以實際應用為導向的嵌入式系統教學改革探索

謝家祖 張翠萍 張寶菊

摘? 要：本文在總結嵌入式系統課程教學過程中存在問題的基礎上，探索以實際應用為導向的嵌入式系統教學改革手段，提出面向實際應用的嵌入式系統教學改革方案，并在本科生實際教學過程中進行試用。一系列的教學改革手段，有效增強了學生對嵌入式系統課程的學習興趣，激發了學生學習的主動性和創新性，提升了嵌入式系統課程的教學效果，同時也使得學生的嵌入式系統開發能力與企業需求實現良好匹配，體現出高校人才培養與社會需求的良好契合度。

關鍵詞：實際應用;嵌入式系統教學;創新性;企業需求

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2020）44-0121-03

隨著半導體技術的快速發展，各類新技術層出不窮，新需求也不斷涌現，社會對嵌入式系統方面的人才需求也在不斷增加，對嵌入式系統人才的能力要求也發生了改變。目前在開設“嵌入式系統”課程的內容設置、教學方式方法、課程考核方法與教學指導思想等方面，國內眾多高校未能及時跟上新技術的發展步伐，人才培養未能滿足社會發展需求，需要企業開展二次培訓，這既增加了社會和企業的用人成本，也束縛了企業的創新能力。因此，高校有責任開展市場調研，并根據反饋結果對課程進行改革創新，以適應社會需求，服務社會。

一、當前嵌入式系統教學的問題

目前，國內眾多高校電類相關專業都開設了嵌入式系統相關課程，嵌入式系統課程是一門多學科交叉課程，課程內容涉及計算機組成原理、計算機操作系統、C語言程序設計、ARM體系結構、數字電路、模擬電路、單片機及接口技術等課程。基于嵌入式系統本身涉及的課程眾多、知識點的講解需要綜合多門專業課程的特點 [1]，目前國內高校在嵌入式系統課程教學過程中普遍存在以下問題。

（一）學生學習積極性不高

首先，嵌入式系統是一門綜合性課程，需要學習多門專業基礎課程，例如C語言程序設計、計算機組成原理、數字電路等。由于涉及基礎課程較多，知識面分布較廣，部分學生基礎較為薄弱，或者知識點關聯能力弱，導致基礎知識不系統，在學習嵌入式課程時就自然而然存在畏難情緒，極大削弱了學習興趣 [2]。其次，課程設置不合理，課程間銜接欠妥，例如，基礎課程后置，導致開設嵌入式課程時，一些基礎課程還未開設，使學生認為嵌入式系統課程難度較大。再次，教學過程中，部分教師的實踐教學能力不足，工程實踐能力欠缺，導致嵌入式課程教學偏重于理論講解，學生未能順利開展實驗練習。最后，一些專業基礎課程并不注重基礎知識的實踐應用，導致學生在嵌入式課程學習過程中難以熟練應用課程基礎知識，尤其是在實踐環節，很難運用學過的知識分析并解決實際問題，從而產生嵌入式課程難以理解的印象，學習積極性因此被削弱。

（二）教學內容老舊

嵌入式系統教學內容更新不能與新技術發展相適應，現行教材講授的內容較為老舊，近年涌現出來的新技術很難納入現行教學內容。究其原因，一方面，嵌入式系統實驗教學平臺、設備陳舊，大多基于C51系列單片機或ARM9 核的嵌入式微處理器，導致所學的內容不能滿足實際工程應用開發的技術要求 [3];另一方面，嵌入式系統教學配套使用的實驗設備一般較為昂貴，更新淘汰需要一定周期，難以做到大面積、高頻率淘汰更新，導致教學內容更新較慢;再者，大部分授課教師與社會接觸較少，對嵌入式新技術發展不敏感。嵌入式系統課程設計的新技術發展迅速，在教學過程中，教師需要把握前沿技術，適當對教學內容做出調整，例如，淘汰某些匯編語言編程的篇幅，引入嵌入式操作系統相關知識點。

涉及嵌入式系統的一些基礎課程，也應對教學內容加以更新。根據行業發展的前沿應用場景，應適當做出調整，不斷增加現有知識點在新應用場景下的實踐應用教學。教師可在教學內容中引入一些新知識點，并聯系實際應用進行講解，提高新知識點的趣味性，以增強學生的學習興趣，同時也要適當刪減傳統知識點所占的課時比例，保證課時分配合理均衡。

（三）重理論輕實踐

嵌入式系統是一門偏重實踐的課程，但目前大多數學校理論課時是實驗課時的兩倍，理論課時明顯重于實踐。在理論課中，嵌入式系統的概念相對抽象，學生理解起來相對困難。在實驗課上，學生能親自動手驗證理論課上難度較大的知識點。大部分學校嵌入式系統實驗教學使用的是現成實驗箱開設實驗課程，學生做實驗的過程，大多是對現成例程的驗證過程，缺少自主編寫程序、自主調試電路的環節，這也是學生不能深入學習嵌入式課程的原因之一。

使用實驗箱系統，能方便教師教學，且配套有相應的例程和實驗指導書。但是對于學生來說，會導致實驗過程過于簡單，達不到實驗應有的效果，且實驗箱系統不便于實時更新內容。若授課教師形成自己的嵌入式系統實驗方案，一方面可以隨時更新內容;另一方面也能較好地把控例程等實驗材料，達到良好的實驗效果。

二、以實際應用為導向的嵌入式系統課程改革方式

基于上述嵌入式系統教學現狀存在的諸多問題，從實際應用出發，引入近年涌現的嵌入式新技術，對嵌入式系統課程進行改革創新，并以功能模塊的形式導入嵌入式系統教學中，讓學生在學習中直觀接觸新技術，增強學生學習興趣，激發學習主動性，新技術的模塊化可以屏蔽模塊底層具體實現的復雜度 [4]，降低學習應用難度，嵌入式系統課程的改革可從以下幾點入手。

（一）改革課程內容

高校應擯棄老舊型號的嵌入式處理器，選擇目前廣泛流行使用的ARM Cortex-M3嵌入式處理器作為課程講解的核心，該處理器架構較新、參數性能較高、學習資料豐富，并以具體型號STM32F103處理器為核心設計實驗板，核心板擴展所有IO資源，集成ISP電路，僅使用USB接口就能夠進行嵌入式系統開發。在學校實驗經費有限的前提下免費提供給學生，進而淘汰昂貴且不便更新的嵌入式系統實驗箱，同時也方便學生在課堂之外進行自主實驗，極大降低開發門檻，方便學生隨時隨地進行嵌入式系統學習，為學生創造良好學習環境和條件。同時為了增強學生興趣，結合實際應用提供系列新技術擴展實驗電路模塊，例如：GPS定位實驗、WIFI組網實驗、藍牙通信實驗、LORA通信實驗、TFT顯示實驗、圖像獲取處理實驗、IOT物聯等。學生能在完成嵌入式課程學習的基礎上，參加挑戰杯等學生課外競賽活動。

（二）改革教學形式

基于嵌入式系統課程偏實踐應用的特點，應改變以往教學步驟，以實例應用為導向。首先讓學生直觀接觸并感受教學內容，激發學生好奇心和學習興趣。再逐步引導學生理解實驗的具體實現原理、實現步驟，讓學生掌握教學內容的具體實現方法，并要求學生在模板例程的基礎上進行修改和擴展，完成自己設定的實驗擴展功能，做到根據例程實現舉一反三，進而對實驗程序進一步理解和掌握，即做到“知其然，然后知其所以然”。

（三）改革考核手段

課程考核上，應以實現預期實驗現象作為掌握課程內容的評判依據。在實驗的基礎上，學生自我設計擴展實驗效果，增加自我設計實驗項目考核環節。每次實驗過程中，要求學生提出自己設計的預期效果，并在基礎例程上完成代碼修改，實現預期實驗效果，提高學生自我設計及創新實驗的能力。以基礎實驗和設計自主實驗作為課程考核的重要內容。在課程期末考核上，要求每位學生完成具有一定功能的實踐項目，并計入考核成績。例如：實踐項目的復雜程度、設計構思的新穎性和可行性、模塊電路的功能考慮及選擇、實際測試效果等。摒棄傳統的卷面考試，以實踐項目實驗演示和答辯解說的方式開展考核，并結合平時實驗擴展效果給出課程評價分數。

（四）改革教學指導思想

嵌入式系統知識面廣，涉及的學科眾多。應在考慮學生專業特點的基礎上，以專業若干技術應用實驗為主線，直觀展現實驗的具體過程，讓學生能清晰地感知實現方法及實施步驟，把學習真正落到實處，并扎實掌握課上講解的知識點。

作為嵌入式系統課程的授課教師，應該不斷學習嵌入式系統前沿技術，時刻保持學習熱情，實時把握嵌入式系統主流的發展方向，適時更新教學內容，改革教學指導思想，并將教學內容與科研緊密相連，做到科研反哺教學，教學促進科研，使學生更加契合社會需求。例如，在教學過程可引入橫向項目的案例，通過實際案例講解晦澀難懂的知識點。

三、結語

本文總結了現行嵌入式系統教學過程中存在的若干問題，在此基礎上，針對教學的各個環節提出了改革措施，引入學生感興趣的新技術應用內容，提升課程吸引力，激發學生參與實踐環節的主動性和積極性，同時針對嵌入式系統課程實踐性強的特點，更新教學方式方法，革新教學指導思想，通過上述措施能有效提升嵌入式系統課程的教學效果。

參考文獻：

[1] 孫偉，李嚴，等. 面向應用的嵌入式系統教學改革與探索[J]. 工業和信息化教育，2016（01）：32-35.

[2] 池濤，陳明，等. 國際化模式結合本土案例實現嵌入式系統教學[J]. 教學研究，2018，41（01）：75-79.

[3] 劉威，常瑞，謝耀濱. 面向系統能力培養的嵌入式系統課程教學模式改革與實踐[J]. 計算機教育，2019（01）：39-43+47.

[4] 王立新，蔣烈輝，等. 以嵌入式為核心的計算機課程體系建設[J]. 計算機教育，2016（02）：66-68.

（責任編輯：胡甜甜）