“嵌入式系統”教學生態環境的構建探索與實踐

竇亞玲 周 龍 蔡美玲

（[1]湖南師范大學信息科學與工程學院 湖南·長沙 410081；[2]廣州粵嵌通信科技股份有限公司湖南分公司 湖南·長沙 410000）

0 引言

2017 年，教育部推動了“新工科”發展戰略?！秶鴦赵恨k公廳關于深化產教融合的若干意見》提出，要“適應新一輪科技革命和產業變革及新經濟發展，促進學科專業交叉融合，加快推進新工科建設”。[1]“一方面設置和發展一批新興工科專業，加強建設和提升質量；另一方面要推動現有工科專業的改革創新，探索符合工程教育規律和時代特征的新培養模式”。[2]對現有的教學課程體系與教學模式進行改革，構建可持續發展的教學生態環境成為重要環節。創新創業教育與產學合作協同育人項目的實施為構建多元主體協同育人的機制，促進產教深度融合、學校與企業聯合發力培養具有創新精神、創業意識、創造能力與實踐能力的人才提供了機遇與強有力的保障。

近年來，嵌入式系統技術在新信息領域飛速發展，嵌入式系統涉及的內涵與外延知識在不斷迭代更新，多學科跨領域結構在逐步形成、多樣化應用模式日新月異。新技術與新經濟發展使得“嵌入式系統”課程的教學改革迫在眉睫。為培養具有可持續競爭力的創新人才，建立可持續的教學生態環境，重構課程體系與課程內容，升級考核標準。

1 嵌入式系統課程教學生態環境的構建方法

《教育信息化2.0 行動計劃》指出，要推動新技術支持下教育的模式變革和生態重構，推進信息技術和智能技術深度融入教育教學全過程。[3]作者近六年一線教學實踐中以計算機、軟件等工科專業的教學計劃與實施實際情況為切入點，將原有的理論與實踐教學有機融合，構建出有機的教學生態環境模型，即從教材處理、課時重組、課程內容重構、教學體系同步工程體系、量化考核升級等不同點切入，畫線成面構建可持續的教學生態環境。

1.1 可持續性教學資源生態環境構建

“嵌入式系統”是一門實踐程度要求很高的課程，[4,5]技術日新月異，傳統教材具有時間和空間的多重局限性。2015-2017我們采用的是ARM 920T系列芯片，當時市面教材僅僅只有講原理沒有針對性具體芯片模塊的實操方案與程序代碼，全部實操方案都是本文作者測試調試完成，費時費力。2018 年嵌入式工程師培訓主流芯片升級換代成Cortex A系列，與此同時市場上STM32 成為輕量級嵌入式教學的首選。針對上述現狀，我們結合企業實際開發環境的操作模式，教學中采用了官方數據手冊取代傳統教材，運用官方提供的固件庫作為編程指南和案例工具，對于保障基礎性知識、系統性原理、技術實時性進展以及操作技能類的知識由課程老師制作成視頻與圖文手冊分享給學生。通過這些措施，傳統的教材模式被動態的可持續發展的滿足教學要求全覆蓋的多元化教學資源信息生態環境取代。

1.2 通過課時重組的方法重構教學過程生態

校內課程多數以兩課時為基本單元，而對于嵌入式這種實操性的課程，理論與實踐是融合的，很難簡單區分理論幾個課時，實踐幾個課時。從2015-2019 五年線下教學到2020 線上教學，我們在一線教學過程中不斷優化方案。六年實踐表明，較優的課時安排是以4 學時為一個單元，其中每個單元設立一個獨立的開發小項目，通過1 課時分析項目如何實施，涉及的理論知識點是什么，通過2 課時引導學生利用數據手冊找到解決方案，最后1 學時以學生為主體編寫代碼在開發板上實現。4 學時連續單元的學習是連貫緊湊的，過程思維邏輯是嚴密流暢的。

涉及較為復雜的綜合項目，比如智能小車、無人機、平衡車、智能醫療等項目，教學過程需要整合8 節或16 節的學時，利用1～2 個整天集中完成此類綜合項目。傳統的一周分散時間段的兩學時的課時方案是無法做到保持學生學習興趣完成實訓項目的。

將教學計劃中的理論與實驗學時重組，促進了課內課外學習、作業、實驗、實訓、研討、報告等多項學習任務時間上重組優化，構建出一種新的教學過程生態。

1.3 課程內容重構，同步工程化課程體系

嵌入式工程師課程體系通常涉及4 大進階模塊，從C 語言、數據結構、數據庫等專業基礎到Linux 操作系統的核心，再到主流ARM 芯片開發，最后是萬物互聯的智能工業控制、醫療、農業、娛樂等領域的經典項目實操。作為在大學三年級階段的一門專業限選課，在龐大的嵌入式工程人才培養課程體系中需要重新定位第三模塊也就是主流ARM 芯片開發。2018之后我們選用輕量化更經濟的 ARM Cortex M4 系列STM32F4**芯片作為教學開發主流開發板，作為合作方粵嵌湖南分公司免費支持了3 年的設備。三年教學實踐中我們對課程內容不斷調整，做到與培養工程化人才的課程體系的同步，形成可持續發展的教學內容及更新體系。

1.4 校內常規模式與企業工程培訓考核模式相結合構建立體考核生態

課程考核依然是最有力的學生學習促進手段，近年來，平時成績與期末成績的配比已經變成4：6。嵌入式課程的考核升級的基礎是夯實的課程教學內容，滿滿干貨?；谶@個基礎，提高課程考核標準升級課程考核生態：課程終結考試、實訓報告、項目討論、小組報告、實操演示等有機結合的多層次考核，每個考核環節引入了企業工程培訓考核的指標，有的還邀請企業工程培訓工程師參與考核。

2 嵌入式系統課程教學生態環境中關鍵實踐方案

2.1 課程內容重構具體實施方案

（1）自主學習類：嵌入式發展概況類課程內容，老師給出關鍵詞，學生查閱收集文字、視頻、音頻資料完成。課程學習群分享，不占用課上內容。

（2）ARM匯編學習類：軟件工程與計算機專業培養計劃中是沒有匯編課程的，而對于底層開發工程人員匯編尤其是ARM匯編是必修，所以課程內容中這部分需要從基礎語法規則到ARM 指令系統最后落腳在企業面試選拔編程要求，此部分占據30%理論課程內容。

（3）STM32 開發類：這個部分的內容分為兩個階段：一是直接對寄存器編程，二是進階到基于固件庫編程。第一個階段是為了讓學生理解底層寄存器工作方式，第二個階段是讓學生完全按照工程規范進行編程，固件庫的使用，規范編程工具的SI 的使用，這些都是全面按照工程標準實施。課程內容被分裝在LED流水燈、按鍵點燈、時延函數、蜂鳴器演奏、測距傳感器、溫控測量……直觀容易激發興趣的小項目中。此部分占據70%理論課程內容。

（4）綜合項目類：這個部分以小組為單位每一屆學生根據不同市場熱點選用不同綜合項目，比如2018 年我們采用智能小車利用紅外感知自動循跡。2019 年我們加入手機藍牙模塊控制小車行駛，2020 年線上環境限制了我們的綜合項目實施，2021 年我們將實施智能醫療或智慧交通類綜合類項目。占據100%課程實踐內容。

2.2 課程考核升級具體實踐方案

日常打卡式考勤不再納入課程考核分值，升級為4 學時基本教學單元必須提交一份實訓日志，包括設計方案、實施步驟、效果視頻、結果分析。發布在CSDN 或博客園，視頻分享到主流視頻學習網站如B 站學習區。占比20%。

綜合類項目考核分小組，項目期間嚴格考勤；項目結果要求演示、競技、答辯；評委由資深行業類工程師擔任，現場打分。占比30%。

筆試考核參考企業面試標準，灌水無效。占比50%。

3 教學總結

“嵌入式系統”課程教改關鍵問題在于“與時俱進”，技術更新迭代太快，一塊芯片板還不到物理損壞年限就已經被應用市場淘汰。因此，構建以學校為教學主體、融入上下游企業的新型可持續發展的教學生態環境，是保持這門課程生命力和優良教學效果的關鍵。2014-2020 六學年的教學一線實踐中我們得到學生不同方面的優良反饋，取得了不錯的教學效果。與此同時，提高了學生學習興趣和熱情，積累了大量的項目視頻資料用于分享和評估，學生實操能力得到切實提高。有統計數據表明學生升學就業選擇嵌入式系統方向的人數逐年上升。