高校嵌入式系統課程教學改革研究

湯萍萍　王冬菊

摘要：傳統的嵌入式系統教學在新環境新形勢下急需更新。通過市場調查和教學現狀分析，根據多年的嵌入式教學經驗，探索以實踐為導向的嵌入式系統教學改革，并取得了較好的教學效果。

關鍵詞：嵌入式系統;教學改革;改革研究

中圖分類號：TP311 ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）13-0151-02

1 背景及教學現狀分析

嵌入式系統是先進的計算機技術、半導體技術和電子技術相結合的產物，是一個技術密集、不斷創新的知識系統。尤其是5G技術的革新，帶來物聯網的崛起和飛速發展，也給嵌入式系統帶來新的契機和挑戰[1]。

然而，該課程的知識更新速度明顯快于傳統學科，教學難點和暴露的問題日益突出，具體分析如下：1）多領域知識與技術的結合。嵌入式領域的專家一致認為[2]，嵌入式系統具有很強的綜合性，如計算機工程、軟件工程、通信、自動化等，其專業框架大、基礎內容廣，導致教學體系的量身定制有著較高要求，考慮因素眾多。2）軟件與硬件的結合。嵌入式系統是軟件和硬件的緊密結合，這個特點也決定了嵌入式系統的教學體系必須是軟件和硬件兩條線并行并重。3）理論與實踐相結合。嵌入式系統以應用為中心、注重實踐，必須通過大量的實驗和實踐環節來提升嵌入式系統的專業知識和實際動手能力。在目前的教學條件下，如何提高實驗教學水平和實際動手能力是個難題。

我院從2006年開設嵌入式系統課程至今，雖然積累了很多寶貴經驗，但在科學技術日新月異的形勢下，傳統教學內容、方法和手段已不能適應發展的需要。為此，我們從2012年開始，組建教學團隊，針對嵌入式系統課程的特點，探索嵌入式系統課程的系列教學改革，并取得了較好的教學效果。

2 教學體系改革

據《2015-2020年中國嵌入式計算機行業競爭格局分析及發展前景預測報告》顯示的嵌入式人才培養的技能需求，以及IEEE和ACM起草的嵌入式系統課程體系的建議[4]，再結合我院各專業的特點和培養目標的要求，確定了嵌入式系統的課程體系架構如圖1所示。

這里，支撐嵌入式系統的基礎課程有：數字電路，模擬電路、數據結構、C語言程序設計、單片機原理、計算機組成原理、操作系統原理、計算機網絡等。需要特別說明的是，我們在這些先修課程里溶入了一些嵌入式系統的知識，例如在Linux GNUCC環境下學習C語言編程，在微機原理課程中講述嵌入式系統和PC的區別和共性，在單片機課程中講解CISC和RISC指令集等等。在基礎課程里溶入嵌入式系統的知識，為學生在高年級學習嵌入式系統打下良好的基礎。另外，這種溶入的方法使得各門課程之間相互銜接，有較強的系統性和連貫性。

3 教學模式改革

傳統的教學模式重理論輕實踐、強調知識學習而忽略開拓創新、重視個人學術能力而輕視團隊協作精神，為此，我們探索一系列以實踐為導向的教學模式（包括CDIO教學模式、三明治教學模式、信息化輔導教學模式等等），努力培養全方位的嵌入式人才，強調能力素質教育。

1）CDIO教學模式[5]。CDIO是近年來國際工程教育改革的最新成果，以綜合的培養方式使學生在基礎知識、個人能力等方面達到預定目標，適合工科教育教學過程各個環節的改革。為此，我們引入CDIO教學模式，并結合我院實際和專業特點，提出項目驅動的嵌入式系統課程設計，通過產、學、研的廣泛合作，以典型的工程項目為對象，培養學生的動手能力，幫助分解提煉理論知識點和實踐知識點，并將它們滲透到教學之中。另外，根據CDIO教學模式，我們還建立了雛鷹計劃工程，該工程以團隊合作為內容，設計組織學生以團隊合作方式進行實驗實踐環節的訓練，從而鍛煉學生的團隊協作能力。

2）三明治教學模式。英國的三明治教學模式，是指將理論知識應用于實踐，又從實踐經驗提升理論學習的過程。受這種模式的啟發，再結合嵌入式系統教學的實際需要，我們將教學過程設計為實踐和理論相互穿插的漢堡巨無霸模式：傳統嵌入式系統課程的第一周是概要介紹，革新后的第一周教學內容，是讓學生接觸實際的嵌入式產品或生產環節，這屬于認知性的實踐教學;在接下來的2-8周是基礎知識教學;6-12周是以實驗和實踐為主的應用型教學;10-15周是提升的理論知識教學;14-16周是提升式技能教學。這種模式下，理論與實踐相互穿插，達到理論教學和實踐教學教學相長的目的。

3）分層教學模式。根據多年的教學經驗，將教學目標根據學生的學習層次分級制定更具有實際意義。為此我們進行一系列的分層行為，包括團隊分層，任務分層，教學內容分層等等。例如，在教學后期，我們根據學生的基礎與接受能力的不同，劃分為不同層次的研發團隊，給予不同層次的任務，如模仿驗證型、自主設計型、思考創新型。這種分層的方法，不僅促進了優等團隊的特色建設，普通學生也各有所學、各有所獲。

4）頭腦風暴的考核模式。傳統的考核方式是筆試成績（期末考試）+平時成績（點名、實驗報告等），主要考察基本理論知識的掌握程度。以實踐為導向的嵌入式系統教學改革大環境下，需要突出學生操作技能和實踐創新能力，因此采用課程考核、認證考核以及競賽考核的1+1+1模式：課程考核即為傳統的考核模式;認證考核以信息產業部“嵌入式系統開發工程師”認證和微軟“WinCE嵌入式工程師”認證為主，其他認證為輔;競賽考核，主要是鼓勵學生積極參加國內外嵌入式系統競賽，比如全國大學生電子大賽、博創杯嵌入式設計大賽、ZLG杯ARM嵌入式系統畢業設計大賽等等，激發學生實踐能力和創新能力。

5）信息化輔導教學模式。網絡的出現深刻地影響著學習方式的改進，在嵌入式系統的教學過程中，我們高度重視網絡手段對傳統教學方式的補充作用，通過在線學習系統（online learning system）的教學網絡平臺實現信息共享和知識更新，例如上傳教學課件和演示案例、在線問題討論等。這種新型的網絡輔導教學方法為學生的自學、復習提供了豐富的資源，為師生之間、學生之間的交流溝通建立了實時通道，對嵌入式系統的教學提供強有力的支撐。

4 教學方法改革

現代教學認為[3]，教學是教師與學生、學生與學生共同參與的多邊活動，學生是教學的主體。于是，我們以“實用、有趣、有效”為指導思想，探索嵌入式系統的一系列教學方法，目的在于激發學生的學習興趣，培養學生的學習能力，鍛煉學生的動手能力，引導學生的創新能力。

1）案例教學法。初創于哈佛商學院，是一種以案例為基礎的教學法。嵌入式系統教材中最明顯的特征是內容生硬，學生很難把抽象的知識和實踐結合并具體應用，通過設計有趣的案例來吸引學生，提高表達能力，縮短了教學情境與實際生活情境的差距。例如在理論教學初期介紹ARM處理器時，我們設計了一些模擬數字電路功能的“軟件芯片”，通過在多媒體教室 PC 機演示其功能，幫助學生對知識點的理解和入門。

2）倒推教學法。嵌入式系統課程中有很多專業性極強的理論知識部分，學生對晦澀難懂、抽象難理解的內容非常乏味，為此，我們的教學團隊對嵌入式教學方法進行了大膽的改革，效果證明倒推法完全改變了教學過程枯燥單調的狀況。例如在課程設計環節，首先就讓學生見識一個實際的嵌入式產品，再以這個典型的嵌入式產品為目標，將產品分解，倒推出一個產品的開發過程。

3）實戰教學法。嵌入式系統的教學方法與傳統課程的教學相比，需要突出實際動手能力的培養。為了提高學生的創新和實踐能力，利用課余時間和現有的實驗條件，為學生搭建科技競賽的訓練平臺，鼓勵學生積極參加各類嵌入式比賽，如全國大學生電子設計競賽—嵌入式系統專題邀請賽，微軟嵌入式全球大學生挑戰賽，博創杯嵌入式競賽等。

參考文獻：

[1]Beck A C S， Lisb?a C A L， Carro L， et al. Adaptability： The Key for Future Embedded Systems[M]. Springer New York， 2011.

[2]周立功. 如何選擇適合當前項目的嵌入式操作系統[J]. 單片機與嵌入式系統應用， 2010（1）：5-6.

[3]邵士權. 我國高等學校教學方法創新研究[D]. 華中科技大學， 2011.

[4]趙一鳴. ACM/IEEE-CS 2011與計算機專業課程設置[J]. 高等理科教育， 2012（1）：43-47.

[5]Yuan L， Wang L. Teaching method reform of the drawing course by integrating CDIO mode[C]// International Conference on Computer Science & Education. IEEE， 2011：1301-1302.

【通聯編輯：唐一東】