摘 要：針對嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)教學(xué)中存在的學(xué)生學(xué)習(xí)難度大、缺乏學(xué)習(xí)興趣、缺少工程實踐能力培養(yǎng)及教學(xué)與人才培養(yǎng)脫節(jié)的問題，提出了一種實踐性教學(xué)改革方案。該方案旨在采用任務(wù)式教學(xué)方法，通過調(diào)整授課方式、實驗室集中授課、優(yōu)化教學(xué)開發(fā)平臺、重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容以及改革教學(xué)評價方式等綜合措施來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性并增強實踐能力的培養(yǎng)。這一方案已在我校計算機專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)課程的教學(xué)中得以實施。實踐結(jié)果表明，該方案能夠有效轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，強調(diào)了學(xué)生的主體地位，進一步加深了學(xué)生對課程的理解與興趣，顯著提高了學(xué)生對課程的關(guān)注度，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、創(chuàng)新性，提升了知識的綜合應(yīng)用能力和團隊協(xié)作能力，全面提高了課程教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)；工程實踐能力；教學(xué)改革；任務(wù)式教學(xué)；教學(xué)內(nèi)容；綜合應(yīng)用能力；應(yīng)用型課程

中圖分類號：TP399 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）07-0-04

0 引 言

“嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)”課程是面向計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)中的物聯(lián)網(wǎng)方向而開設(shè)的專業(yè)核心課，它融合了電子信息、通信工程和軟件設(shè)計等領(lǐng)域的技術(shù)，涵蓋了原理圖繪制、硬件設(shè)計、Linux系統(tǒng)裁剪、驅(qū)動開發(fā)和應(yīng)用程序設(shè)計等內(nèi)容，通過該課程可培養(yǎng)學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的一般概念、設(shè)計原則和方法，能培養(yǎng)學(xué)生扎實的科學(xué)素質(zhì)和工程應(yīng)用能力。

嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，包括但不限于汽車、通信、醫(yī)療和家用電器等[1]，且應(yīng)用領(lǐng)域跨度大，涉及電子消費和工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域，因此嵌入式系統(tǒng)課程能夠為學(xué)生提供廣闊的就業(yè)機會和發(fā)展空間。

隨著數(shù)字技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)逐漸趨于智能化，如智能手機、智能穿戴設(shè)備、翻譯筆等新型產(chǎn)品逐漸成為生活和生產(chǎn)中不可或缺的工具。隨著人工智能技術(shù)的廣泛應(yīng)用，企業(yè)生產(chǎn)面臨著諸多新挑戰(zhàn)，包括產(chǎn)品智能化、個性化需求增加等。因此，對嵌入式系統(tǒng)從業(yè)人員的需求也隨之發(fā)生了變化。除了必須具備從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)所需的軟硬件設(shè)計能力之外，現(xiàn)在的從業(yè)人員還需具備解決復(fù)雜算法問題的能力、跨學(xué)科交叉融合的能力以及更強的創(chuàng)新能力等更高要求[2-3]。

作為培養(yǎng)應(yīng)用型技術(shù)人才的高校，應(yīng)當(dāng)順應(yīng)時代的發(fā)展，注重解決傳統(tǒng)教學(xué)與實際人才需求脫節(jié)的問題，使學(xué)生畢業(yè)之后能達到企業(yè)的用人要求，縮短入職之后的適應(yīng)期[4-5]。

1 “嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)”課程的傳統(tǒng)教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 教學(xué)內(nèi)容多，學(xué)習(xí)難度大

嵌入式系統(tǒng)的知識點覆蓋范圍廣、跨度大，課程實施過程中涉及到了Linux系統(tǒng)、Linux和Windows C語言應(yīng)用開發(fā)、嵌入式ARM芯片驅(qū)動開發(fā)、Linux GUI應(yīng)用開發(fā)和人工智能算法部署等內(nèi)容，同時還要求學(xué)生具備跨平臺開發(fā)的能力，能夠在Windows、Linux和ARM平臺之間隨時切換；課程的知識體系繁雜，綜合應(yīng)用能力要求較強，教學(xué)和學(xué)習(xí)過程中過于依賴軟硬件設(shè)備，學(xué)生掌握知識的難度高，學(xué)習(xí)壓力較大，導(dǎo)致基礎(chǔ)知識和技能的掌握得不是很好。

1.2 教學(xué)方法單一，學(xué)習(xí)困難較多

嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)分為理論教學(xué)和實驗教學(xué)兩個部分，在傳統(tǒng)教學(xué)過程中，理論和實驗教學(xué)是完全分開進行的，理論教學(xué)往往在教室實施，教師在課堂教學(xué)期間由于學(xué)時和教學(xué)設(shè)備的限制，通常無法進行演示教學(xué)，只能進行理論講解，教學(xué)內(nèi)容多而雜，且教學(xué)過程不直觀，較為枯燥，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣較低，學(xué)習(xí)效率較差[6]；實驗教學(xué)一般在實驗室進行，雖然學(xué)生能接觸到實驗設(shè)備，但由于實驗教學(xué)學(xué)時少[7]，實驗間隔時間長，理論教學(xué)的內(nèi)容無法及時體現(xiàn)在實驗內(nèi)容中。學(xué)生進行實驗時，理論和實踐相脫節(jié)，需要先消化理論課上的知識點后，才能進行實驗，導(dǎo)致學(xué)生實驗進度慢，實驗完成情況較差，對學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和興趣造成了不好的影響。

1.3 無法因材施教，不能兼顧所有學(xué)生

學(xué)生個體差異較大，需求不盡相同，在課程設(shè)計方面較為困難，無法做到適應(yīng)所有學(xué)生的需求。對于學(xué)生實際學(xué)習(xí)進度，缺乏有效的考察機制和方法，無法及時進行學(xué)習(xí)干預(yù)。

1.4 考核方式片面

傳統(tǒng)的教學(xué)中，針對“嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用”課程采用試卷成績，兼顧平時作業(yè)和實驗成績總評的形式進行考核，但是試卷卷面成績占總成績的70%，平時作業(yè)和實驗成績共占30%，成績評定以知識點的識記為主，無法兼顧實踐能力和創(chuàng)新能力的考核，更不能對學(xué)生的學(xué)習(xí)過程、思考過程等進行考核，容易造成學(xué)生為了追求高分，忽視更深層次的研究。

在教學(xué)過程中還觀察到，部分學(xué)生在接觸信息管理系統(tǒng)開發(fā)，尤其是前端開發(fā)后，往往會被其“所見即所得”的開發(fā)模式深深吸引。與嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中驅(qū)動編寫和應(yīng)用程序編譯那種需要耐心等待結(jié)果的模式不同，前端開發(fā)的即時反饋機制讓學(xué)生能即時看到程序運行效果，從而迅速獲得成就感。這種即時滿足感有時會使得學(xué)生在學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)時缺乏持續(xù)深入學(xué)習(xí)的恒心和毅力，特別是在硬件設(shè)計和軟件調(diào)試這些需要耐心和細致工作的環(huán)節(jié)，學(xué)生更容易在遇到難題時感到挫敗并放棄。此外，在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，軟硬件設(shè)備的采購成本、跨學(xué)科知識的融合需求，以及對基礎(chǔ)電路知識和電路調(diào)試經(jīng)驗的較高要求，都給學(xué)生帶來了不小的經(jīng)濟負擔(dān)和學(xué)習(xí)壓力。

針對該課程存在的上述問題和不足，本文開展針對“嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)”課程的實踐性教學(xué)研究，擬對現(xiàn)有教學(xué)模式和教學(xué)方法進行創(chuàng)新，加強學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、協(xié)同性和系統(tǒng)性，加強該課程對工程實踐能力和工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)[8-10]。

2 實踐性教學(xué)研究內(nèi)容

將“嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)”課程的理論和實驗教學(xué)過程進行整合，全部放在實驗室進行，重新調(diào)整授課方式，改變教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建任務(wù)型教學(xué)模式，改革考核方案，以此轉(zhuǎn)變教師的教學(xué)理念和方法，改變學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度，改善該課程的教學(xué)效果，以滿足行業(yè)需求。

2.1 調(diào)整授課方式

將該課程的授課由原來的理論和實驗分離的形式，改為實驗室授課的方式，對理論和實操內(nèi)容進行整合。由于傳統(tǒng)的理論教學(xué)內(nèi)容枯燥，缺乏情景代入和驗證環(huán)節(jié)，學(xué)生學(xué)習(xí)缺乏直觀的認識。將所有課程內(nèi)容改為在實驗室上課之后，隨時可根據(jù)課程內(nèi)容和學(xué)生課堂反饋情況，進行實操驗證，以此加強學(xué)生學(xué)習(xí)的體驗感和驗證出結(jié)果的成就感。

2.2 重構(gòu)課程內(nèi)容

嵌入式ARM芯片的更新速度非?？?，隨著智能設(shè)備的普及和更新?lián)Q代，能夠滿足教學(xué)使用的芯片有許多，為了兼顧Linux系統(tǒng)和安卓系統(tǒng)的教學(xué)需要，同時基于教學(xué)成本考慮，最終選定Cortex-A53內(nèi)核架構(gòu)為研究對象，使用的教學(xué)設(shè)備為GEC-6818開發(fā)平臺，該開發(fā)平臺硬件配置豐富，擁有單顆三星S5P6818八核處理器芯片，并配有電容觸摸屏及PWM等協(xié)議接口，基本能滿足當(dāng)前市場開發(fā)需求；同時，該開發(fā)平臺具有一定數(shù)量的用戶群體，官方和網(wǎng)絡(luò)資源較為豐富，學(xué)生在自學(xué)時，可借助網(wǎng)絡(luò)較容易地獲取到參考案例。新平臺投入使用之后，在該課程上重新構(gòu)建基于Cortex-A53的教學(xué)內(nèi)容。

教學(xué)內(nèi)容需兼顧理論和實踐，注重培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力；在知識點選擇上，受限于授課時長和實踐操作的需要，內(nèi)容上有所取舍，重要的內(nèi)容在實驗室上機進行講解和操作，其他細節(jié)以作業(yè)或者討論的形式由學(xué)生自補；實操部分，注重驗證和啟發(fā)，重點培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題及綜合處理問題的能力。

重構(gòu)之后的教學(xué)內(nèi)容在Linux系統(tǒng)上完成，主要內(nèi)容如下：

（1）Linux系統(tǒng)及其基礎(chǔ)命令

該部分側(cè)重講解和實操Ubuntu20.04系統(tǒng)的虛擬機安裝，熟悉常用的操作命令；Linux系統(tǒng)不局限于Ubuntu，也可以是Centos或Redhat等其他系統(tǒng)。該內(nèi)容為后續(xù)學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)，重點在于學(xué)生的實操練習(xí)和解決學(xué)生遇到的問題，輔以必要的講解。

（2）Linux C以程序設(shè)計基礎(chǔ)

該部分旨在讓學(xué)生熟悉GCC編譯器的執(zhí)行流程，明確Linux應(yīng)用開發(fā)的基本方法；掌握動態(tài)庫與靜態(tài)庫的編譯及調(diào)用技巧；精通MAKE命令及Makefile文件的編寫，為后續(xù)課程的應(yīng)用開發(fā)奠定堅實基礎(chǔ)。鑒于學(xué)生普遍習(xí)慣于在集成開發(fā)環(huán)境（IDE）中進行軟件編譯，對于Linux環(huán)境下的軟件開發(fā)相對陌生且適應(yīng)期較長，因此，在教學(xué)過程中需根據(jù)學(xué)生的實際進度靈活調(diào)整實操練習(xí)與理論講解的比例。

（3）嵌入式系統(tǒng)交叉開發(fā)環(huán)境配置

該部分聚焦于上下位機連接與通信的問題，這是嵌入式開發(fā)成功實施的關(guān)鍵步驟。通過模擬實際開發(fā)需求，鍛煉學(xué)生解決問題的能力，并熟悉Linux命令的應(yīng)用。在同一實驗室環(huán)境中，當(dāng)使用相同的網(wǎng)絡(luò)進行配置時，如何分配IP地址及如何避免沖突便成為了一個切實存在的工程挑戰(zhàn)，以此為契機，引導(dǎo)學(xué)生展開討論與思考。

（4）Linux內(nèi)核編譯

該部分旨在讓學(xué)生進行內(nèi)核的配置、裁剪和編譯，以此加深對操作系統(tǒng)的理解和進行定制化操作。實操時根據(jù)學(xué)生的掌握情況，可創(chuàng)設(shè)情景進行操作。

（5）UBoot編譯

該部分旨在讓學(xué)生認識UBoot，進行UBoot的配置和編譯，并得到處理器芯片的Bootloader下載程序。

（6）構(gòu)建Linux最小文件系統(tǒng)

該部分旨在讓學(xué)生認識FHS標(biāo)準(zhǔn)，能夠使用BusyBox源碼進行文件系統(tǒng)編譯、安裝和打包成系統(tǒng)鏡像等操作，以此加深學(xué)生對Linux操作系統(tǒng)的理解。針對該部分還可進行拓展，讓學(xué)生通過其他方法實現(xiàn)。

（7）嵌入式ARM板（GEC6818）上刷寫Linux系統(tǒng)

在學(xué)生完成上述第4、5、6條操作，獲得編譯的內(nèi)核、編譯的UBoot以及制作好的文件系統(tǒng)后，將以上3個部分刷入設(shè)備以完成刷機操作。此操作過程需謹慎，因為部分學(xué)生在編譯UBoot時可能會出現(xiàn)錯誤，導(dǎo)致刷機失敗。為避免此類情況，教師應(yīng)提前準(zhǔn)備好SD卡刷機恢復(fù)方案，以便在必要時幫助學(xué)生恢復(fù)設(shè)備。

（8）嵌入式Linux C網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計

該部分課程旨在進行Socket編程和Web服務(wù)器設(shè)計的教學(xué)，讓學(xué)生熟悉在Linux和Windows操作系統(tǒng)下進行Socket編程的技巧，并實現(xiàn)跨平臺的程序通信。通過這一實踐環(huán)節(jié)，綜合訓(xùn)練并提升學(xué)生的C語言開發(fā)能力。

（9）系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計

該部分課程內(nèi)容涵蓋了PC機與ARM機上的字符設(shè)備和塊設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計。通過學(xué)習(xí)，讓學(xué)生熟悉驅(qū)動程序的設(shè)計模板，并深入理解內(nèi)核的運行機制。

（10）Linux GUI應(yīng)用開發(fā)

該部分通過Qt程序?qū)崿F(xiàn)對驅(qū)動程序的調(diào)用，從而控制硬件設(shè)備，例如LED燈的開關(guān)、繼電器的閉合以及蜂鳴器的鳴叫等。這一實踐過程旨在幫助學(xué)生熟悉C++程序設(shè)計語言，并掌握ARM機上GUI（圖形用戶界面）程序設(shè)計的基本原理。

（11）安卓刷機及安卓程序設(shè)計

該部分的內(nèi)容會根據(jù)課程進度進行適當(dāng)調(diào)整。如果學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過安卓程序設(shè)計，則該部分內(nèi)容可跳過，不予詳細講解。

經(jīng)過上述重構(gòu)的內(nèi)容，全面覆蓋了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過在實驗室進行的現(xiàn)場講解與演示，以及學(xué)生的親身驗證與實際操作，增強學(xué)生的動手實踐能力，并激發(fā)學(xué)生的課程參與熱情與積極性。

2.3 構(gòu)建任務(wù)型教學(xué)模式

通過重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，對知識點進行了精心取舍，并著重加強了實踐操作內(nèi)容的學(xué)習(xí)，以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。然而，為了進一步提升學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)新性，還需要采用任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)方式。在這種模式下，學(xué)生將組隊并成為實施任務(wù)的主要角色，而教師則轉(zhuǎn)變?yōu)檩o助者和指導(dǎo)者的身份。在實施任務(wù)型教學(xué)時，任務(wù)的設(shè)置應(yīng)根據(jù)課程內(nèi)容和學(xué)生能力靈活調(diào)整：對于當(dāng)堂課程內(nèi)容相關(guān)的知識點，可以設(shè)置小任務(wù)；對于綜合性的學(xué)習(xí)內(nèi)容，則可以設(shè)置大任務(wù)或項目，并鼓勵學(xué)生提前準(zhǔn)備。實驗教學(xué)實施過程中實施的小任務(wù)見表1。

表1中所示的小任務(wù)與課堂內(nèi)的教學(xué)和實踐內(nèi)容相關(guān)，是在原教學(xué)內(nèi)容上的拓展或變相操作，目的是考察學(xué)生是否真正掌握了當(dāng)前課堂的內(nèi)容。每個實驗小組有專門的學(xué)生負責(zé)分配任務(wù)，并負責(zé)統(tǒng)計組內(nèi)成員的表現(xiàn)情況。下課之后，教師收集記錄并匯總，生成對每個學(xué)生的過程性考察資料，作為學(xué)習(xí)過程評判和學(xué)習(xí)干預(yù)的佐證，記錄項目包括日期、成員、學(xué)號、分配到的任務(wù)、任務(wù)表現(xiàn)、合作表現(xiàn)、掌握情況。

具體實施時，對任務(wù)完成情況進行具體量化，采用等級制，按優(yōu)、良、中、及格、差進行分級，并明確等級代表的實際意義。

大任務(wù)由教師提前布置并提供相關(guān)資料和咨詢，學(xué)生領(lǐng)取任務(wù)后，便進行分組、討論及實施。實施方案并不唯一，學(xué)生可根據(jù)個人查閱到的資料或者方法進行設(shè)計，任務(wù)完成后再集中進行匯報，最后由教師進行任務(wù)查驗和總結(jié)。實驗教學(xué)過程中實施的大任務(wù)見表2。

表2中的任務(wù)1，主要考察Socket多進程編程和圖片傳輸?shù)膶崿F(xiàn)，要求學(xué)生在Windows、Linux和ARM平臺之間實現(xiàn)相互傳輸功能；盡管該任務(wù)的難度適中，但由于涉及跨平臺傳輸，學(xué)生需要面對并解決可能出現(xiàn)的亂碼問題。通過克服這一挑戰(zhàn)，學(xué)生將能夠更深入地理解和掌握網(wǎng)絡(luò)編程的精髓。

表2中的任務(wù)2，是一個綜合性任務(wù)，任務(wù)中既包括嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)，也包括人工智能算法的開發(fā)；分類的對象既可以是文字也可以是圖片，分類結(jié)果以GUI的形式在ARM板顯示器上顯示，如圖1和圖2所示。

通過上述任務(wù)，以跨學(xué)科交叉融合的方式，將人工智能算法、網(wǎng)絡(luò)編程、嵌入式GUI開發(fā)融合到一起，鍛煉學(xué)生綜合解決問題的能力。

2.4 改革教學(xué)評價方式

在開展實踐性教學(xué)活動后，收集每節(jié)課每位學(xué)生的實驗報告、作業(yè)、作品（包括大小任務(wù)）以及記錄單等資料。這些資料是教師了解學(xué)生學(xué)習(xí)和思考過程的重要依據(jù)?；谶@些資料進行實踐性評分，能夠較為客觀地評價學(xué)生的努力和付出。為了激勵學(xué)生更加關(guān)注“嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)”課程并增強學(xué)習(xí)的主動性，在期末成績的評定中，降低了理論考試的比重，同時增加了實驗、作品和作業(yè)的分值比重。具體來說，會依據(jù)記錄單中記錄的學(xué)生表現(xiàn)情況，以及實驗報告、作品中學(xué)生的分工和完成情況，給予相應(yīng)的分值。

3 結(jié) 語

以上分析結(jié)果表明，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)應(yīng)當(dāng)適應(yīng)人才市場的需求，注重學(xué)生工程實踐、創(chuàng)新和多學(xué)科交叉融合等能力的培養(yǎng)。在教學(xué)中，需加強對學(xué)生主動學(xué)習(xí)和參與學(xué)習(xí)的激勵，通過增加過程性考察來肯定學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的付出。通過任務(wù)驅(qū)動的方式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在解決問題過程中不斷提高學(xué)生綜合運用知識和創(chuàng)新實踐的能力，這種做法對培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和工程能力具有積極的影響。

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收稿日期：2024-03-27 修回日期：2024-04-29

基金項目：廣州城市理工學(xué)院質(zhì)量工程項目資助（JY230156）

作者簡介：姜開永（1984—），男，碩士，講師，研究方向為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)、機器學(xué)習(xí)。

胡 赟（1968—），男，博士，副教授，研究方向為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)、無線通信。

周小明（1975—），男，碩士，講師，研究方向為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)、無線通信。