《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)》應(yīng)用型課程實(shí)踐教學(xué)研究

吳櫂耀 魏楊 黃毅 楊智勇

摘要：針對(duì)嵌入式開(kāi)發(fā)人員需求量大但學(xué)習(xí)入門(mén)難度大、國(guó)內(nèi)外高校嵌入式課程教學(xué)中的問(wèn)題和不足、學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)踐困難等問(wèn)題，提出了相應(yīng)“階梯式實(shí)踐教學(xué)體系+四個(gè)維度的實(shí)踐能力培養(yǎng)”的實(shí)踐教學(xué)方案。實(shí)施過(guò)程中，采用“基礎(chǔ)層→進(jìn)階層→創(chuàng)新層”的階梯式實(shí)踐教學(xué)體系;以實(shí)際項(xiàng)目為主線(xiàn)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中從“分析問(wèn)題能力”“解決問(wèn)題能力”“實(shí)驗(yàn)研究能力”及“應(yīng)用創(chuàng)新能力”四個(gè)維度對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐能力的培養(yǎng)。此方案已應(yīng)用到我校計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)教學(xué)中，通過(guò)實(shí)踐教學(xué)的實(shí)施，學(xué)生對(duì)該課程的接受度、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、?yīng)用知識(shí)的能力、團(tuán)隊(duì)合作能力等方面有明顯提升。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng);課程建設(shè);應(yīng)用型;實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）04-0152-02

1 引言

《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)》課程是計(jì)算機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)核心課，通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)所必需的基礎(chǔ)知識(shí)、設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)學(xué)生具有扎實(shí)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度、團(tuán)隊(duì)合作能力和創(chuàng)新精神。

市場(chǎng)需求方面，目前市場(chǎng)上嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品非常多，行業(yè)機(jī)會(huì)很大，對(duì)嵌入式技術(shù)開(kāi)發(fā)人員的人才需求量大，但是由于入門(mén)難度較大，對(duì)相當(dāng)大一部分學(xué)生造成了困難，學(xué)生望而卻步。

高校人才培養(yǎng)方面，國(guó)內(nèi)外高校在本課程的教學(xué)過(guò)程中存在一些問(wèn)題和不足，主要包括：

1）由于嵌入式應(yīng)用所涉及知識(shí)面跨度大、綜合應(yīng)用能力要求高、知識(shí)點(diǎn)繁雜且不容易掌握，學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)比較吃力，對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解、案例的應(yīng)用、技能的掌握等方面存在一定的困難和不足之處[1];

2）教學(xué)方法較傳統(tǒng)，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識(shí)沒(méi)有被激發(fā)出來(lái)，因此學(xué)生學(xué)習(xí)效率較低，課堂表現(xiàn)也不好[2];

3）學(xué)生層次和水平參差不齊，課程設(shè)計(jì)得太難，能力差的學(xué)生一開(kāi)始便因?yàn)楦簧瞎?jié)奏而掉隊(duì)。設(shè)計(jì)得太容易，功底好的學(xué)生容易對(duì)知識(shí)產(chǎn)生疲倦感，因此如何設(shè)計(jì)好課程給教師教學(xué)帶來(lái)了挑戰(zhàn);

4）教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，學(xué)生只能按部就班地進(jìn)行實(shí)踐，學(xué)完就忘，不能真正地轉(zhuǎn)化為自己的知識(shí)[3]。

鑒于上述國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，本文開(kāi)展《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)》課程實(shí)踐教學(xué)研究，對(duì)現(xiàn)有教學(xué)模式和教學(xué)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)和創(chuàng)新，探究出學(xué)生易于接受、樂(lè)于參與、滿(mǎn)足畢業(yè)要求和行業(yè)要求的應(yīng)用型課程教學(xué)方法，形成應(yīng)用型課程實(shí)踐教學(xué)方案，并將該方案應(yīng)用于我校計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)相應(yīng)課程的日常教學(xué)中。

2 具體的應(yīng)用型課程實(shí)踐教學(xué)實(shí)施方案

2.1 實(shí)踐教學(xué)方案設(shè)計(jì)

基于現(xiàn)有行業(yè)中對(duì)嵌入式開(kāi)發(fā)人員的基本要求，結(jié)合國(guó)內(nèi)外高校在本課程的教學(xué)過(guò)程中存在一些問(wèn)題和不足，本文開(kāi)展《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)》應(yīng)用型課程實(shí)踐教學(xué)方法研究，提出了相應(yīng)“階梯式實(shí)踐教學(xué)體系+四個(gè)維度的實(shí)踐能力培養(yǎng)”的實(shí)踐教學(xué)方案。

1）階梯式實(shí)踐教學(xué)體系

本課程實(shí)踐教學(xué)基于“以學(xué)生為中心、雅典式教學(xué)”的教學(xué)理念[4]，采用OBE工程教育模式，以培養(yǎng)行業(yè)需要的嵌入式人員為目標(biāo)來(lái)開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)的過(guò)程設(shè)計(jì)。教學(xué)設(shè)計(jì)中，兼具開(kāi)放的實(shí)踐教學(xué)模式[5]，以項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)來(lái)組織實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與所講授的知識(shí)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，且采用“小項(xiàng)目+大項(xiàng)目”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)，形成階梯式實(shí)踐教學(xué)體系。

2）四個(gè)維度的實(shí)踐能力培養(yǎng)

本課程實(shí)踐教學(xué)從“分析問(wèn)題能力”“解決問(wèn)題能力”“實(shí)驗(yàn)研究能力”及“應(yīng)用創(chuàng)新能力”四個(gè)維度對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐能力的培養(yǎng)，如圖1所示。通過(guò)有針對(duì)性的實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)和有效實(shí)施，最終提高學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，達(dá)到課程目標(biāo)的要求，培養(yǎng)行業(yè)需要的應(yīng)用型人才。

2.2 實(shí)踐教學(xué)方案實(shí)施

確定具體實(shí)施方案后，實(shí)踐教學(xué)的實(shí)施是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本文的實(shí)施辦法已應(yīng)用在我校計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)教學(xué)中，方案實(shí)施過(guò)程如下：

1）在“階梯式實(shí)踐教學(xué)體系”的實(shí)施方面，以項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)來(lái)組織實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，逐步引導(dǎo)學(xué)生在掌握嵌入式開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)知識(shí)后進(jìn)入項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。項(xiàng)目設(shè)計(jì)上采用“小項(xiàng)目+大項(xiàng)目”的方式（在教學(xué)過(guò)程中，首先完成多個(gè)小項(xiàng)目，之后完成大項(xiàng)目，大項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要用到的模塊均來(lái)自各小項(xiàng)目）。下面以控制LED燈的實(shí)際應(yīng)用為例開(kāi)展階梯式實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)，如表1所示，從基礎(chǔ)型、進(jìn)階型、設(shè)計(jì)型、綜合型等4個(gè)維度設(shè)計(jì)LED燈的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，通過(guò)這種遞進(jìn)式的實(shí)踐教學(xué)安排，學(xué)生易于接受、吸收、應(yīng)用所學(xué)知識(shí)點(diǎn)。

2）在“分析問(wèn)題能力”“解決問(wèn)題能力”培養(yǎng)方面，以課堂講授+隨堂練習(xí)為主，主要講解嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)相關(guān)的基本概念、基本理論、基本分析方法以及編程思想，將實(shí)際工程中所需的理論知識(shí)、研究方法、Linux系統(tǒng)編程思想等融入基本知識(shí)的講解中，使同學(xué)們能更好地熟悉和掌握嵌入式開(kāi)發(fā)所需的基本知識(shí)點(diǎn)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和學(xué)習(xí)目的，做到針對(duì)項(xiàng)目工程需求的應(yīng)用教學(xué);課堂教學(xué)盡量引入互動(dòng)環(huán)節(jié)，通過(guò)問(wèn)題導(dǎo)入教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生尋找解決方案，提高教學(xué)效果。

3）在“實(shí)驗(yàn)研究能力”培養(yǎng)方面，以課程實(shí)驗(yàn)為主，在理解基本概念、研究方法、Linux系統(tǒng)編程思想的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)際開(kāi)發(fā)與實(shí)踐，動(dòng)手尋找答案，以培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作及解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

4）在“應(yīng)用創(chuàng)新能力”培養(yǎng)方面，以課堂討論、課后啟發(fā)式作業(yè)為主，培養(yǎng)學(xué)生在對(duì)嵌入式產(chǎn)生興趣的基礎(chǔ)上主動(dòng)進(jìn)行探索和實(shí)踐;具有運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力、創(chuàng)新能力、鍛煉表達(dá)能力;通過(guò)合作客觀(guān)評(píng)價(jià)相關(guān)工程對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等影響，發(fā)表自己的見(jiàn)解，提升學(xué)生的綜合能力。

2.3 實(shí)踐教學(xué)方案實(shí)施中的教學(xué)手段

在實(shí)踐教學(xué)方案實(shí)施過(guò)程中，采用的教學(xué)手段包括：

1）通過(guò)講授法講解嵌入式基礎(chǔ)理論知識(shí)，讓同學(xué)們能夠?qū)A(chǔ)知識(shí)點(diǎn)有清晰的理解;

2）通過(guò)案例教學(xué)法使學(xué)生能夠通過(guò)案例加深對(duì)多學(xué)理論知識(shí)的運(yùn)用，明白理論是如何和實(shí)際相結(jié)合，如何進(jìn)行嵌入式開(kāi)發(fā)入門(mén);

3）通過(guò)情景教學(xué)法使學(xué)生能夠融入一個(gè)情景下，進(jìn)行實(shí)際功能的應(yīng)用程序編寫(xiě)并調(diào)試;

4）通過(guò)討論法使學(xué)生積極參與到項(xiàng)目的討論中來(lái)，通過(guò)討論更好地加深和強(qiáng)化所學(xué)知識(shí)點(diǎn)，深度分析并探討實(shí)踐中遇到的問(wèn)題。

3 實(shí)踐教學(xué)方案實(shí)施效果分析

本文研究方案已在我校計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)課中進(jìn)行教學(xué)實(shí)施，通過(guò)本課程的實(shí)踐教學(xué)實(shí)施，學(xué)生對(duì)該課程的接受度、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、?yīng)用知識(shí)的能力、團(tuán)隊(duì)合作能力等方面有明顯提升，學(xué)生達(dá)到對(duì)嵌入式開(kāi)發(fā)人員的基本要求，掌握相關(guān)知識(shí)包括：（1）嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)，主要包括：嵌入式系統(tǒng)概述、嵌入式Linux開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建、交叉編譯工具鏈建立、最小Linux系統(tǒng)制作、ARM Cortex-A9 處理器架構(gòu)、ARM指令集及匯編程序設(shè)計(jì);（2）嵌入式系統(tǒng)接口技術(shù)及應(yīng)用（基于三星Exynos4412平臺(tái)開(kāi)發(fā)板），主要包括：GPIO、時(shí)鐘管理單元、中斷系統(tǒng)、DMA控制器、PWM定時(shí)器和看門(mén)狗、NAND Flash控制器、UART、SPI、I2C、ADC等各部分驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā);（3）嵌入式Linux系統(tǒng)移植，主要包括：U-Boot分析與移植、Linux內(nèi)核基礎(chǔ)知識(shí)、Linux內(nèi)核移植。

4 小結(jié)

目前市場(chǎng)上嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品非常多，行業(yè)機(jī)會(huì)很大，對(duì)嵌入式技術(shù)開(kāi)發(fā)人員的人才需求量大，但是由于入門(mén)難度較大，對(duì)相當(dāng)大一部分學(xué)生造成了困難，學(xué)生望而卻步;高校人才培養(yǎng)方面，國(guó)內(nèi)外高校在本課程的教學(xué)過(guò)程中存在一些問(wèn)題和不足，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)課程不感興趣，學(xué)習(xí)起來(lái)非常吃力，培養(yǎng)的學(xué)生達(dá)不到市場(chǎng)對(duì)應(yīng)用型人才的需求。

基于對(duì)上述現(xiàn)狀的分析，本文開(kāi)展了《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)》課程實(shí)踐教學(xué)研究，提出了相應(yīng)“階梯式實(shí)踐教學(xué)體系+四個(gè)維度的實(shí)踐能力培養(yǎng)”的實(shí)踐教學(xué)方案，對(duì)現(xiàn)有教學(xué)模式和教學(xué)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)和創(chuàng)新，采用“基礎(chǔ)層—>進(jìn)階層—>創(chuàng)新層”階梯式實(shí)踐教學(xué)體系，以實(shí)際項(xiàng)目為主線(xiàn)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中從“分析問(wèn)題能力”“解決問(wèn)題能力”“實(shí)驗(yàn)研究能力”及“應(yīng)用創(chuàng)新能力”四個(gè)維度對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

通過(guò)實(shí)踐教學(xué)體系的設(shè)計(jì)、實(shí)踐、驗(yàn)證，探究出學(xué)生易于接受、樂(lè)于參與、滿(mǎn)足畢業(yè)要求和行業(yè)要求的應(yīng)用型課程教學(xué)方法，對(duì)培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新型人才，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

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收稿日期：2021-08-23

基金項(xiàng)目：本文系西南財(cái)經(jīng)大學(xué)天府學(xué)院2021年校級(jí)教育教學(xué)改革項(xiàng)目“《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)》應(yīng)用型課程實(shí)踐教學(xué)研究”（TFCJG202118）研究成果

作者簡(jiǎn)介：吳櫂耀，西南財(cái)經(jīng)大學(xué)天府學(xué)院專(zhuān)任教師，中級(jí)工程師，從事本科生教學(xué)工作。