基于項目驅動的嵌入式系統教學改革與實踐

摘要：嵌入式工程師成為近年來最為熱門的職業之一。為培養工科大學生的創新實踐能力，上海電力學院就嵌入式系統課程的教學與學生綜合素質培養進行了有益的探索和嘗試。采用講座式的教育教學方式和項目驅動的實驗實踐方法，不僅培養了學生動手操作和實踐創新能力，還培養了學生通過綜合性項目開發過程中的團隊協作能力，從而解決理論教學與實踐相互脫節的問題，避免出現學生只會讀書而缺乏實踐的情況，為學生創新能力的培養打下堅實基礎。

關鍵詞：嵌入式系統；項目驅動；能力培養；創新實踐

作者簡介：彭道剛（1977-），男，重慶人，上海電力學院自動化工程學院，教授；李輝（1979-），男，新疆烏魯木齊人，上海電力學院自動化工程學院，副教授。（上海 200090）

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）28-0092-02

嵌入式系統是一個新興且非常熱門的專業技術領域，由于掌握嵌入式系統專業技術人才的嚴重匱乏，使得嵌入式硬件和軟件研發的工程師成為了近年來較為熱門的職業之一。因此，目前在全國各高校都掀起了一股嵌入式系統教學與實踐的熱潮。由于具有較強的技術性、實踐性和綜合性等特點，因此，有的高校也將其作為卓越工程師創新人才培養的突破口。

針對上海電力學院（以下簡稱“我校”）自動化（含電站自動化方向）、測控技術與儀器（含電站測控方向）等專業本科學生，我校嵌入式系統課程組老師就該門課程的教學過程進行了有益的探索和嘗試。借鑒國外先進教學方法和國內市場上嵌入式專業培訓公司的教學經驗，采用講座式的教育教學方式對學生進行教學培訓，并采用項目驅動的方法，為學生提供自動化與測控技術專業方面的設計性、綜合性等課題，讓學生掌握面向本專業應用的嵌入式系統項目設計和開發的全過程；不僅培養了學生動手操作能力和實踐創新能力，還培養了學生通過工程項目開發過程中的團隊協作能力，從而解決理論教學與實踐相互脫節的問題，避免出現學生只會讀書而缺乏實踐的高分低能的情況。

一、嵌入式系統教學過程中的主要問題

開設嵌入式系統課程的目的是為了培養能從事設計和研發具有數字化、網絡化、智能化的電子產品的創新型大學生。但由于嵌入式技術是一門新興技術，目前市面上適合該課程教學的教材偏少，而且大部分教材中的理論知識偏多，從概念、原理講起，缺乏實例和直觀性，不適合應用型人才的培養。學生感到抽象、枯燥，課后參考資料又極少，因此學生起初熱情大，到后來越學越不懂，最后導致學生不愛聽，教師教學也困難。

此外，由于大部分院校所開設的嵌入式系統課程都是針對各自學科特點，授課知識量大，實驗課程內容也較多，使得授課教師往往會將各種知識點“填鴨式”地灌輸給學生，忽視了學生的接受能力和對學生創新實踐能力的培養，導致無法調動學生學習的主動性和積極性，影響了該門課程培養創新型大學生教學目標的實現。

二、嵌入式系統創新教學實踐平臺的建設

由于嵌入式系統具有體積小、性能強、功耗低、可靠性高以及面向行業應用的突出特征，目前已經廣泛地應用于軍事國防、消費電子、網絡通信、工業控制等各個領域，嵌入式系統取代單片機將成為歷史的必然選擇。所以，嵌入式系統創新教學實踐平臺的建設顯得格外重要。該平臺不僅可適用于我校自動化、測控技術與儀器等專業，也適合電氣工程及其自動化、電子信息工程、網絡與通信工程、計算機科學與技術等專業的高年級本科生嵌入式系統相關課程教學與實驗、課程設計和畢業設計等內容，還可適用于碩士研究生和部分優秀本科生參加?。ㄊ校┗蛉珖髮W生嵌入式類競賽。因此，本平臺采用目前流行的嵌入式ARM微處理器，操作上選用嵌入式Linux系統和Window CE操作系統，實驗平臺提供開放式的程序接口，可為使用者預留豐富的開發、擴展空間，通過具體的實踐操作，讓使用者掌握嵌入式系統設計與應用系統的開發。圖1所示為嵌入式系統創新教學實踐平臺。

三、提高大學生創新能力培養的改革與實踐

嵌入式系統課程在大學生的創新教育方面具有非常重要的地位和作用，教師必須在教學的各個環節中結合專業學科情況而不斷更新教學方法和實踐內容，只有這樣才能將新的知識點和創新設計方法滲透到教學的各個環節，進而培養出創新實踐的優秀人才。本成果通過以下幾個方面的改革與實踐來提高大學生創新能力的培養：

1.合理規劃和設計教學內容，理論與實踐充分結合

在嵌入式系統的教學方法和內容上，借鑒國外先進教學方法和國內市場上嵌入式專業培訓公司的經驗，采用講座式的教育教學方式對學生進行基本知識點的教學培訓，每次理論課程教學時，選取最基本、最重要的概念和知識點進行講解。理論課后，給學生充足的時間消化、吸收和參考網上及其他圖書資料。待學生掌握這些基本知識后，結合自動化和測控技術的嵌入式應用領域，采用項目驅動的方法，將學生按2～3人一組，為每組學生提供設計性、綜合性課題，讓其初步掌握面向本專業應用的嵌入式系統項目設計和開發的全過程，這樣操作起到了很好的效果。

在實踐教學內容上，由于嵌入式系統課程的技術特殊性，以及我校電力行業的學科和專業特色，市面上適合專業教學的教材或參考書籍又非常少，而且實驗平臺所對應的參考資料僅是針對具體實驗設計，所以課程組老師出版了《基于工業網絡的嵌入式發電設備狀態監測》（北京：中國電力出版社.2009）作為課程在電力行業應用開發的參考案例和教材，并編制了適合電力行業自動化專業教學的嵌入式計算機系統講義，內容十分豐富。

2.以學生為認知的主體，變被動學習為主動學習

在嵌入式系統的教學和實踐中，強調以學生為認知的主體。教學中要盡量選擇一些學生在平時生活和專業知識學習中的應用問題作為引起其感興趣的內容，打破傳統課堂教學的弊端，以實例和實驗為主線，實行講授與實驗實踐充分相結合的教學方式。根據課程知識體系，設計相適應的實驗內容，通過一些簡單的實驗應用，先讓學生看到實驗的過程及結果，變抽象為具體，變枯燥為有趣，進而激起學生對嵌入式系統的學習興趣；然后再讓學生自己動手實驗，在實驗中逐漸加深理解內容，體會在實驗實踐中所學到的知識。

3.采用項目驅動提高學生興趣，培養學生創新意識

為提高學生創新實踐能力，教學過程中采用項目驅動教學方式，教師在此過程中通過實踐引導學生自己去通過實踐來尋求答案，讓學生由被動學習變為主動學習，從而達到培養能力的目的。項目驅動教學方式是通過引入具體的實例開展教學，在這過程中，授課教師通過給學生分析項目的需求、設計方法等，一步一步地引導學生進行嵌入式系統實例項目的學習，進而激發學生的學習興趣，讓學生進行有目的的學習。實施過程中，將2～3名學生組成某一個嵌入式實例應用開發的興趣小組，每個學生都將分擔具體的工作，履行各自的責任，共同完成項目，不僅能發揮學生的個性，更有利于培養學生的創造性。

此外，充分利用實驗室建立的嵌入式系統創新教學實踐平臺，把實驗室向所有學生開放，只要學生有時間和興趣，就可以隨時到實驗室進行實驗與實踐，指導教師在課外時間也給予學生一些必要的指導。同時，鼓勵學生積極申報或參與學校和市級大學生科創類項目，部分特別優秀學生也參與指導老師承擔的國家、省部級縱向課題和企業委托橫向項目。這樣可以讓有能力的同學進行拓展性實踐，極大地提高了學生從事科學研究與技術開發的能力。

4.選擇合適的應用項目，作為項目驅動實踐的主線

如何選擇合適且有意義的實例項目是采用項目驅動教學方法首先需要考慮的問題。針對嵌入式系統的特點，實例項目應該來自能滿足某種行業和學科專業需求，也可以來自于教師的科研項目或者各類創新研究課題和競賽項目，對其難度要求適中，能滿足教學實踐要求即可。對于自動化、測控技術與儀器等專業，實例項目內容會側重于工業控制、數據采集、數據通信、智能儀表、DCS控制系統等。在課程教學時，如果教學條件具備，可以首先展示實例樣品，讓學生有感性認識，以調動其學習興趣和積極性；然后根據實踐要求劃分項目模塊，讓學生了解具體需要開展哪些工作和解決哪些技術問題。實踐過程中，各個小組之間可以互相交流和學習借鑒，最終完成從系統需求分析到研究設計，再到最終產品樣機的開發全過程。在這樣的教學過程中，學生通過親自動手驗證所學的知識，理論與實際應用充分相結合，真正掌握了嵌入式系統設計與研究開發的能力。

5.改革課程考核方法，突出項目驅動實踐過程成績

課程考核是整個教學過程的重要組成部分，也是直接檢驗教學成果和成效的方式。在項目驅動的嵌入式系統教學實踐中，必須突出學生動手實踐能力和創新研究能力的重要性。此外，嵌入式系統這門課程的綜合性和實踐性也決定了不能用通常的閉卷考試方式來衡量學生的成績，必須通過大量的實驗和實踐環節來加深學生對嵌入式系統知識的理解和掌握。因此，需要改變傳統期末試卷考試的做法，改為注重學生的平時成績和實驗實踐過程成績，將平時成績和項目實踐過程成績二者結合起來的考核方式顯得更加靈活和有效。平時成績以學生出勤和在項目實施過程中提出問題、解決問題的情況為標準，項目實踐過程成績以課程后期實例項目中的效果以及答辯的情況為標準。實踐考核采取過關制，執行實踐過程成績不及格，該門課程的總成績就應為不合格的考核制度，進而從思想深處來改變學生在其他課程中重理論輕實踐的現象。由此可見，該考核方式是對項目實施全過程的考核，而并非僅對最終結果進行考核，可以更加全面地考核學生在實例項目學習中的表現。

四、結束語

根據我校電力行業的學科和專業特色，結合嵌入式系統課程的技術特點，通過開展項目驅動的嵌入式系統教學改革與實踐，采用講座式的教學方法，強調以學生為認知的主體，變被動學習為主動學習。教學內容上理論與實踐相結合，通過學生和教師的互動，使學生在實踐過程中學習理論知識，掌握實踐操作技能，提高了學生分析問題和解決問題的能力。通過采用項目驅動的實踐方法，使學生在課外實踐中強化知識訓練，鍛煉綜合實踐能力。同時，我校鼓勵學生開展各類科技創新項目，極大地提高了學生從事科學研究與技術開發的能力。

參考文獻：

[1]唐永鋒，唐永閣，張金霞.嵌入式課程教學改革與創新型人才培養研究[J].科技信息，2010，（22）：49.

[2]孫偉，張小瑞，張自嘉.《嵌入式系統》教學及大學生創新能力培養初探[J].中國科技信息，2012，（1）：141-142.

[3]葛芬.項目驅動的嵌入式系統教學探討[J].科技信息，2011，（33）：38-39.

[4]馮濟琴，朱革，陳古波.ARM嵌入式系統教學方法研究及實踐探索[J].中國現代教育裝備，2012，（7）：63-65.

[5]張淑艷，馬春龍，王金莉，等.嵌入式系統課程教學改革與實踐[J].中國科教創新導刊，2012，（11）：64.

[6]賀安坤，薛進，宋長青.嵌入式系統專業實踐教學的研究[J].實驗室科學，2012，15（4）：161-164.

[7]黃偉，王志萍，彭道剛.應用型高校自動化專業課程建設的研究與實踐[J].中國電力教育，2012，（11）：44-45.

（責任編輯：王意琴）