培養(yǎng)實踐動手能力的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)方法改革

李亞蘭，陳 淼，李 翔，曹菊英，陸汝華，姚 敏

（1.湘南學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，湖南 郴州 423000；2.湘南學(xué)院 軟件通信工程學(xué)院，湖南 郴州 423000）

0 引 言

嵌入式系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、移動設(shè)備、通信、汽車和游戲等眾多領(lǐng)域，是電氣工程及其自動化、電子信息科學(xué)與技術(shù)、計算機科學(xué)與技術(shù)和光電信息科學(xué)與工程等專業(yè)的一門重要專業(yè)課。嵌入式系統(tǒng)課程具有很強的工程性、系統(tǒng)性和應(yīng)用性，該課程將操作系統(tǒng)原理、應(yīng)用程序開發(fā)與調(diào)試、硬件結(jié)構(gòu)和接口驅(qū)動設(shè)計等多部分內(nèi)容融為一體，課程難度大。嵌入式系統(tǒng)需要結(jié)合有強大計算能力的微處理芯片（如ARM）和針對這些微處理芯片伴生的各類綜合開發(fā)平臺（如MDK、Keil、ADS、RVDS 等），需要進(jìn)行操作系統(tǒng)移植（LINUX 的移植）和用戶應(yīng)用程序的開發(fā)，并完成應(yīng)用程序的編譯、仿真、下載、調(diào)試等一系列的操作，涉及的知識點非常廣泛，實踐性強[1]。

1 嵌入式系統(tǒng)教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 內(nèi)容豐富但學(xué)時受限

嵌入式系統(tǒng)包括的內(nèi)容非常廣泛，既包括理論，又包括實踐，涵蓋了軟件、硬件以及系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)等內(nèi)容，而當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)普遍被作為一門課程，學(xué)時十分有限。學(xué)生沒有經(jīng)過一系列先后有序的嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)，如嵌入式系統(tǒng)導(dǎo)論、ARM 處理器體系結(jié)構(gòu)、現(xiàn)代嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式軟件分析設(shè)計、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)等，會直接導(dǎo)致大部分學(xué)生在學(xué)習(xí)完嵌入式系統(tǒng)課程后只能獲得籠統(tǒng)的表層理解，實際動手操作顯得十分困難[2]。

1.2 重理論、輕實踐

目前，嵌入式系統(tǒng)課程開設(shè)的理論與實踐學(xué)時比重普遍為2：1 或更高，理論學(xué)時明顯超出實踐學(xué)時。另一方面，開展以講授為主的理論教學(xué)所需要的條件相對簡單，而實踐操作涉及更多的硬件平臺，特別是在教學(xué)資源緊缺的情況下，實踐教學(xué)難以開展，且得不到重視。當(dāng)前教師處在重視理論學(xué)術(shù)研究的氛圍當(dāng)中，部分教師對嵌入式相關(guān)理論掌握得較為深入，對于實踐環(huán)節(jié)的研究相對較少，使得實踐教學(xué)的師資不足。

1.3 理論與操作分離

嵌入式系統(tǒng)理論教學(xué)通常在教室進(jìn)行，主要以教師講授、黑板板書和PPT 展示等方式呈現(xiàn)。實踐教學(xué)通常獨立地在實驗室進(jìn)行。由于嵌入式系統(tǒng)課程具有很強的應(yīng)用性、綜合性特征，理論與實踐的分離增加了理解的困難，打擊了學(xué)生的自信心，抑制了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

1.4 缺少工程性實驗

嵌入式系統(tǒng)實驗多在實驗箱上完成，學(xué)生在沒有了解整個系統(tǒng)運作的基礎(chǔ)上，僅僅是按照實驗指導(dǎo)書的操作一步步進(jìn)行，最終驗證一下結(jié)果，整個過程缺乏主動性和探究性。實驗內(nèi)容呈現(xiàn)出單一分立、知識關(guān)聯(lián)性不強的特征。系統(tǒng)的工程性綜合性實驗內(nèi)容較少，不利用于培養(yǎng)學(xué)生綜合開發(fā)的實踐能力。

2 培養(yǎng)實踐能力的教學(xué)方法改革

2.1 采用翻轉(zhuǎn)課堂增加隱性操作學(xué)時

嵌入式系統(tǒng)涉及的知識體系龐大，為了在有限的學(xué)時中快速理清知識點的主要脈絡(luò)，充分利用寶貴的面對面課堂時間培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力。嵌入式課程教學(xué)結(jié)合了視頻錄制軟件camstudio9、超星爾雅和雨課堂等相關(guān)的信息技術(shù)手段，采用線上線下的混合教學(xué)方法。將傳統(tǒng)課堂中的知識點講授移到課前，傳統(tǒng)課堂的課外練習(xí)移到課中[3]。學(xué)生課前通過手機、電腦等終端設(shè)備，可以隨時隨地登錄超星爾雅平臺觀看微視頻，快速了解該節(jié)知識點的整體概貌和基本要素，并完成相應(yīng)的測試題目，達(dá)到知識點簡單復(fù)現(xiàn)和應(yīng)用的目的。對于不明白的要點和問題，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)平臺進(jìn)行線上交流討論。有能力有興趣的學(xué)生還可以選擇擴展閱讀，以了解嵌入式系統(tǒng)相關(guān)前沿技術(shù)和發(fā)展動態(tài)。對于有遺忘或理解不深的知識點，學(xué)生可以反復(fù)觀看視頻進(jìn)行鞏固和深入理解。在線下課堂，教師根據(jù)學(xué)生線上學(xué)習(xí)情況，先對本節(jié)知識點做簡短的總結(jié)梳理，然后拋出有針對性的問題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究活動。采取學(xué)生獨立探究與分組合作的形式來尋找問題解決方法，注重培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維與合作精神，根據(jù)問題的解決方法指導(dǎo)實踐操作過程。由于嵌入式系統(tǒng)課程的特殊性，多數(shù)問題需要動手操作。本課程的學(xué)習(xí)時間均要求學(xué)生自帶筆記本電腦，利用全校覆蓋的WIFI 網(wǎng)絡(luò)，及時查詢問題解決方案，下載源碼等相關(guān)資料。通過具體的動手實踐環(huán)節(jié)內(nèi)化本節(jié)知識點和提升學(xué)生綜合應(yīng)用能力，培養(yǎng)學(xué)生開發(fā)工程項目的科學(xué)素養(yǎng)。比如，Linux 系統(tǒng)的安裝，學(xué)生通過制作安裝盤或在線安裝的方式，完成Linux 系統(tǒng)的安裝過程。在操作中進(jìn)一步理解Linux 系統(tǒng)下的分區(qū)和掛載，體驗Linux 系統(tǒng)與Window 系統(tǒng)對文件、硬盤和外部接口設(shè)備的不同管理方式。要求學(xué)生對實踐過程中遇到的問題和解決問題的思路與方法進(jìn)行總結(jié)，反饋沒有解決的問題，并在教師的引導(dǎo)和學(xué)生間的集體討論中進(jìn)一步完善解決。最后，教師對課堂活動進(jìn)行總結(jié)，布置課外任務(wù)為下一次課做準(zhǔn)備。

2.2 以項目組織教學(xué)，提高綜合實踐能力

項目制教學(xué)是“知行合一”的教學(xué)，具有很強的綜合性、實踐性[4]。嵌入式系統(tǒng)課程具有內(nèi)容涵蓋廣泛、應(yīng)用性強的特點。以往的教學(xué)過程僅僅能夠完成對嵌入式系的部分知識點的講解，沒有形成整體效應(yīng)，沒有與操作相結(jié)合，以至于學(xué)生不明白當(dāng)前所學(xué)內(nèi)容與嵌入式系統(tǒng)的哪個步驟環(huán)節(jié)相關(guān)，有什么用處，實踐起來思路不清楚，動手能力得不到提高。為解決這些問題，本課程采用具備完整環(huán)節(jié)的項目來組織教學(xué)，一個項目通常需要幾周時間來完成。項目的選擇以簡單為主、復(fù)雜為輔助。通過一個簡單的項目將各類知識點串聯(lián)系起來，形成清晰的知識點脈絡(luò)，快速建立學(xué)生的成就感，整個項目實施過程體現(xiàn)了工程教育的理念[5]；復(fù)雜的項目主要和科研前沿相結(jié)合，以拓展視野、提高能力為主要目的。開發(fā)貪吃蛇小游戲的項目如圖1 所示，最終目標(biāo)是在開發(fā)板上實現(xiàn)小蛇吃食物的不斷循環(huán)的過程，直至蛇頭碰到蛇身或墻壁后結(jié)束游戲。該項目整合了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程中涉及的各個環(huán)節(jié)相關(guān)知識點，包括硬件電路原理圖的設(shè)計講解、處理器以及接口芯片性能特征、Linux 操作系統(tǒng)原理、系統(tǒng)定制與移植、驅(qū)動安裝、應(yīng)用程序開發(fā)與交叉編譯、仿真和下載調(diào)試等。通過該項目的實現(xiàn)，學(xué)生可以快速了解到整套嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程，并對每個環(huán)節(jié)的知識點有個大概的了解，清楚了解課堂所學(xué)知識點處在開發(fā)流程中哪個部位，發(fā)揮了什么樣的作用。做學(xué)相結(jié)合的環(huán)境，增進(jìn)了學(xué)生的沉浸感，提高了學(xué)生理論結(jié)合實踐的能力，極大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

圖1 項目知識點示例

2.3 注重過程的成績評定機制

課程的成績評定規(guī)則對學(xué)生的學(xué)習(xí)活動起著導(dǎo)向作用，嵌入式系統(tǒng)課程的成績來源分配如圖2 所示，主要由線上學(xué)習(xí)任務(wù)包括視頻觀看、線上測驗等。線下課堂表現(xiàn)包括到勤、答題、實踐操作和線下課堂的合作表現(xiàn)，完成指定的工作數(shù)量和質(zhì)量，主動合作意愿表現(xiàn)等，合作表現(xiàn)得分由小組成員互評。課外作業(yè)包括項目報告、調(diào)研綜述、部分教材習(xí)題等。期末考試，從整體層面考查學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)地掌握情況，可以為開放的課程設(shè)計或閉卷考試。嵌入式系統(tǒng)的評定規(guī)則意在鼓勵學(xué)生積極參與動手實踐活動、主動思考問題，增強學(xué)習(xí)和合作能力等。

圖2 課程成績分配

3 教學(xué)效果分析

嵌入式系統(tǒng)課程在湘南學(xué)院2015 級電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)和2016 級光電子信息科學(xué)與工程專業(yè)，分別采取傳統(tǒng)黑板加PPT 的教學(xué)方法和線上線下混合教學(xué)加項目制的教學(xué)方法。2個年級學(xué)生上課表現(xiàn)區(qū)別明顯，2016 級學(xué)生上課時積極性更高，學(xué)習(xí)興趣更濃，參與答題的數(shù)量和質(zhì)量更高，學(xué)生提問的深度增加。從圖3 所示的2 個年級的最終成績對比分析圖中可見，2016級學(xué)生的整體學(xué)習(xí)效果有所好轉(zhuǎn)，2016 級學(xué)生期末總成績在90～100 分和80～90 分之間人數(shù)比例分為9%和25%，比2015 級分別高出5%和7%；2016 級不及格的人數(shù)比例為4%，比2015 級降低了4%。這說明改革后的教學(xué)方法能夠?qū)Υ蠖鄶?shù)學(xué)生的學(xué)習(xí)活動起到積極的作用。

圖3 兩個年級學(xué)生成績對比

對2016 級學(xué)生進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)方法改革的部分問卷調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果見表1。從中可見，64%的學(xué)生認(rèn)為嵌入式系統(tǒng)課程學(xué)習(xí)的最大難點在于具體操作難以實現(xiàn)，23%的學(xué)生則認(rèn)為最大難點在于知識體系太復(fù)雜；78%的學(xué)生認(rèn)為線上線下混合教學(xué)能夠幫助他們學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)相關(guān)知識，13%的學(xué)生認(rèn)為幫助非常大；64%的學(xué)生認(rèn)為嵌入式系統(tǒng)項目制教學(xué)能夠幫助他們增強實踐動手能力，29%的學(xué)生認(rèn)為幫助非常大；小部分學(xué)生在開放性話題“對嵌入式系統(tǒng)教學(xué)方法改革的建議”中表示學(xué)習(xí)任務(wù)重，沒有時間提前看線上視頻，覺得操作太難了，跟不上老師和小組的進(jìn)度，希望能多留些時間和空間給自己。大部分學(xué)生覺得混合教學(xué)方便了自己的學(xué)習(xí)，項目制教學(xué)形式給自己提供了操作的機會，增強了操作能力，提高了學(xué)習(xí)興趣。

表1 調(diào)查的代表性問題結(jié)果統(tǒng)計

4 結(jié) 語

嵌入式系統(tǒng)課程涉及知識體系復(fù)雜，實際操作難度大，為此，對該課程教學(xué)方法進(jìn)行了改革，采用了線上線下混合教學(xué)和項目制教學(xué)的方法。通過改革前后2 個年級的對比，發(fā)現(xiàn)改革后學(xué)生的操作能力、學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)成績均有一定程度提高，但該方法的實施一定程度上需要學(xué)生主動配合，學(xué)生按質(zhì)按量地完成線上學(xué)習(xí)是后續(xù)實踐順利進(jìn)行的重要前提。有效管理和促進(jìn)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的內(nèi)外機制還需要更進(jìn)一步的完善和研究。