競賽牽引下的嵌入式系統(tǒng)教學改革

唐永鶴 何紅旗 王瑞敏 井靖

摘 要：在分析嵌入式系統(tǒng)課程教學特點的基礎(chǔ)上，針對當前嵌入式系統(tǒng)教學中系統(tǒng)性不強、實踐安排不合理等問題，提出一種競賽牽引下的嵌入式系統(tǒng)教學改革方法。該方法立足于嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識，在大學生競賽相關(guān)要求的牽引下，從激發(fā)學生學習興趣、鍛煉學生綜合能力、培養(yǎng)學生系統(tǒng)觀與創(chuàng)新思維著手進行改革，輔以貫穿教學全程的過程性考核方式。教學實踐表明，該方法教學效果良好，能夠有效提高學生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新意識。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng);教學改革;綜合能力;過程性考核

DOI：10. 11907/rjdk. 182207

中圖分類號：G434文獻標識碼：A文章編號：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)是以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟、硬件可裁剪，適應于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)[1]，涉及先進的計算機技術(shù)、半導體技術(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、軍事國防等領(lǐng)域應用十分廣泛。相應地，上述各行業(yè)對嵌入式技術(shù)人才需求也與日俱增。為此，國內(nèi)眾多高校在本科培養(yǎng)計劃中開設(shè)了嵌入式技術(shù)的相關(guān)課程，并就如何培養(yǎng)適應市場需求的嵌入式專業(yè)人才進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)教學效果的基礎(chǔ)上，對嵌入式系統(tǒng)課程項目引領(lǐng)式教學進行探討，在教學項目設(shè)置、考核方式等方面進行了改革;盧燦舉[8]將案例教學引入到嵌入式系統(tǒng)課程教學改革實踐中，具有較大的參考價值;李建榮等[9]提出結(jié)合實踐與項目推動嵌入式系統(tǒng)雙語教學的改革思路;吳立峰[10]提出問題驅(qū)動的嵌入式系統(tǒng)教學模式，并結(jié)合實例闡述了問題驅(qū)動教學方法及教學案例;陳德富等[11]針對研究生嵌入式系統(tǒng)教學提出學術(shù)興趣驅(qū)動的新型教學方案。上述方法取得了很好的教學效果，但仍存在一定的局限性，在激發(fā)學生學習興趣、鍛煉學生綜合能力、培養(yǎng)學生系統(tǒng)觀與創(chuàng)新思維方面還存在一定提升空間。為此，本文提出一種競賽牽引下的嵌入式系統(tǒng)教學改革方法，該方法立足于計算機相關(guān)基礎(chǔ)知識，緊貼嵌入式技術(shù)的最新發(fā)展，以競賽形式引導學生從當前生活中發(fā)現(xiàn)問題、提出解決方案、設(shè)計并實現(xiàn)相應的嵌入式系統(tǒng)，將知識傳授、能力鍛煉與創(chuàng)新思維培養(yǎng)貫穿于整個過程，教學效果良好。

1 嵌入式系統(tǒng)教學特點及現(xiàn)狀

嵌入式系統(tǒng)教學具有如下特點：①綜合性強。嵌入式系統(tǒng)以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，涉及電子、通信、自動控制等多種專業(yè)知識，是一種綜合性技術(shù)。其次，嵌入式系統(tǒng)包括硬件與軟件，二者相互配合實現(xiàn)系統(tǒng)特定功能，其中硬件涉及處理器、存儲器、輸入輸出設(shè)備、電源、時鐘等，軟件又可分為驅(qū)動層、操作系統(tǒng)層與應用層軟件;②實踐性強。嵌入式系統(tǒng)以應用為中心，面向?qū)嵺`，并且隨著需求變化與技術(shù)進步不斷更新，這意味著嵌入式系統(tǒng)教學應以理論為基礎(chǔ)，以實踐應用為主要目標，重點培養(yǎng)學生解決實際問題的工程實踐能力及創(chuàng)新思維。

嵌入式系統(tǒng)的教學特點決定了該課程教學應當圍繞夯實學生理論基礎(chǔ)、鍛煉學生綜合能力、培養(yǎng)學生系統(tǒng)觀及創(chuàng)新思維展開，但嵌入式系統(tǒng)教學現(xiàn)狀與目標還有一定差距。具體表現(xiàn)在以下3個方面：

（1）嵌入式系統(tǒng)理論教學內(nèi)容一般包括嵌入式系統(tǒng)硬件（包括嵌入式處理器、存儲器、外部I/O等）、嵌入式系統(tǒng)軟件（引導加載程序、操作程序、應用軟件等）、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具與嵌入式最新技術(shù)等，高校根據(jù)授課對象具體情況而有所側(cè)重，教學內(nèi)容呈模塊化，學生難以從系統(tǒng)角度理解相關(guān)知識。實踐教學大多是在給定的硬件平臺上編程實現(xiàn)規(guī)定的功能，對學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、硬件平臺構(gòu)建等環(huán)節(jié)，不利于提高學生分析、解決問題的能力，也不利于學生對嵌入式系統(tǒng)軟硬件全局把握和認識。

（2）盡管目前嵌入式系統(tǒng)教學對實踐的重視程度有所增強，實驗內(nèi)容也由驗證性實驗向基礎(chǔ)實驗與綜合實驗相結(jié)合的方式轉(zhuǎn)變，但是實驗內(nèi)容大多是老師預先設(shè)置好的或者受限于使用的硬件系統(tǒng)。這種實驗安排使部分學生對相關(guān)實驗內(nèi)容興趣寥寥，無法充分發(fā)揮學生主動性和創(chuàng)造性;另一方面，由于實驗平臺更新較慢，一些涉及新技術(shù)的相關(guān)實驗無法在老舊平臺上開展，導致教學及實驗內(nèi)容與最新技術(shù)發(fā)展脫節(jié)。

（3）嵌入式系統(tǒng)教學對知識傳授、實踐能力鍛煉的重視程度較高，而對實驗報告等文檔撰寫能力、實驗成果展示匯報等語言表達及溝通能力鍛煉機會較少，而后兩者對學生今后工作影響十分巨大。因此，現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)教學在培養(yǎng)學生綜合能力方面還存在一定提升空間。

2 教學改革具體措施

針對嵌入式系統(tǒng)教學中存在的問題，以大學生競賽為牽引，采用3-4人一組的分組形式，將實驗內(nèi)容選題、方案設(shè)計、方案實現(xiàn)、結(jié)果展示匯報貫穿于嵌入式系統(tǒng)課程教學整個過程，重點從激發(fā)學生學習興趣、鍛煉學生綜合能力、培養(yǎng)學生系統(tǒng)觀和創(chuàng)新思維等方面進行嵌入式系統(tǒng)教學改革。

2.1 激發(fā)學生學習興趣

在理論教學方面，單純的理論講授十分枯燥乏味，學生不僅難以理解掌握，而且易產(chǎn)生厭學情緒。為此，通過收集、整理學生的畢業(yè)設(shè)計、電子設(shè)計競賽、物聯(lián)網(wǎng)競賽等作品構(gòu)建教學案例庫，根據(jù)各個案例中的嵌入式系統(tǒng)知識點，將其應用到相應理論教學環(huán)節(jié)中，將抽象的理論具體化，增加理論教學趣味性。

在實踐教學環(huán)節(jié)，堅持以“學生為主體”的基本原則，引導學生發(fā)現(xiàn)當前生活、工作或?qū)W習中存在的問題，并從中選擇難易適中、熟悉而又感興趣的問題作為實驗內(nèi)容，與學生一起討論并制定問題解決方案，鼓勵學生利用所學嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識、嵌入式最新技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)相關(guān)資源加以實現(xiàn)，充分調(diào)動學生積極性和創(chuàng)造性。

2.2 鍛煉學生綜合能力

嵌入式系統(tǒng)教學過程中既要著力提高學生工程實踐能力，同時也應大力培養(yǎng)學生文檔撰寫與語言表達能力，提高學生綜合素質(zhì)。

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

（2）文檔撰寫能力。研究方案是競賽初選參考的重要依據(jù)，因此研究方案的撰寫是相當重要的一環(huán)。本科學生在此之前一般文檔撰寫經(jīng)驗不足，存在不知應該寫什么內(nèi)容，或者所寫文檔存在邏輯混亂、語句不通順、格式不規(guī)范等一系列問題。為此，老師會和學生一起討論寫什么內(nèi)容，確定文檔提綱，再逐步充實相關(guān)內(nèi)容。同時，對于學生所寫文檔中邏輯、語句、格式等方面的問題，與學生一起討論修改。通過幾輪修改完善，一般可以顯著提高學生文檔撰寫能力。

（3）語言表達能力。在教學過程中發(fā)現(xiàn)有的學生工程實踐能力很強，實驗結(jié)果也很好，但卻不能簡潔、清晰地將自己所做的工作及其與眾不同之處表述出來，語言表達能力較為欠缺，而現(xiàn)實中該能力十分重要，甚至直接影響到最終成敗。為此，在嵌入式系統(tǒng)教學過程中，應注重鍛煉學生語言表達能力。一方面，引導學生積極參與課堂討論及小組交流溝通;另一方面，要求學生在完成實驗方案設(shè)計后，匯報設(shè)計方案，回答老師提問;在實驗完成后，學生需制作PPT并在規(guī)定時間內(nèi)進行成果展示匯報。

2.3 培養(yǎng)學生系統(tǒng)觀與創(chuàng)新思維

為培養(yǎng)學生系統(tǒng)觀，在理論講授環(huán)節(jié)，注重發(fā)揮案例教學的優(yōu)勢，先從系統(tǒng)角度對案例進行分析，再對案例中的軟硬件進行解剖。嵌入式系統(tǒng)教學實踐設(shè)置則采用全開放式，由學生自行發(fā)現(xiàn)問題、分析問題關(guān)鍵所在、制定問題解決方案、構(gòu)建軟硬件環(huán)境、編程實現(xiàn)、測試驗證，整個過程以學生為主體、老師為指導，使學生親身體驗工程實踐的每個環(huán)節(jié)，培養(yǎng)其從系統(tǒng)角度考慮任務需求、軟硬件劃分與協(xié)同等能力。

為培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維，在嵌入式系統(tǒng)教學過程中堅持學生主體地位，引導學生發(fā)現(xiàn)生活中存在的痛點問題，啟發(fā)學生立足于嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識，結(jié)合計算機、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)學生創(chuàng)新意識，充分挖掘?qū)W生創(chuàng)造力。

2.4 過程性考核方式

課程考核采用過程性考核方式，即考核貫穿于課程整個過程?？己藘?nèi)容弱化對死記硬背知識的考核，強化對知識理解與應用能力的考核，適當突出對探究創(chuàng)新的考核。課程最終成績由平時作業(yè)、課堂討論表現(xiàn)、實驗成績和考試成績組成，各部分所占分值及其考核參考依據(jù)見表1。

3 教學改革實際效果

三屆學生的教學實踐表明，本文采用的嵌入式系統(tǒng)教學改革方法具有較好的教學效果，選課學生不僅掌握了嵌入式系統(tǒng)基本原理與設(shè)計過程，且能夠?qū)崿F(xiàn)一個簡單并具有實際應用價值的嵌入式系統(tǒng)。學員工程實踐能力、創(chuàng)新意識也顯著增強，在2015級信息安全專業(yè)學生中有3個小組利用攝像頭、溫度傳感器、藍牙、音響等附加模塊，實現(xiàn)了機器人滅火、音樂播放器等創(chuàng)新性實驗。

在全國大學生Robomasters機器人競賽、全國大學生物聯(lián)網(wǎng)競賽的相關(guān)賽事中，參賽學生也取得了優(yōu)異成績，其中2016-2017年大學生競賽獲獎情況如表2所示，相關(guān)參賽作品申請專利2項。尤其是在2017年9月物聯(lián)網(wǎng)總決賽中，參賽的兩支團隊經(jīng)過調(diào)試、展示、答辯、交叉評審、十二強循環(huán)賽等環(huán)節(jié)的激烈角逐，從入圍全國總決賽的120支隊伍中脫穎而出，雙雙獲得全國總決賽一等獎。

4 結(jié)語

在分析嵌入式系統(tǒng)課程教學特點與當前嵌入式系統(tǒng)教學現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對競賽牽引下的嵌入式系統(tǒng)教學改革進行了探討，以激發(fā)學生學習興趣、鍛煉學生綜合能力、培養(yǎng)學生系統(tǒng)觀及創(chuàng)新思維、改進考核方式等方面為突破點進行改革，教學實踐表明該方法可較好地提高學生綜合素質(zhì)與創(chuàng)新意識。

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（責任編輯：江 艷）