李學(xué)輝，劉三榮，張 強

（棗莊學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東棗莊 277160）

0 引言

計算機技術(shù)已從初期的科學(xué)計算及信息處理進入到以物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、大數(shù)據(jù)與云計算為主要特征的新時代，新的商業(yè)模式和應(yīng)用依賴于各類復(fù)雜的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。創(chuàng)新是計算機行業(yè)人才的一致追求［1］，實踐創(chuàng)新培養(yǎng)模式對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的人才培養(yǎng)具有十分重要的意義。工程教育認證要求學(xué)生具有針對復(fù)雜工程問題設(shè)計解決方案的能力［2］。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計涉及到計算機、電子、網(wǎng)絡(luò)、通信等諸多專業(yè)知識，是一門多學(xué)科交叉的綜合性課程，該課程突出特點是軟硬件緊密結(jié)合，是訓(xùn)練軟硬件綜合設(shè)計的良好載體。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，該課程已成為計算機、自動化和電子等專業(yè)重點建設(shè)課程［3］。

嵌入式系統(tǒng)課程具有很強的工程性、系統(tǒng)性和應(yīng)用性，具有軟硬件結(jié)合特性，實踐性很強。為培養(yǎng)學(xué)生軟硬件綜合設(shè)計和開發(fā)能力，許多高校相繼開設(shè)了該課程［4］，但是多數(shù)高校以講授加固定實驗的方式教授本課程，不能有效提高學(xué)生的工程實踐能力。無論是傳統(tǒng)的教師課堂講授還是MOOC 線上教學(xué)都是重理論輕應(yīng)用，如何整合線下課堂和線上MOOC 優(yōu)勢［5］提升學(xué)生的綜合實踐能力，許斌等［6］提出引入雙階段目標行為導(dǎo)向法，分層次、分階段培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用各類型基礎(chǔ)知識解決實際問題的能力。這種方法對純軟件開發(fā)課程效果較好，但對于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)這種軟硬結(jié)合、知識點廣泛的課程效果不夠明顯。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計課程的目的是提升學(xué)生的工程實踐能力，但是當(dāng)前課程的講授方式不利于學(xué)生工程實踐能力提升。

1 嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 內(nèi)容豐富但學(xué)時少

嵌入式系統(tǒng)課程內(nèi)容非常廣泛［7］，既包括理論又包括實踐；不僅包括軟開發(fā)還包括硬件開發(fā)，以及軟硬件開發(fā)過程的調(diào)試技能。其中硬件開發(fā)知識包括繪制原理圖、layout 板位圖、布線、處理器及設(shè)備選型、硬件調(diào)試等；軟件開發(fā)包括驅(qū)動開發(fā)、軟件系統(tǒng)設(shè)計、應(yīng)用程序開發(fā)、系統(tǒng)API 等，軟件開發(fā)相關(guān)技能包括內(nèi)核編譯、模塊編譯、修改及編寫makefile、模塊加載及卸載、文件系統(tǒng)、交叉編譯、系統(tǒng)調(diào)用等；系統(tǒng)調(diào)試過程涉及眾多開發(fā)工具使用，其中硬件開發(fā)工具包括J-link、串口、示波器、萬用表等；軟件開發(fā)工具包括MDK、Keil、ADS、VMWare 等。多數(shù)高校都是將其作為一門課講授，沒有先導(dǎo)課程和后續(xù)課程，導(dǎo)致該課程出現(xiàn)知識量豐富而課時有限的問題。

1.2 知識泛而零散，關(guān)聯(lián)性弱

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計課程將操作系統(tǒng)原理、應(yīng)用程序開發(fā)與調(diào)試、硬件結(jié)構(gòu)和接口驅(qū)動設(shè)計等多部分內(nèi)容融為一體，知識點廣而繁雜，課程難度大，教材內(nèi)容也相應(yīng)分成幾個部分，各部分之間關(guān)聯(lián)性較小。教材每一部分知識點一般是從簡單到復(fù)雜，循序漸進安排，同類知識放在一個章節(jié)，知識內(nèi)容的相關(guān)性即基礎(chǔ)相關(guān)性較強，但是工程關(guān)聯(lián)性較弱。從工程的角度看，這些知識單一、零散，幾乎沒有任何關(guān)系。按照教材順序講授只能零散完成各個知識點講解，無法使學(xué)生整體認識及有效理解知識點之間的關(guān)系，無法將知識點關(guān)聯(lián)綜合應(yīng)用。

1.3 實驗功能單一，脫離工程

當(dāng)前課程實驗都是在實驗箱上進行，每節(jié)實驗都是驗證上節(jié)理論課所學(xué)知識點，通過實驗使學(xué)生更直觀地理解理論知識，學(xué)生按照實驗指導(dǎo)按部就班一步步完成。每個實驗功能單一，知識關(guān)聯(lián)性弱。如講授GPIO 理論知識之后，會有一個點亮LED 燈的實驗，該實驗?zāi)康膬H僅是為了驗證GPIO 的功能及最簡單的使用方法，但是項目中更復(fù)雜的情況例如使能芯片，使用GPIO 控制一對多的SPI 通信等工程中最常見的GPIO 應(yīng)用都沒有涉及。學(xué)生不能整體理解所學(xué)知識點在整個項目中的作用，學(xué)習(xí)效果不好。

2 培養(yǎng)工程能力的教學(xué)改革

2.1 采用翻轉(zhuǎn)課堂方式

MOOC 作為一種新型的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式，以課程易于使用、工具資源多樣化、課程受眾面廣等特點備受青睞，同時讓學(xué)習(xí)者公平享受優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源，彌補了線下課堂教學(xué)的不足［8-9］。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計知識體系龐大而課時較少，為充分利用課堂時間，部分理論知識、實驗演示等各個知識點錄制成短視頻放到MOOC 上；學(xué)生課下通過MOOC 學(xué)習(xí)，使傳統(tǒng)課堂知識點講授移到課前［10］。課堂采用翻轉(zhuǎn)課堂方式，督促學(xué)生課下學(xué)習(xí)［11］。

理論知識分成較難的原理性知識及較易的應(yīng)用性知識兩類，較易的應(yīng)用性知識點采用翻轉(zhuǎn)課堂，原理性知識點采用教師講授。實驗課每個小組完成工程項目的不同功能，實驗開始前教師先從總體上介紹整個項目功能，分配實驗任務(wù)，然后每個小組理解各自實驗在整個項目中的作用并完成實驗，實驗完成后每個小組進行講解，學(xué)生對項目整體有更深理解。課堂組織流程如圖1 所示。

圖1 課堂組織思維流程

以整體項目的自動調(diào)節(jié)屏幕亮度這一功能為例，實驗涉及到光照傳感器、LCD 顯示，在傳感器控制中涉及到I2C通信、GPIO 控制、驅(qū)動開發(fā)；在LCD 顯示中涉及LCD 顯示原理、LCD 背光控制、PWM 原理。I2C 協(xié)議、GPIO 原理以及LCD 顯示原理是較難的知識點，這部分教師講授；PWM概念、PWM 控制、LCD 背光控制、GPIO 使用這些知識相對容易，使用翻轉(zhuǎn)課堂形式學(xué)習(xí)。每個學(xué)生講授一部分知識，如果講述過程中有錯誤或者描述不清楚的地方，教師記錄下來并在學(xué)生講完后重講。講授完后通過提問了解課堂反饋，最后串聯(lián)這些知識點并說明其在項目中的應(yīng)用。實驗課上教師先把自動調(diào)節(jié)屏幕亮度這一功能分解成多個模塊，例如I2C 通信模塊、光感傳感器控制模塊、PWM 生成模塊、LCD 背光控制模塊、GPIO 控制模塊等，每個小組完成一個模塊。每個小組完成后自行驗證、演示。如果有問題由教師指導(dǎo)修改，并再次驗證或演示，各小組講述實驗。最后，教師指導(dǎo)合并所有小組實驗，完成整個實驗。

2.2 結(jié)合工程使用講授理論知識

工程項目作為案例，可以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的創(chuàng)造性思維［12］。項目教學(xué)具有很強的綜合性與實踐性［13］，使用完備的項目進行教學(xué)，調(diào)整教材知識點順序，將工程中相關(guān)聯(lián)的知識點調(diào)整到一起講授，一次課講授的知識點能夠完成項目的某一個或某幾個功能，一次實驗完成項目的某一個或某幾個小的關(guān)聯(lián)性強的項目功能，最終多個實驗組合完成項目所有功能，同時講授完所有知識點。通過對一個項目功能的增刪以及適當(dāng)修改，可以把嵌入式方向各個知識點串聯(lián)起來，通過具體應(yīng)用使學(xué)生形成整體清晰的知識脈絡(luò)。項目作為理論教學(xué)主體的流程如圖2所示。

圖2 項目教學(xué)流程

首先選擇適當(dāng)項目。選取市立醫(yī)院用藥系統(tǒng)信息采集器，以該信息采集器開發(fā)作為項目實例。對采集器功能進行一定的增刪及修改，例如增加自動調(diào)節(jié)屏幕亮度、刪除語音控制功能、剝離并獨立每個功能、簡化部分功能等，使其適合學(xué)生實驗。然后分解整個項目，分別講解各部分功能，根據(jù)項目功能調(diào)整知識點講授順序，按照調(diào)整后的順序講授相關(guān)知識點原理及應(yīng)用方法；講授完原理及應(yīng)用方法之后，再把知識點結(jié)合到項目中，舉例項目中的應(yīng)用，最后將各個功能整合為整個項目，并根據(jù)知識點應(yīng)用進行延伸。

2.3 引入工程實驗替代驗證性實驗

原來的實驗都是驗證所學(xué)知識點，學(xué)生無法直接理解所學(xué)知識點在實際工程中的應(yīng)用，而工程項目作為實驗可使學(xué)生運用所學(xué)知識開發(fā)項目某部分功能，快速了解各知識點在項目中的作用，理清開發(fā)流程。通過做中學(xué)的方式，一方面提高學(xué)生的工程能力，另一方面激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生更喜歡學(xué)。每次實驗完成項目的一部分功能，同時驗證相關(guān)知識點，進行項目教學(xué)符合工程教育理念。

以前述自動調(diào)整屏幕亮度作為實驗為例，學(xué)生首先要通過原理圖查看LCD 使用timer 的PWM，光感傳感器使用I2C 和GPIO，其次開發(fā)驅(qū)動控制光傳感器及timer，最后開發(fā)應(yīng)用程序。該項目用到的知識點包括原理圖閱讀、驅(qū)動開發(fā)、驅(qū)動加載、內(nèi)核編譯、下載及調(diào)試、應(yīng)用開發(fā)、Linux系統(tǒng)框架及原理、系統(tǒng)API、交叉編譯、應(yīng)用程序安裝等一系列知識。本實驗涉及的理論知識點有：I2C 通信原理、GPIO 控制及原理、LCD 背光控制原理、LCD 顯示原理以及PWM 控制原理。通過實驗，學(xué)生不僅掌握了這些知識點原理，而且直觀了解了這些知識點在項目中的應(yīng)用，以及在項目中如何開發(fā)。項目知識點如圖3 所示。

圖3 項目知識點

3 改革效果

為檢驗改革效果，對2017、2016 和2015 級物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)及智能物聯(lián)專業(yè)學(xué)生的成績及課程設(shè)計得分情況進行對比。其中2017 級物聯(lián)專業(yè)及智能物聯(lián)專業(yè)使用改革后的項目教學(xué)，2016、2015 級物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)及智能物聯(lián)專業(yè)使用改革前按照教材順序按部就班的教學(xué)方式。

3.1 學(xué)習(xí)成績對比

將2017 級與2016 和2015 級學(xué)生總成績各分數(shù)段對比，統(tǒng)計各分數(shù)段占總?cè)藬?shù)的比例，對比結(jié)果如圖4 所示（彩圖掃描OSID 碼可見）。

圖4 學(xué)習(xí)成績對比

本課程各年級學(xué)生人數(shù)分別為：2017 級85 人，2016級88 人，2015 級86 人。從對比結(jié)果可以看出，相對2016級及2015 級，2017 級高分學(xué)生數(shù)量明顯較多，其中90 分以上占比分別提高8.2% 和5.9%，80-90 分占比分別提高23.0% 和24.3%，低分中60-70 分的分別減少6.2% 和7.9%，不及格占比分別降低3.2% 和4.6%。3 個年級平均成績：2017 級為84.9 分，2016 級為74.5 分，2015 級為73.4分，從平均成績看2017 級比2016 級和2015 級分別高出10.4 分和11.5 分。

3.2 課程設(shè)計具體項對比

課程設(shè)計比卷面考試更能反映學(xué)生工程實踐能力，本門課期末考核方式為課程設(shè)計。對課程設(shè)計每個評分項進行詳細對比，評分標準及占比如下：①項目功能點15%；②每個功能完成情況10%；③項目復(fù)雜度10%；④項目整體完整度35%；⑤項目創(chuàng)新性15%；⑥項目實用性15%?？偡?00 分，各項100 分。各項平均成績具體對比情況如圖5 所示（彩圖掃描OSID 碼可見）。

圖5 課程設(shè)計各項平均成績

相對2016 級和2015 級課程設(shè)計，2017 級學(xué)生課程設(shè)計復(fù)雜度分別提高了17.6 和16.3 分，完整度方面分別提高12.3 和13.4 分，實用性方面分別提高了13.2 和14.4分；期末平均成績分別提高了8.7 和9.6 分。并且2017 級學(xué)生課程設(shè)計中，有部分作品完成了商用項目中較獨立、完整的功能，學(xué)生動手能力得到明顯提高。

4 結(jié)語

針對嵌入式系統(tǒng)設(shè)計課程知識點多，教學(xué)方式不利于培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力的情況，本文通過翻轉(zhuǎn)課堂、項目教學(xué)等教學(xué)手段提高學(xué)生的工程實踐能力。通過對比發(fā)現(xiàn)學(xué)生的成績改革后比改革前有明顯提高，動手能力明顯增強。但是，該教學(xué)方式需要占用學(xué)生更多的課下時間，教師需要花費更多時間了解新項目以應(yīng)對技術(shù)更新及新技術(shù)發(fā)展，在提高教學(xué)效率、減輕學(xué)生負擔(dān)方面還有待繼續(xù)研究。