問題驅(qū)動(dòng)的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)模式探討

吳立鋒

首都師范大學(xué)信息工程學(xué)院 北京 100048

問題驅(qū)動(dòng)的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)模式探討

吳立鋒

首都師范大學(xué)信息工程學(xué)院 北京 100048

介紹了嵌入式系統(tǒng)概念及其在社會(huì)發(fā)展中的作用，并針對(duì)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中存在的不足，提出了問題驅(qū)動(dòng)的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)模式，并結(jié)合實(shí)例闡述了問題驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方法和教學(xué)案例，并對(duì)問題驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式的優(yōu)勢和不足做了進(jìn)一步的探討。

問題驅(qū)動(dòng)；嵌入式系統(tǒng)；教學(xué)模式

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)、軟件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”[1]。它融合了微電子、計(jì)算機(jī)硬件、通信和電子工程等多種技術(shù)，廣泛應(yīng)用于航天、航空、工業(yè)控制、汽車電子、通信、信息、家電、醫(yī)療儀器等領(lǐng)域[2]。特別是近年來發(fā)展如火如荼的無人機(jī)、機(jī)器人、3D打印、智能制造等領(lǐng)域均是以嵌入式系統(tǒng)為基礎(chǔ)。

國內(nèi)外高校的信息類專業(yè)都開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)課程。20世紀(jì)90年代，美國科羅拉多州立大學(xué)、華盛頓大學(xué)等一些著名大學(xué)率先開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)課程。21世紀(jì)初，我國一些院校也相繼開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)課程。近年來，國內(nèi)重點(diǎn)院校甚至高職學(xué)院、社會(huì)的培訓(xùn)機(jī)構(gòu)都開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)課程，并且都作為精品課程重點(diǎn)建設(shè)[3-5]。

嵌入式系統(tǒng)作為信息類的核心課程之一，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的工程創(chuàng)新實(shí)踐能力和就業(yè)能力具有十分重大的意義。然而，由于其建立在多學(xué)科基礎(chǔ)之上(模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、C語言、匯編語言、信號(hào)系統(tǒng)等)，且具有面向特定應(yīng)用、技術(shù)密集和發(fā)展迅速等特點(diǎn)，因此，如何讓學(xué)生更好地掌握嵌入式系統(tǒng)的基本知識(shí)，具備嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的技能，培養(yǎng)學(xué)生不斷創(chuàng)新的思維，已成為各個(gè)高校所關(guān)注的問題。許多一線教師根據(jù)自己教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，不斷嘗試新的教學(xué)模式來提高教學(xué)效果。如案例教學(xué)、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、實(shí)踐與項(xiàng)目結(jié)合等[6-9]。這些方法都取得了很好的效果，但都有其局限性，如項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，前期需要掌握一定的知識(shí)，因此更適合后半學(xué)期的課程設(shè)計(jì)。為此，我們結(jié)合多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，嘗試采用不同的教學(xué)方法提高教學(xué)質(zhì)量。

1 嵌入式系統(tǒng)教學(xué)現(xiàn)狀

首都師范大學(xué)信息工程學(xué)院從學(xué)院成立起，面向信息工程、電子信息工程專業(yè)開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)課程以及嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，以“強(qiáng)化基礎(chǔ)、重視實(shí)踐、培養(yǎng)能力、突出創(chuàng)新”為指導(dǎo)思想，注重培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科研究與開發(fā)實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)合作與學(xué)習(xí)創(chuàng)新的職業(yè)素質(zhì)。多年來本課程的建設(shè)一直受到學(xué)院的高度重視和持續(xù)支持。在眾多教師的辛勤耕耘下，嵌入式系統(tǒng)課程體系茁壯成長，發(fā)展壯大，成為信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)專信息工程、電子信息工程專業(yè)的一個(gè)重要的課程體系和教學(xué)內(nèi)容，涌現(xiàn)出了一批經(jīng)驗(yàn)豐富、成績斐然的優(yōu)秀教師，為本課程的建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但是嵌入式計(jì)算技術(shù)發(fā)展迅速，日新月異，出現(xiàn)了許多新的思想與技術(shù)，如何在現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容中體現(xiàn)出這些最新的發(fā)展，如何培養(yǎng)出能滿足當(dāng)前發(fā)展需要的高素質(zhì)人才等，這些對(duì)我們提出了新的挑戰(zhàn)。鑒于對(duì)本課程多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，我們嘗試采用問題驅(qū)動(dòng)的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)模式激發(fā)學(xué)生潛在的學(xué)習(xí)欲望，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，獲得較好的學(xué)習(xí)效果。

2 問題驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式

問題驅(qū)動(dòng)教學(xué)是以學(xué)生為主體、以專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的各種問題為學(xué)習(xí)起點(diǎn)，以問題為核心規(guī)劃學(xué)習(xí)內(nèi)容，讓學(xué)生圍繞問題尋求解決方案的一種學(xué)習(xí)方法[10]。這種教學(xué)方法可以較好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，使學(xué)生從被動(dòng)接受知識(shí)到主動(dòng)解決問題，且在解決問題的過程中自己深入掌握所需的知識(shí)。這種教學(xué)模式漸成主流模式，已在多個(gè)課程中得以應(yīng)用。如數(shù)學(xué)、社會(huì)學(xué)、信息學(xué)科等[11-16]，并取得較好的效果。鑒于嵌入式系統(tǒng)知識(shí)點(diǎn)零散，之間卻相互聯(lián)系，填鴨式的教學(xué)使學(xué)生興趣漸失，只有變被動(dòng)接受為主動(dòng)學(xué)習(xí)，才能有較好的效果。采用問題驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式具有這種優(yōu)勢，但同時(shí)，該教學(xué)模式最大的難點(diǎn)在于如何設(shè)計(jì)出較好的問題，既能夠涵蓋所需掌握的知識(shí)點(diǎn)，又能夠?qū)⒅R(shí)點(diǎn)相互緊密耦合起來，而非孤立的知識(shí)點(diǎn)。因此，教師作為問題的提出者、課程的設(shè)計(jì)者、結(jié)果的評(píng)估者，需要熟悉掌握整個(gè)內(nèi)容。

2.1 問題驅(qū)動(dòng)的嵌入式系統(tǒng)課程組織

嵌入式系統(tǒng)該主要學(xué)習(xí)ARM技術(shù)和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，主要內(nèi)容包括嵌入式系統(tǒng)的概念、應(yīng)用、發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)，ARM的尋址、寄存器、指令，ARM匯編語言，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)基本概念等。我們將本課程的主要知識(shí)點(diǎn)全部凝練成13個(gè)問題，提前公布，在理論教學(xué)時(shí)，點(diǎn)明問題所涉及的知識(shí)點(diǎn)。再將學(xué)生分組，進(jìn)行任務(wù)分配，小組獨(dú)立學(xué)習(xí)，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，不指定教材，要學(xué)生通過各種渠道獲取參考資料，并討論形成圍繞該問題的一個(gè)知識(shí)框架圖。最后，每個(gè)小組制作PPT匯報(bào)對(duì)問題的分析和解答。最后一個(gè)過程至關(guān)重要，教師需要準(zhǔn)確把握，修正、補(bǔ)充問題的解答。整個(gè)過程以學(xué)生團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)為主、教師輔導(dǎo)為輔，但需教師掌控全局。

嵌入式系統(tǒng)課程總共32學(xué)時(shí)，持續(xù)16周，每周2學(xué)時(shí)，我們將其設(shè)計(jì)成13個(gè)問題，具體問題及相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容如表1所示。

表1 問題及相應(yīng)教學(xué)內(nèi)容

2.2 問題驅(qū)動(dòng)的嵌入式系統(tǒng)課程問題案例

以問題一“嵌入式系統(tǒng)的概念、分類、應(yīng)用及發(fā)展趨勢分別是什么？”為例。

首先，讓學(xué)生仔細(xì)考慮這個(gè)問題，這雖然是一道問題，但需要學(xué)生將問題進(jìn)一步展開、細(xì)化，并找出所涉及的知識(shí)點(diǎn)。(1)嵌入式系統(tǒng)的概念，從不同的角度都可以給出不同的說法，但核心是“應(yīng)用”“專用”等，那么這些術(shù)語的概念又如何解釋？既然嵌入式系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，那兩者的區(qū)別、聯(lián)系分別是什么？由此，可加深“通用”和“專用”的理解。(2)嵌入式系統(tǒng)分類，分類的標(biāo)準(zhǔn)是什么，不同的標(biāo)準(zhǔn)可以分成不同的類，每類的特點(diǎn)是什么。(3)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用有哪些，這部分需要調(diào)研各種材料，從空天到地海，從軍用到民用，列舉出實(shí)際應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)。(4)嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，這需要查閱文獻(xiàn)，并結(jié)合當(dāng)前最新技術(shù)，如可穿戴產(chǎn)品、虛擬現(xiàn)實(shí)、機(jī)器人、大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)等前沿?zé)狳c(diǎn)技術(shù)，來分析嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。深入剖析一個(gè)問題，并把問題轉(zhuǎn)化成多個(gè)小問題，了解每個(gè)問題所涉及的概念實(shí)質(zhì)。如此，便可對(duì)問題一有較好的理解。同時(shí)，通過學(xué)生對(duì)問題的分析，可以激發(fā)學(xué)生嵌入式系統(tǒng)的熱情，變枯燥的技術(shù)為可見的實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)。

然后，讓每組學(xué)生將這一問題及問題的延伸所涉及的知識(shí)點(diǎn)構(gòu)建一個(gè)知識(shí)點(diǎn)框圖，小組內(nèi)部討論，查閱文獻(xiàn)，討論每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的理解。

接著，進(jìn)行匯總，做PPT匯報(bào)問題的解答。通過各個(gè)組的匯報(bào)，找出共同的和差異的，全班討論。

最后，給出這個(gè)問題的解釋。同樣，對(duì)于其余12個(gè)問題，我們也按如此思路進(jìn)行。

3 結(jié)束語

嵌入式系統(tǒng)是軟硬結(jié)合的系統(tǒng)，如何有效提高其教學(xué)的效果是高校所關(guān)注的熱點(diǎn)。問題驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式能夠較好地將嵌入式系統(tǒng)零散的知識(shí)點(diǎn)穿插起來，通過設(shè)定問題(如魚骨)，讓學(xué)生為主體，填充知識(shí)點(diǎn)(如魚肉)。這樣，不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，更可以在尋求問題答案的過程中，通過廣泛查閱文獻(xiàn)，實(shí)時(shí)了解當(dāng)前技術(shù)與發(fā)展，擴(kuò)展視野；在小組討論中，互相激發(fā)，互相補(bǔ)充；在成果匯報(bào)中，通過報(bào)告提高表達(dá)的邏輯性、準(zhǔn)確性、完備性。但同時(shí)，盡管以學(xué)生為主體，教師輔助，但該教學(xué)模式需要教師依據(jù)情景合理設(shè)置問題，如在問題十二中，教師應(yīng)該給出一個(gè)合適的系統(tǒng)要求，涉及輸入、輸出、傳輸、存儲(chǔ)等，該系統(tǒng)應(yīng)既有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值，又不能過于龐大。另外，教師要能夠掌控進(jìn)度，實(shí)時(shí)了解學(xué)生的進(jìn)展，并加以調(diào)整。問題驅(qū)動(dòng)的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)模式運(yùn)用得當(dāng)，能夠有效提高教學(xué)效率，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新潛能。

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Research on the Embedded System Teaching Model Based on Problem-driving

Wu Lifeng
College of Information Engineering,Capital Normal University,Beijing,100048,China

In this paper,the concept of embedded system and its role in the development of the society is introduced.According to the status analysis of the embedded system teaching,a teaching model based on problem-driving is put forward.Combined with the teaching methods and teaching cases,advantages and disadvantages of this method are further discussed.

problem-driving;embedded system;teaching model

吳立鋒，博士，副教授。

首都師范大學(xué)校級(jí)教學(xué)改革研究項(xiàng)目“基于問題驅(qū)動(dòng)的《嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)》教改模式研究”；教育部高等教育司2016年第二批產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目(編號(hào)：201602011013)。