基于項(xiàng)目式嵌入式課程教學(xué)模式改革研究

摘 要：嵌入式系統(tǒng)作為一門基礎(chǔ)理論與工程實(shí)踐相結(jié)合的課程，在高校電子信息類課程體系中占有非常重要的地位。針對(duì)嵌入式課程信息量大、抽象難懂、學(xué)時(shí)少的問題，提出項(xiàng)目引入教學(xué)的方式，結(jié)合課程知識(shí)體系發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)。文中對(duì)嵌入式系統(tǒng)課程項(xiàng)目式教學(xué)模式進(jìn)行探討，并對(duì)項(xiàng)目式教學(xué)模式在嵌入式系統(tǒng)課程實(shí)踐教學(xué)過程中的應(yīng)用和相應(yīng)的教學(xué)評(píng)價(jià)體系進(jìn)行思考與探索。課程在傳統(tǒng)嵌入式硬件接口技術(shù)教學(xué)中，采用項(xiàng)目式引入，如APP智能藍(lán)牙小車設(shè)計(jì)、APP智能小車監(jiān)控端設(shè)計(jì)等，通過這些基礎(chǔ)的嵌入式項(xiàng)目，從軟件、硬件兩個(gè)方面系統(tǒng)的給學(xué)生講述嵌入式知識(shí)，激發(fā)學(xué)生對(duì)嵌入式課程學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；項(xiàng)目設(shè)計(jì)；教學(xué)改革；APP小車；智能監(jiān)控端；硬件接口技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）06-0-03

0 引 言

嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用課程是通信類專業(yè)高年級(jí)學(xué)生將要學(xué)習(xí)的一門面向應(yīng)用的專業(yè)方向課。課程教學(xué)內(nèi)容與工程實(shí)際緊密聯(lián)系，應(yīng)用性強(qiáng)，是一門在理論指導(dǎo)下偏重于實(shí)際應(yīng)用的課程。其主要采用以教學(xué)思想轉(zhuǎn)變?yōu)楦?、學(xué)教并重的教學(xué)方法，通過啟發(fā)式、范例式課堂教學(xué)，師生互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)與現(xiàn)代教學(xué)手段的結(jié)合。但由于嵌入式課程教學(xué)內(nèi)容信息量大、抽象難懂，課程教學(xué)難度大，傳統(tǒng)的教學(xué)方法較為單一，難以滿足課程需求，無法使學(xué)生“學(xué)習(xí)嵌入式，使用嵌入式”，因而課程在傳統(tǒng)教學(xué)模式下采用項(xiàng)目式教學(xué)改革，從而提高課程教學(xué)效果[1]。

1 課程項(xiàng)目建設(shè)

《三亞學(xué)院課程“三度”建設(shè)指導(dǎo)性意見》（三亞院教字〔2018〕57 號(hào)）文件提出課程“三度”，主要是指課程的飽和度、深度、緊張度。課堂授課在電子發(fā)燒友網(wǎng)、CSDN網(wǎng)絡(luò)學(xué)院、學(xué)堂在線等網(wǎng)絡(luò)資源教學(xué)的基礎(chǔ)上，通過課前APP項(xiàng)目視頻的播放、科研項(xiàng)目的講解、實(shí)物APP項(xiàng)目的動(dòng)手演示等方式增強(qiáng)學(xué)習(xí)飽和度；同時(shí)，在講授基本知識(shí)時(shí)綜合利用網(wǎng)絡(luò)資源給學(xué)生布置相應(yīng)的編程任務(wù)，加強(qiáng)該課程的學(xué)習(xí)深度；不定時(shí)發(fā)送題目檢測(cè)、討論互動(dòng)、作業(yè)抄襲否決制、實(shí)驗(yàn)操作過程化分?jǐn)?shù)等內(nèi)容，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)緊張度。

通過開設(shè)嵌入式課程，培養(yǎng)學(xué)生具備能夠?qū)ΜF(xiàn)實(shí)生活中嵌入式技術(shù)產(chǎn)品應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行分析的能力，能夠熟練運(yùn)用專業(yè)技能解決實(shí)際問題。在傳統(tǒng)的嵌入式教學(xué)模式中嘗試新的教學(xué)方式，讓項(xiàng)目式教學(xué)模式走進(jìn)嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用課堂，讓學(xué)生具備自主學(xué)習(xí)能力，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[2]。

1.1 課程教學(xué)內(nèi)容

課程圍繞使用較為廣泛的三星S3C2440ARM系列32位處理器開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行講解學(xué)習(xí)。通過理論教學(xué)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例的分析和編程，使學(xué)生理解嵌入式系統(tǒng)的基本概念，通過重點(diǎn)講解嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及接口的設(shè)計(jì)原理，即某個(gè)具有代表性的嵌入式微處理器內(nèi)部寄存器結(jié)構(gòu)、匯編指令系統(tǒng)、中斷管理機(jī)制及常見的外圍接口，使學(xué)生掌握無操作系統(tǒng)下的編程技術(shù)[3]。

在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排上，通常包括以機(jī)器視覺和深度學(xué)習(xí)為主的偏向人工智能技術(shù)的嵌入式AI項(xiàng)目設(shè)計(jì)，如“計(jì)算機(jī)視覺基于YOLOv5目標(biāo)檢測(cè)的語音告警”“計(jì)算機(jī)視覺基于YOLOv5目標(biāo)計(jì)數(shù)檢測(cè)的告警”等。通過項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的安排使得學(xué)生能夠恰當(dāng)選擇和使用軟件開發(fā)平臺(tái)及開發(fā)工具，完成嵌入式項(xiàng)目軟件的開發(fā)和測(cè)試，能夠通過文獻(xiàn)研究對(duì)特定需求嵌入式涉及人工智能領(lǐng)域新的技術(shù)問題解決方案進(jìn)行分析和驗(yàn)證，以獲得有效結(jié)論[4]。

1.2 課程教學(xué)目標(biāo)

課程培養(yǎng)學(xué)生從“整體”的角度認(rèn)識(shí)、研究和解決嵌入式系統(tǒng)工程問題的方法和能力，為學(xué)生在嵌入式領(lǐng)域研究和開發(fā)奠定相關(guān)基礎(chǔ)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)并掌握各種無操作系統(tǒng)下硬件模塊功能實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想、實(shí)現(xiàn)方法和設(shè)計(jì)過程，了解三星S3C2440ARM系列32位處理器的體系結(jié)構(gòu)，掌握基于S3C2440ARM系列微處理器的嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方法[5]。

對(duì)于將來應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)硬件、軟件平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)的同學(xué)而言，應(yīng)側(cè)重鍛煉基于某個(gè)嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)（包括硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)）進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)和嵌入式AI項(xiàng)目開發(fā)的能力[5]。

1.3 教學(xué)中存在的問題

（1）課程內(nèi)容涉及面廣。傳統(tǒng)嵌入式硬件教學(xué)涉及ARM芯片體系結(jié)構(gòu)、匯編編程語言、GPIO等模塊知識(shí)，知識(shí)點(diǎn)分散，專業(yè)性強(qiáng)，理解難度大。實(shí)驗(yàn)軟件涉及Ubuntu編程等，單靠傳統(tǒng)教學(xué)方法很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，無法滿足嵌入式AI技術(shù)的應(yīng)用需求。

（2）傳統(tǒng)的以教師為核心的課堂，在講解該綜合性、實(shí)踐性很強(qiáng)的課程時(shí)，主要采用理論知識(shí)點(diǎn)講解的方式，圍繞單一的處理器芯片拓展外圍接口進(jìn)行講解，知識(shí)點(diǎn)分散，學(xué)生整體學(xué)習(xí)興趣不強(qiáng)[6]。

（3）隨著人工智能技術(shù)的應(yīng)用，大量嵌入式技術(shù)被應(yīng)用于機(jī)器人等產(chǎn)品，隨著嵌入式新技術(shù)、新知識(shí)大量涌向教育領(lǐng)域，傳統(tǒng)教學(xué)模式很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更無法滿足學(xué)生通過嵌入式課程學(xué)習(xí)進(jìn)行后續(xù)項(xiàng)目開發(fā)的學(xué)習(xí)需求[7]。

2 改革方案設(shè)計(jì)

改革嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用原有的傳統(tǒng)講授式教學(xué)模式，采用項(xiàng)目式驅(qū)動(dòng)的混合式教學(xué)模式，使學(xué)生帶著項(xiàng)目案例進(jìn)行知識(shí)的學(xué)習(xí)、梳理、練習(xí)和討論，并帶著問題和疑惑與師生開展進(jìn)一步的學(xué)習(xí)和交流，通過教師的指導(dǎo)，使學(xué)生真正參與到知識(shí)學(xué)習(xí)的過程中來[8-9]。

3 教學(xué)改革實(shí)施

理論教學(xué)選取結(jié)合教材體系結(jié)構(gòu)項(xiàng)目，通過專題項(xiàng)目的講解，使得學(xué)生熟悉項(xiàng)目申報(bào)流程，項(xiàng)目整合軟件硬件知識(shí)。通過項(xiàng)目案例的實(shí)施，使學(xué)生帶著問題思考，帶著問題實(shí)踐。此外，此舉還可以提升學(xué)生團(tuán)隊(duì)溝通、交流協(xié)作能力和專業(yè)項(xiàng)目書的撰寫水平[10]。

3.1 項(xiàng)目任務(wù)的布置

項(xiàng)目下達(dá)時(shí)分組并建立QQ群，明確項(xiàng)目題目與需實(shí)現(xiàn)的基本功能，在小組小群里傳達(dá)項(xiàng)目所需要的基本資料。在“基于YOLOv5目標(biāo)檢測(cè)的語音告警”任務(wù)中，要求學(xué)生在電腦端搭配機(jī)器視覺目標(biāo)識(shí)別開發(fā)環(huán)境，通過攝像頭實(shí)現(xiàn)基于火焰圖像信息的數(shù)據(jù)采集，并通過計(jì)算機(jī)火焰模型進(jìn)行識(shí)別并聲音報(bào)警。該項(xiàng)目可以進(jìn)行任務(wù)分解，在課堂教學(xué)的基礎(chǔ)上，要求學(xué)生對(duì)相關(guān)機(jī)器視覺原理及目標(biāo)識(shí)別環(huán)境配置等知識(shí)融會(huì)貫通，這對(duì)于理論教學(xué)是有力的補(bǔ)充。學(xué)生完成教師規(guī)定的任務(wù)后，還可以提出自己的想法，添加實(shí)現(xiàn)額外的功能，以利于發(fā)揮學(xué)生的積極主動(dòng)性，這對(duì)于學(xué)生的創(chuàng)新能力有很大的提高。

3.2 學(xué)生分組及項(xiàng)目實(shí)施

學(xué)生依據(jù)教師分發(fā)的項(xiàng)目任務(wù)單，根據(jù)自己感興趣的方向選擇相應(yīng)項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目保證2～3人一組，為方便項(xiàng)目管理，選出一人為項(xiàng)目組長(zhǎng)，由項(xiàng)目組長(zhǎng)組織組員一起制定分工計(jì)劃和工作任務(wù)實(shí)施步驟，完成項(xiàng)目計(jì)劃書，交由教師審核。此外，小組在遇到技術(shù)問題時(shí)，可以通過QQ群及時(shí)與教師溝通。學(xué)生通過項(xiàng)目的訓(xùn)練，將理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，更好地掌握專業(yè)知識(shí)，提高學(xué)生專業(yè)知識(shí)應(yīng)用能力、實(shí)踐能力和自學(xué)能力。

3.3 項(xiàng)目成果展示與項(xiàng)目評(píng)價(jià)

各組學(xué)生完成項(xiàng)目任務(wù)后，采取分組匯報(bào)的形式對(duì)項(xiàng)目成果進(jìn)行展示。分組成員通過分工協(xié)作的方式撰寫對(duì)應(yīng)項(xiàng)目書，通過文字報(bào)告的形式將項(xiàng)目成果進(jìn)行展示。教師從不同方面點(diǎn)評(píng)項(xiàng)目書，并形成文字評(píng)閱報(bào)告，便于項(xiàng)目組成員進(jìn)行項(xiàng)目總結(jié)及后續(xù)開發(fā)。

3.4 項(xiàng)目應(yīng)用

3.4.1 APP藍(lán)牙智能小車項(xiàng)目

課程在緒論導(dǎo)入處通過人工智能與嵌入式之間的關(guān)聯(lián)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。課程在緒論處通過藍(lán)牙智能車案例進(jìn)入。藍(lán)牙智能車項(xiàng)目案例實(shí)物及項(xiàng)目知識(shí)點(diǎn)圖如圖1、圖2所示。

通過藍(lán)牙智能小車案例，將單片機(jī)課程與嵌入式課程關(guān)聯(lián)起來，與單片機(jī)課程進(jìn)行對(duì)比，讓學(xué)生從實(shí)物的角度理解單片機(jī)課程與嵌入式課程的區(qū)別。通過小車案例拓展學(xué)生思維，讓學(xué)生深度思考。通過小車通信模塊的講解讓學(xué)生將嵌入式硬件知識(shí)與通信知識(shí)融合起來。此外，通過智能小車案例的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生從硬件、軟件角度系統(tǒng)了解嵌入式知識(shí)，通過項(xiàng)目的形式初步了解嵌入式項(xiàng)目的開發(fā)基礎(chǔ)、開發(fā)環(huán)境以及涉及的知識(shí)和后續(xù)拓展點(diǎn)。

3.4.2 APP智能監(jiān)控端項(xiàng)目

課程在講解ARM體系處會(huì)涉及項(xiàng)目案例—WiFi智能車監(jiān)控控制端開發(fā)。項(xiàng)目涉及5個(gè)部分：

（1）監(jiān)控技術(shù)科技前沿背景；

（2）智能車WiFi監(jiān)控背景知識(shí)；

（3）目前幾種常見智能小車監(jiān)控技術(shù)；

（4）WiFi智能監(jiān)控抓拍器；

（5）WiFi智能監(jiān)控車上位機(jī)APP控制端介紹。

APP智能監(jiān)控端項(xiàng)目應(yīng)用及監(jiān)控端APP如圖3、圖4所示。

通過WiFi監(jiān)控小車項(xiàng)目APP端的開發(fā)及講解對(duì)學(xué)生入門智能小車視覺監(jiān)控的二次開發(fā)起到很好的幫助。此外，項(xiàng)目中WiFi監(jiān)控小車項(xiàng)目APP端的開發(fā)學(xué)習(xí)使得學(xué)生更容易掌握軟件Eclipse。通過WiFi監(jiān)控小車項(xiàng)目APP端項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以進(jìn)行項(xiàng)目拓展，應(yīng)用于相關(guān)大創(chuàng)項(xiàng)目及畢業(yè)設(shè)計(jì)。

4 結(jié) 語

隨著科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)、嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等突飛猛進(jìn)。智能化物品在現(xiàn)實(shí)生活中乃至更廣闊的領(lǐng)域也發(fā)揮著越來越大的作用，人們已經(jīng)進(jìn)入了智能化時(shí)代。文中對(duì)傳統(tǒng)嵌入式課程教學(xué)體系中存在的問題進(jìn)行分析，提出了基于項(xiàng)目的嵌入式課程教學(xué)體系改革。通過項(xiàng)目式課程教學(xué)改革，使嵌入式課程學(xué)習(xí)更具有針對(duì)性，并可將學(xué)習(xí)成果進(jìn)行轉(zhuǎn)化，取得了一定的研究?jī)r(jià)值。

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基金項(xiàng)目：三亞學(xué)院校級(jí)第二批課程思政課程教學(xué)改革研究項(xiàng)目嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用（SYJKSZ2022163）

作者簡(jiǎn)介：黃恒一（1988—），男，河南信陽(yáng)人，研究生，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)器視覺、路徑規(guī)劃。