“嵌入式系統(tǒng)”教學(xué)生態(tài)環(huán)境的構(gòu)建探索與實踐

竇亞玲 周 龍 蔡美玲

（[1]湖南師范大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 湖南·長沙 410081；[2]廣州粵嵌通信科技股份有限公司湖南分公司 湖南·長沙 410000）

0 引言

2017 年，教育部推動了“新工科”發(fā)展戰(zhàn)略?！秶鴦?wù)院辦公廳關(guān)于深化產(chǎn)教融合的若干意見》提出，要“適應(yīng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革及新經(jīng)濟發(fā)展，促進學(xué)科專業(yè)交叉融合，加快推進新工科建設(shè)”。[1]“一方面設(shè)置和發(fā)展一批新興工科專業(yè)，加強建設(shè)和提升質(zhì)量；另一方面要推動現(xiàn)有工科專業(yè)的改革創(chuàng)新，探索符合工程教育規(guī)律和時代特征的新培養(yǎng)模式”。[2]對現(xiàn)有的教學(xué)課程體系與教學(xué)模式進行改革，構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的教學(xué)生態(tài)環(huán)境成為重要環(huán)節(jié)。創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目的實施為構(gòu)建多元主體協(xié)同育人的機制，促進產(chǎn)教深度融合、學(xué)校與企業(yè)聯(lián)合發(fā)力培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神、創(chuàng)業(yè)意識、創(chuàng)造能力與實踐能力的人才提供了機遇與強有力的保障。

近年來，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)在新信息領(lǐng)域飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)涉及的內(nèi)涵與外延知識在不斷迭代更新，多學(xué)科跨領(lǐng)域結(jié)構(gòu)在逐步形成、多樣化應(yīng)用模式日新月異。新技術(shù)與新經(jīng)濟發(fā)展使得“嵌入式系統(tǒng)”課程的教學(xué)改革迫在眉睫。為培養(yǎng)具有可持續(xù)競爭力的創(chuàng)新人才，建立可持續(xù)的教學(xué)生態(tài)環(huán)境，重構(gòu)課程體系與課程內(nèi)容，升級考核標(biāo)準。

1 嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)生態(tài)環(huán)境的構(gòu)建方法

《教育信息化2.0 行動計劃》指出，要推動新技術(shù)支持下教育的模式變革和生態(tài)重構(gòu)，推進信息技術(shù)和智能技術(shù)深度融入教育教學(xué)全過程。[3]作者近六年一線教學(xué)實踐中以計算機、軟件等工科專業(yè)的教學(xué)計劃與實施實際情況為切入點，將原有的理論與實踐教學(xué)有機融合，構(gòu)建出有機的教學(xué)生態(tài)環(huán)境模型，即從教材處理、課時重組、課程內(nèi)容重構(gòu)、教學(xué)體系同步工程體系、量化考核升級等不同點切入，畫線成面構(gòu)建可持續(xù)的教學(xué)生態(tài)環(huán)境。

1.1 可持續(xù)性教學(xué)資源生態(tài)環(huán)境構(gòu)建

“嵌入式系統(tǒng)”是一門實踐程度要求很高的課程，[4,5]技術(shù)日新月異，傳統(tǒng)教材具有時間和空間的多重局限性。2015-2017我們采用的是ARM 920T系列芯片，當(dāng)時市面教材僅僅只有講原理沒有針對性具體芯片模塊的實操方案與程序代碼，全部實操方案都是本文作者測試調(diào)試完成，費時費力。2018 年嵌入式工程師培訓(xùn)主流芯片升級換代成Cortex A系列，與此同時市場上STM32 成為輕量級嵌入式教學(xué)的首選。針對上述現(xiàn)狀，我們結(jié)合企業(yè)實際開發(fā)環(huán)境的操作模式，教學(xué)中采用了官方數(shù)據(jù)手冊取代傳統(tǒng)教材，運用官方提供的固件庫作為編程指南和案例工具，對于保障基礎(chǔ)性知識、系統(tǒng)性原理、技術(shù)實時性進展以及操作技能類的知識由課程老師制作成視頻與圖文手冊分享給學(xué)生。通過這些措施，傳統(tǒng)的教材模式被動態(tài)的可持續(xù)發(fā)展的滿足教學(xué)要求全覆蓋的多元化教學(xué)資源信息生態(tài)環(huán)境取代。

1.2 通過課時重組的方法重構(gòu)教學(xué)過程生態(tài)

校內(nèi)課程多數(shù)以兩課時為基本單元，而對于嵌入式這種實操性的課程，理論與實踐是融合的，很難簡單區(qū)分理論幾個課時，實踐幾個課時。從2015-2019 五年線下教學(xué)到2020 線上教學(xué)，我們在一線教學(xué)過程中不斷優(yōu)化方案。六年實踐表明，較優(yōu)的課時安排是以4 學(xué)時為一個單元，其中每個單元設(shè)立一個獨立的開發(fā)小項目，通過1 課時分析項目如何實施，涉及的理論知識點是什么，通過2 課時引導(dǎo)學(xué)生利用數(shù)據(jù)手冊找到解決方案，最后1 學(xué)時以學(xué)生為主體編寫代碼在開發(fā)板上實現(xiàn)。4 學(xué)時連續(xù)單元的學(xué)習(xí)是連貫緊湊的，過程思維邏輯是嚴密流暢的。

涉及較為復(fù)雜的綜合項目，比如智能小車、無人機、平衡車、智能醫(yī)療等項目，教學(xué)過程需要整合8 節(jié)或16 節(jié)的學(xué)時，利用1～2 個整天集中完成此類綜合項目。傳統(tǒng)的一周分散時間段的兩學(xué)時的課時方案是無法做到保持學(xué)生學(xué)習(xí)興趣完成實訓(xùn)項目的。

將教學(xué)計劃中的理論與實驗學(xué)時重組，促進了課內(nèi)課外學(xué)習(xí)、作業(yè)、實驗、實訓(xùn)、研討、報告等多項學(xué)習(xí)任務(wù)時間上重組優(yōu)化，構(gòu)建出一種新的教學(xué)過程生態(tài)。

1.3 課程內(nèi)容重構(gòu)，同步工程化課程體系

嵌入式工程師課程體系通常涉及4 大進階模塊，從C 語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫等專業(yè)基礎(chǔ)到Linux 操作系統(tǒng)的核心，再到主流ARM 芯片開發(fā)，最后是萬物互聯(lián)的智能工業(yè)控制、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、娛樂等領(lǐng)域的經(jīng)典項目實操。作為在大學(xué)三年級階段的一門專業(yè)限選課，在龐大的嵌入式工程人才培養(yǎng)課程體系中需要重新定位第三模塊也就是主流ARM 芯片開發(fā)。2018之后我們選用輕量化更經(jīng)濟的 ARM Cortex M4 系列STM32F4**芯片作為教學(xué)開發(fā)主流開發(fā)板，作為合作方粵嵌湖南分公司免費支持了3 年的設(shè)備。三年教學(xué)實踐中我們對課程內(nèi)容不斷調(diào)整，做到與培養(yǎng)工程化人才的課程體系的同步，形成可持續(xù)發(fā)展的教學(xué)內(nèi)容及更新體系。

1.4 校內(nèi)常規(guī)模式與企業(yè)工程培訓(xùn)考核模式相結(jié)合構(gòu)建立體考核生態(tài)

課程考核依然是最有力的學(xué)生學(xué)習(xí)促進手段，近年來，平時成績與期末成績的配比已經(jīng)變成4：6。嵌入式課程的考核升級的基礎(chǔ)是夯實的課程教學(xué)內(nèi)容，滿滿干貨。基于這個基礎(chǔ)，提高課程考核標(biāo)準升級課程考核生態(tài)：課程終結(jié)考試、實訓(xùn)報告、項目討論、小組報告、實操演示等有機結(jié)合的多層次考核，每個考核環(huán)節(jié)引入了企業(yè)工程培訓(xùn)考核的指標(biāo)，有的還邀請企業(yè)工程培訓(xùn)工程師參與考核。

2 嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)生態(tài)環(huán)境中關(guān)鍵實踐方案

2.1 課程內(nèi)容重構(gòu)具體實施方案

（1）自主學(xué)習(xí)類：嵌入式發(fā)展概況類課程內(nèi)容，老師給出關(guān)鍵詞，學(xué)生查閱收集文字、視頻、音頻資料完成。課程學(xué)習(xí)群分享，不占用課上內(nèi)容。

（2）ARM匯編學(xué)習(xí)類：軟件工程與計算機專業(yè)培養(yǎng)計劃中是沒有匯編課程的，而對于底層開發(fā)工程人員匯編尤其是ARM匯編是必修，所以課程內(nèi)容中這部分需要從基礎(chǔ)語法規(guī)則到ARM 指令系統(tǒng)最后落腳在企業(yè)面試選拔編程要求，此部分占據(jù)30%理論課程內(nèi)容。

（3）STM32 開發(fā)類：這個部分的內(nèi)容分為兩個階段：一是直接對寄存器編程，二是進階到基于固件庫編程。第一個階段是為了讓學(xué)生理解底層寄存器工作方式，第二個階段是讓學(xué)生完全按照工程規(guī)范進行編程，固件庫的使用，規(guī)范編程工具的SI 的使用，這些都是全面按照工程標(biāo)準實施。課程內(nèi)容被分裝在LED流水燈、按鍵點燈、時延函數(shù)、蜂鳴器演奏、測距傳感器、溫控測量……直觀容易激發(fā)興趣的小項目中。此部分占據(jù)70%理論課程內(nèi)容。

（4）綜合項目類：這個部分以小組為單位每一屆學(xué)生根據(jù)不同市場熱點選用不同綜合項目，比如2018 年我們采用智能小車利用紅外感知自動循跡。2019 年我們加入手機藍牙模塊控制小車行駛，2020 年線上環(huán)境限制了我們的綜合項目實施，2021 年我們將實施智能醫(yī)療或智慧交通類綜合類項目。占據(jù)100%課程實踐內(nèi)容。

2.2 課程考核升級具體實踐方案

日常打卡式考勤不再納入課程考核分值，升級為4 學(xué)時基本教學(xué)單元必須提交一份實訓(xùn)日志，包括設(shè)計方案、實施步驟、效果視頻、結(jié)果分析。發(fā)布在CSDN 或博客園，視頻分享到主流視頻學(xué)習(xí)網(wǎng)站如B 站學(xué)習(xí)區(qū)。占比20%。

綜合類項目考核分小組，項目期間嚴格考勤；項目結(jié)果要求演示、競技、答辯；評委由資深行業(yè)類工程師擔(dān)任，現(xiàn)場打分。占比30%。

筆試考核參考企業(yè)面試標(biāo)準，灌水無效。占比50%。

3 教學(xué)總結(jié)

“嵌入式系統(tǒng)”課程教改關(guān)鍵問題在于“與時俱進”，技術(shù)更新迭代太快，一塊芯片板還不到物理損壞年限就已經(jīng)被應(yīng)用市場淘汰。因此，構(gòu)建以學(xué)校為教學(xué)主體、融入上下游企業(yè)的新型可持續(xù)發(fā)展的教學(xué)生態(tài)環(huán)境，是保持這門課程生命力和優(yōu)良教學(xué)效果的關(guān)鍵。2014-2020 六學(xué)年的教學(xué)一線實踐中我們得到學(xué)生不同方面的優(yōu)良反饋，取得了不錯的教學(xué)效果。與此同時，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和熱情，積累了大量的項目視頻資料用于分享和評估，學(xué)生實操能力得到切實提高。有統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明學(xué)生升學(xué)就業(yè)選擇嵌入式系統(tǒng)方向的人數(shù)逐年上升。