diǎn)，將其應(yīng)用到相應(yīng)理論教學(xué)環(huán)節(jié)中，將抽象的理論具體化，增加理論教學(xué)趣味性。

在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，堅(jiān)持以“學(xué)生為主體”的基本原則，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)當(dāng)前生活、工作或?qū)W習(xí)中存在的問(wèn)題，并從中選擇難易適中、熟悉而又感興趣的問(wèn)題作為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，與學(xué)生一起討論并制定問(wèn)題解決方案，鼓勵(lì)學(xué)生利用所學(xué)嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)、嵌入式最新技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)相關(guān)資源加以實(shí)現(xiàn)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性和創(chuàng)造性。

2.2 鍛煉學(xué)生綜合能力

嵌入式系統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中既要著力提高學(xué)生工程實(shí)踐能力，同時(shí)也應(yīng)大力培養(yǎng)學(xué)生文檔撰寫(xiě)與語(yǔ)言表達(dá)能力，提高學(xué)生綜合素質(zhì)。

（1）工程實(shí)踐能力。競(jìng)賽牽引下的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)以相關(guān)賽事為參考，選定參賽題目，在老師指導(dǎo)下制定研究方案。在研究方案具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，需要考慮硬件平臺(tái)構(gòu)建（選用現(xiàn)有的開(kāi)發(fā)板或自制開(kāi)發(fā)板，還涉及到傳感器等模塊的選型等）、軟件編程實(shí)現(xiàn)等，學(xué)生不僅要掌握嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中涉及到的軟硬件知識(shí)、工具等，還必須在老師的指導(dǎo)下充分利用網(wǎng)絡(luò)相關(guān)資源自行解決實(shí)現(xiàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題。因此，參加嵌入式系統(tǒng)相關(guān)競(jìng)賽的過(guò)程實(shí)際上是鍛煉學(xué)生工程實(shí)踐能力的過(guò)程。

（2）文檔撰寫(xiě)能力。研究方案是競(jìng)賽初選參考的重要依據(jù)，因此研究方案的撰寫(xiě)是相當(dāng)重要的一環(huán)。本科學(xué)生在此之前一般文檔撰寫(xiě)經(jīng)驗(yàn)不足，存在不知應(yīng)該寫(xiě)什么內(nèi)容，或者所寫(xiě)文檔存在邏輯混亂、語(yǔ)句不通順、格式不規(guī)范等一系列問(wèn)題。為此，老師會(huì)和學(xué)生一起討論寫(xiě)什么內(nèi)容，確定文檔提綱，再逐步充實(shí)相關(guān)內(nèi)容。同時(shí)，對(duì)于學(xué)生所寫(xiě)文檔中邏輯、語(yǔ)句、格式等方面的問(wèn)題，與學(xué)生一起討論修改。通過(guò)幾輪修改完善，一般可以顯著提高學(xué)生文檔撰寫(xiě)能力。

（3）語(yǔ)言表達(dá)能力。在教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有的學(xué)生工程實(shí)踐能力很強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也很好，但卻不能簡(jiǎn)潔、清晰地將自己所做的工作及其與眾不同之處表述出來(lái)，語(yǔ)言表達(dá)能力較為欠缺，而現(xiàn)實(shí)中該能力十分重要，甚至直接影響到最終成敗。為此，在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)注重鍛煉學(xué)生語(yǔ)言表達(dá)能力。一方面，引導(dǎo)學(xué)生積極參與課堂討論及小組交流溝通;另一方面，要求學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)后，匯報(bào)設(shè)計(jì)方案，回答老師提問(wèn);在實(shí)驗(yàn)完成后，學(xué)生需制作PPT并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行成果展示匯報(bào)。

2.3 培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)觀與創(chuàng)新思維

為培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)觀，在理論講授環(huán)節(jié)，注重發(fā)揮案例教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，先從系統(tǒng)角度對(duì)案例進(jìn)行分析，再對(duì)案例中的軟硬件進(jìn)行解剖。嵌入式系統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐設(shè)置則采用全開(kāi)放式，由學(xué)生自行發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題關(guān)鍵所在、制定問(wèn)題解決方案、構(gòu)建軟硬件環(huán)境、編程實(shí)現(xiàn)、測(cè)試驗(yàn)證，整個(gè)過(guò)程以學(xué)生為主體、老師為指導(dǎo)，使學(xué)生親身體驗(yàn)工程實(shí)踐的每個(gè)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)其從系統(tǒng)角度考慮任務(wù)需求、軟硬件劃分與協(xié)同等能力。

為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維，在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中堅(jiān)持學(xué)生主體地位，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)生活中存在的痛點(diǎn)問(wèn)題，啟發(fā)學(xué)生立足于嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)，結(jié)合計(jì)算機(jī)、通信等方面最新技術(shù)，提出具有一定創(chuàng)新性的解決方案，著力培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，充分挖掘?qū)W生創(chuàng)造力。

2.4 過(guò)程性考核方式

課程考核采用過(guò)程性考核方式，即考核貫穿于課程整個(gè)過(guò)程?？己藘?nèi)容弱化對(duì)死記硬背知識(shí)的考核，強(qiáng)化對(duì)知識(shí)理解與應(yīng)用能力的考核，適當(dāng)突出對(duì)探究創(chuàng)新的考核。課程最終成績(jī)由平時(shí)作業(yè)、課堂討論表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)和考試成績(jī)組成，各部分所占分值及其考核參考依據(jù)見(jiàn)表1。

3 教學(xué)改革實(shí)際效果

三屆學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐表明，本文采用的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革方法具有較好的教學(xué)效果，選課學(xué)生不僅掌握了嵌入式系統(tǒng)基本原理與設(shè)計(jì)過(guò)程，且能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單并具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的嵌入式系統(tǒng)。學(xué)員工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識(shí)也顯著增強(qiáng)，在2015級(jí)信息安全專業(yè)學(xué)生中有3個(gè)小組利用攝像頭、溫度傳感器、藍(lán)牙、音響等附加模塊，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人滅火、音樂(lè)播放器等創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。

在全國(guó)大學(xué)生Robomasters機(jī)器人競(jìng)賽、全國(guó)大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)競(jìng)賽的相關(guān)賽事中，參賽學(xué)生也取得了優(yōu)異成績(jī)，其中2016-2017年大學(xué)生競(jìng)賽獲獎(jiǎng)情況如表2所示，相關(guān)參賽作品申請(qǐng)專利2項(xiàng)。尤其是在2017年9月物聯(lián)網(wǎng)總決賽中，參賽的兩支團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)調(diào)試、展示、答辯、交叉評(píng)審、十二強(qiáng)循環(huán)賽等環(huán)節(jié)的激烈角逐，從入圍全國(guó)總決賽的120支隊(duì)伍中脫穎而出，雙雙獲得全國(guó)總決賽一等獎(jiǎng)。

4 結(jié)語(yǔ)

在分析嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)特點(diǎn)與當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)競(jìng)賽牽引下的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革進(jìn)行了探討，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、鍛煉學(xué)生綜合能力、培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)觀及創(chuàng)新思維、改進(jìn)考核方式等方面為突破點(diǎn)進(jìn)行改革，教學(xué)實(shí)踐表明該方法可較好地提高學(xué)生綜合素質(zhì)與創(chuàng)新意識(shí)。

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（責(zé)任編輯：江 艷）