EPI教學(xué)法在嵌入式系統(tǒng)課程中的應(yīng)用

常 瑞，王瑞敏，劉春玲

（解放軍信息工程大學(xué) 四院，河南 鄭州 450002）

0 引 言

嵌入式系統(tǒng)課程作為計(jì)算機(jī)專業(yè)本科階段的一門專業(yè)課，教學(xué)內(nèi)容涉及硬件電路設(shè)計(jì)、C語言程序設(shè)計(jì)、匯編語言、操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)等多種內(nèi)容，嵌入式系統(tǒng)作為實(shí)現(xiàn)特定功能、進(jìn)行特定裁剪的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，又涉及不同應(yīng)用領(lǐng)域需要用到的不同體系架構(gòu)和軟硬件接口，所以該課程無論是對(duì)教員的教學(xué)，還是學(xué)員的學(xué)習(xí)，都帶來了不小的挑戰(zhàn)[1]。

嵌入式系統(tǒng)課程從教學(xué)目標(biāo)來看，具有綜合性和實(shí)踐性特征：綜合性體現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)往往涉及學(xué)科間的相互滲透和交叉，學(xué)科間的邊界被突破，學(xué)員需要具備多方面的綜合能力；實(shí)踐性體現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)的教與學(xué)離不開工程實(shí)踐的驗(yàn)證與探索，紙上談兵是行不通的，必須在實(shí)際的嵌入式系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)、驗(yàn)證相關(guān)的理論，才有可能進(jìn)一步創(chuàng)新。因此，嵌入式系統(tǒng)課程涵蓋了基礎(chǔ)理論、工程實(shí)踐和綜合創(chuàng)新等不同層次的教學(xué)目標(biāo)，旨在培養(yǎng)具備嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證的專業(yè)技術(shù)人才。

為實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)專業(yè)人才系統(tǒng)能力培養(yǎng)的目標(biāo)，打通最后的一公里，嵌入式系統(tǒng)課程成為系統(tǒng)能力培養(yǎng)課程體系建設(shè)中不可缺少的重要一環(huán)。筆者多年從事嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)，提出了適合于工程實(shí)踐類人才培養(yǎng)的EPI教學(xué)法[2]，并應(yīng)用于解放軍信息工程大學(xué)嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)中，經(jīng)過了3年的實(shí)踐檢驗(yàn)，取得了一定成效。

1 EPI教學(xué)法的內(nèi)涵

EPI（Engineering，Problem-based，Individuation）教學(xué)法分別代表工程實(shí)踐、問題導(dǎo)向和個(gè)性化培養(yǎng)這3個(gè)教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)。教學(xué)全過程結(jié)合完整的工程實(shí)踐案例展開，通過解決工程中實(shí)際存在的問題，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，螺旋上升，并反復(fù)這個(gè)過程，提高學(xué)員的工程創(chuàng)新能力，同時(shí)注重教學(xué)過程中的個(gè)性化培養(yǎng)。具體的內(nèi)涵包括以下幾方面。

1）工程實(shí)踐。

教員組織設(shè)計(jì)體現(xiàn)工程案例的教學(xué)內(nèi)容，改變線性式知識(shí)結(jié)構(gòu)，用工程案例串接各教學(xué)模塊，豐富引導(dǎo)式、討論式教學(xué)環(huán)節(jié)，從需求出發(fā)引出問題背景，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中完成知識(shí)的傳授。教學(xué)內(nèi)容緊跟學(xué)科發(fā)展前沿及教學(xué)實(shí)際需求，并不斷更新完善教學(xué)中的工程實(shí)踐案例。將滿足教學(xué)目標(biāo)的完整工程實(shí)踐案例融入教學(xué)全過程，促使架構(gòu)設(shè)計(jì)、任務(wù)分解、問題解決、團(tuán)隊(duì)合作和系統(tǒng)調(diào)試等工程實(shí)踐能力的提升。

2）問題導(dǎo)向。

貫徹以問題為導(dǎo)向的教學(xué)方法，課堂教學(xué)注重學(xué)員的參與度，課堂討論與課下自主學(xué)習(xí)相結(jié)合，基于BOPPPS教學(xué)法建立一套多層次教學(xué)環(huán)節(jié)組織模型，包含引入環(huán)節(jié)、課前調(diào)研、課堂講授、課后評(píng)估、總結(jié)歸納、課后延展等，依據(jù)學(xué)員認(rèn)知規(guī)律設(shè)計(jì)針對(duì)不同授課內(nèi)容的多樣化課堂組織方式，同時(shí)還總結(jié)出由頂層教學(xué)目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的“4S（Structure 、Students、Study、Stage）教 學(xué)法”。利用互動(dòng)教學(xué)、角色教學(xué)、分層教學(xué)、體驗(yàn)教學(xué)、問題教學(xué)、反饋教學(xué)、彈性教學(xué)等立體化教學(xué)方法開展教學(xué)活動(dòng)。

3）個(gè)性化培養(yǎng)。

個(gè)性化培養(yǎng)是一整套教學(xué)實(shí)施過程，能夠使學(xué)員在掌握課程基本知識(shí)的基礎(chǔ)上，結(jié)合教學(xué)目標(biāo)的不同維度，自主選擇學(xué)習(xí)能夠發(fā)揮其最大潛能的教學(xué)內(nèi)容，并選擇個(gè)性化的軟硬件平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在個(gè)性化培養(yǎng)的過程中，教員的主要做法包括：建立柔性可重構(gòu)可自選的學(xué)習(xí)框架，結(jié)合案例式教學(xué)的實(shí)施，讓學(xué)員自主選題、自行分工、自立完成，鼓勵(lì)結(jié)合個(gè)人能力和特點(diǎn)在嵌入式系統(tǒng)的“分析、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證”等不同維度自由發(fā)展，適當(dāng)允許部分維度的短板，由團(tuán)隊(duì)角色所對(duì)應(yīng)的能力維度作為主要考核指標(biāo)，該框架考慮學(xué)員的能力差異，既提高學(xué)習(xí)興趣又避免對(duì)特色人才的過度約束；融合多樣化量化考核方式，增加拍攝視頻、課堂展示、撰寫報(bào)告、項(xiàng)目答辯等考核環(huán)節(jié)，由自我評(píng)價(jià)、學(xué)員互評(píng)和教員總評(píng)等多種方式綜合決定最終評(píng)價(jià)結(jié)果，促進(jìn)學(xué)員在教學(xué)過程中的參與度，實(shí)現(xiàn)從“被動(dòng)學(xué)”到“主動(dòng)學(xué)”的心態(tài)轉(zhuǎn)變；注重持續(xù)反饋式評(píng)價(jià)，采用課前設(shè)問、階段評(píng)測(cè)的形式對(duì)學(xué)習(xí)進(jìn)程進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估，學(xué)員可根據(jù)過程評(píng)價(jià)結(jié)果及時(shí)調(diào)整學(xué)習(xí)進(jìn)度、團(tuán)隊(duì)分工和選題內(nèi)容，形成動(dòng)態(tài)彈性的教學(xué)機(jī)制。

2 基于工程案例的教學(xué)內(nèi)容組織

接軌計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)（計(jì)算機(jī)工程方向）規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中嵌入式系統(tǒng)（CE-ESY）的知識(shí)要求設(shè)置教學(xué)與實(shí)踐模塊，培養(yǎng)學(xué)員理解、分析、解決問題以及提出問題的能力，促使學(xué)員對(duì)專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)具備較強(qiáng)的分析判斷和深度挖掘能力，確保學(xué)員在擁有扎實(shí)專業(yè)基礎(chǔ)理論的同時(shí)，擁有較強(qiáng)的解決工程實(shí)際問題的能力，能夠理解嵌入式系統(tǒng)的體系架構(gòu)和微處理器結(jié)構(gòu)，能夠完成嵌入式系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)（見表1）。

3 面向解決問題的教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

由于嵌入式系統(tǒng)類型繁多、應(yīng)用廣泛，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐的開展，學(xué)員在學(xué)習(xí)過程中會(huì)出現(xiàn)各種各樣的教材、資料之外的實(shí)際工程問題。教員不可能在課堂上把所有的問題一一解決。因此，采取了問題導(dǎo)向的教學(xué)實(shí)施，把各種實(shí)際工程中會(huì)出現(xiàn)的問題作為重要的紐帶，將教員課堂講授、學(xué)員課下學(xué)習(xí)、實(shí)踐教學(xué)開展三者緊密結(jié)合在一起。

同時(shí)，建立起良性的反饋機(jī)制，使教員和學(xué)員都能及時(shí)得到反饋。教員能夠掌握學(xué)員在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)實(shí)踐中遇到的問題，及時(shí)調(diào)整課程內(nèi)容和講授進(jìn)度；學(xué)員能夠及時(shí)獲取有用的信息，調(diào)整下一步的實(shí)踐安排。

嵌入式系統(tǒng)原理課程中面向解決問題的教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)如圖1所示：“引入環(huán)節(jié)”“課前調(diào)研”“課堂講授”由教員主導(dǎo)；圍繞主線“提出問題—分析問題—剖析問題—解決問題—再提出問題”，學(xué)員深度參與課堂，成為教學(xué)活動(dòng)的主體；在不斷“實(shí)踐驗(yàn)證—剖析問題”的過程中尋找問題求解方式并最終給出解決方案；根據(jù)學(xué)員提出的問題解決方式，教員和學(xué)員共同完成“課后評(píng)估”“總結(jié)歸納”“課后延展”環(huán)節(jié)，并由學(xué)員在此基礎(chǔ)上再次提出問題，從而不斷深化對(duì)問題的理解。

圖1 面向解決問題的教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

4 以個(gè)性化培養(yǎng)為目標(biāo)的教學(xué)實(shí)施

在嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)中，始終貫穿個(gè)性化培養(yǎng)的思路，從嵌入式平臺(tái)的選擇、項(xiàng)目的選題到演示的方式都由學(xué)員自主選擇，給了學(xué)員最大的自由度。個(gè)性化培養(yǎng)對(duì)于挖掘拔尖學(xué)員、提高學(xué)習(xí)主動(dòng)性和創(chuàng)造性具有顯著成效。

在解放軍信息工程大學(xué)進(jìn)行了EPI教學(xué)法的實(shí)施經(jīng)過3個(gè)學(xué)期的探索與實(shí)踐，取得了明顯成效。以2018—2019年上學(xué)期解放軍信息工程大學(xué)某專業(yè)班的嵌入式系統(tǒng)課程（40學(xué)時(shí)）為例，教學(xué)內(nèi)容以ARM體系結(jié)構(gòu)為主體，授課方式由原來“理論授課+實(shí)踐教學(xué)”的模式調(diào)整為以EPI教學(xué)法貫穿的“理論授課+分組實(shí)踐教學(xué)+項(xiàng)目驗(yàn)收”的形式。教學(xué)對(duì)象共計(jì)64名學(xué)員，分為8個(gè)大組（24個(gè)小組），組內(nèi)成員由學(xué)員自己選定，為組內(nèi)交流和實(shí)驗(yàn)合作提供了條件。

課程全部在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)展開，前20個(gè)學(xué)時(shí)采用“教員講授+集中實(shí)驗(yàn)+課堂演示”的方式，教員從講授者變身參與者，參與到各組學(xué)員的實(shí)驗(yàn)中去，共同查找問題、解決問題，確保能和學(xué)員進(jìn)行有效溝通和交流，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)相長；后20個(gè)學(xué)時(shí)則采用“自主實(shí)驗(yàn)+分組研討+項(xiàng)目驗(yàn)收”的方式，實(shí)驗(yàn)室從實(shí)驗(yàn)主陣地變成了展示交流的主陣地，學(xué)員利用課余時(shí)間完成基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和自己感興趣的簡(jiǎn)單綜合實(shí)驗(yàn)，上課時(shí)間集中展示，并與大家分享經(jīng)驗(yàn)，交流問題。這些措施提高了學(xué)員自主學(xué)習(xí)的能力，同時(shí)也提高了發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的工程化思想和創(chuàng)新意識(shí)。

課程考核方式也由原來的“平時(shí)成績+最終實(shí)驗(yàn)成績”變?yōu)椤靶纬尚猿煽儭?，考核?nèi)容貫穿教學(xué)始末。最終成績包括6部分：平時(shí)成績20%+基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)20%+課堂實(shí)驗(yàn)展示10%+創(chuàng)新綜合性實(shí)驗(yàn)30%+個(gè)人實(shí)驗(yàn)報(bào)告20%。最終，各大組共組織研討交流6次（課堂教學(xué)時(shí)間占比20%），課堂展示達(dá)到40余人次（學(xué)員人數(shù)占比超過60%），全部學(xué)員均完成了STM32開發(fā)板上（包括阿波羅、探索者、戰(zhàn)艦等）的10以上基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，全部小組都完成一個(gè)以上創(chuàng)新綜合性實(shí)驗(yàn)。在最后的項(xiàng)目驗(yàn)收環(huán)節(jié)，每個(gè)小組的成員進(jìn)行作品展示并答辯，其中有9個(gè)小組利用攝像頭、溫度傳感器、藍(lán)牙、音響等附加模塊，出色完成了智能小車尋跡避障、模擬行車記錄儀、激光測(cè)距、智能電視APP、營門開關(guān)警報(bào)、網(wǎng)絡(luò)通信、萬年歷、防火警報(bào)、智能養(yǎng)豬等創(chuàng)新性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)。

學(xué)員在學(xué)習(xí)過程中付出了很多時(shí)間和汗水，教學(xué)效果超過預(yù)期。實(shí)踐證明，嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)可以不依賴于統(tǒng)一的教學(xué)內(nèi)容、上課方式和考核標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)員通過基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、軟硬件設(shè)計(jì)、組裝調(diào)試、拍攝實(shí)驗(yàn)視頻、課堂展示、撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告等多種方式，在不斷總結(jié)提升中找到了實(shí)驗(yàn)過程的樂趣，提高了自我發(fā)現(xiàn)、自我總結(jié)的能力。

5 結(jié) 語

EPI教學(xué)法目前在嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)實(shí)施中已取得了良好的效果，得到了學(xué)員的認(rèn)可，提高了學(xué)員學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。然而，在教學(xué)過程中也存在一些問題：工程案例的選擇，不同基礎(chǔ)學(xué)員的接受程度存在較大差異，筆者將通過今后的教學(xué)實(shí)施不斷豐富案例庫，實(shí)現(xiàn)多個(gè)平臺(tái)上的案例作品的展示；個(gè)性化的培養(yǎng)方式，對(duì)于基礎(chǔ)較差、工程能力相對(duì)較弱的學(xué)員，目前缺少有效的促進(jìn)和鼓勵(lì)方法，小組之間，甚至小組內(nèi)部都會(huì)產(chǎn)生一定的差距。筆者將結(jié)合教學(xué)實(shí)際情況，進(jìn)行了反思與總結(jié)，為下一步的教學(xué)改革積累經(jīng)驗(yàn)。