《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)》應(yīng)用型課程實踐教學(xué)研究

吳櫂耀 魏楊 黃毅 楊智勇

摘要：針對嵌入式開發(fā)人員需求量大但學(xué)習(xí)入門難度大、國內(nèi)外高校嵌入式課程教學(xué)中的問題和不足、學(xué)生學(xué)習(xí)和實踐困難等問題，提出了相應(yīng)“階梯式實踐教學(xué)體系+四個維度的實踐能力培養(yǎng)”的實踐教學(xué)方案。實施過程中，采用“基礎(chǔ)層→進階層→創(chuàng)新層”的階梯式實踐教學(xué)體系;以實際項目為主線開展實驗設(shè)計，在實驗過程中從“分析問題能力”“解決問題能力”“實驗研究能力”及“應(yīng)用創(chuàng)新能力”四個維度對學(xué)生進行實踐能力的培養(yǎng)。此方案已應(yīng)用到我校計算機專業(yè)教學(xué)中，通過實踐教學(xué)的實施，學(xué)生對該課程的接受度、實驗?zāi)芰Α?yīng)用知識的能力、團隊合作能力等方面有明顯提升。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng);課程建設(shè);應(yīng)用型;實驗設(shè)計

中圖分類號：TP311? ? ?文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）04-0152-02

1 引言

《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)》課程是計算機類專業(yè)的專業(yè)核心課，通過本課程的學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)開發(fā)所必需的基礎(chǔ)知識、設(shè)計理論和設(shè)計方法，培養(yǎng)學(xué)生具有扎實認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度、團隊合作能力和創(chuàng)新精神。

市場需求方面，目前市場上嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品非常多，行業(yè)機會很大，對嵌入式技術(shù)開發(fā)人員的人才需求量大，但是由于入門難度較大，對相當(dāng)大一部分學(xué)生造成了困難，學(xué)生望而卻步。

高校人才培養(yǎng)方面，國內(nèi)外高校在本課程的教學(xué)過程中存在一些問題和不足，主要包括：

1）由于嵌入式應(yīng)用所涉及知識面跨度大、綜合應(yīng)用能力要求高、知識點繁雜且不容易掌握，學(xué)生學(xué)習(xí)起來比較吃力，對基礎(chǔ)知識的理解、案例的應(yīng)用、技能的掌握等方面存在一定的困難和不足之處[1];

2）教學(xué)方法較傳統(tǒng)，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識沒有被激發(fā)出來，因此學(xué)生學(xué)習(xí)效率較低，課堂表現(xiàn)也不好[2];

3）學(xué)生層次和水平參差不齊，課程設(shè)計得太難，能力差的學(xué)生一開始便因為跟不上節(jié)奏而掉隊。設(shè)計得太容易，功底好的學(xué)生容易對知識產(chǎn)生疲倦感，因此如何設(shè)計好課程給教師教學(xué)帶來了挑戰(zhàn);

4）教學(xué)實踐環(huán)節(jié)，學(xué)生只能按部就班地進行實踐，學(xué)完就忘，不能真正地轉(zhuǎn)化為自己的知識[3]。

鑒于上述國內(nèi)外現(xiàn)狀，本文開展《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)》課程實踐教學(xué)研究，對現(xiàn)有教學(xué)模式和教學(xué)方法進行設(shè)計和創(chuàng)新，探究出學(xué)生易于接受、樂于參與、滿足畢業(yè)要求和行業(yè)要求的應(yīng)用型課程教學(xué)方法，形成應(yīng)用型課程實踐教學(xué)方案，并將該方案應(yīng)用于我校計算機專業(yè)相應(yīng)課程的日常教學(xué)中。

2 具體的應(yīng)用型課程實踐教學(xué)實施方案

2.1 實踐教學(xué)方案設(shè)計

基于現(xiàn)有行業(yè)中對嵌入式開發(fā)人員的基本要求，結(jié)合國內(nèi)外高校在本課程的教學(xué)過程中存在一些問題和不足，本文開展《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)》應(yīng)用型課程實踐教學(xué)方法研究，提出了相應(yīng)“階梯式實踐教學(xué)體系+四個維度的實踐能力培養(yǎng)”的實踐教學(xué)方案。

1）階梯式實踐教學(xué)體系

本課程實踐教學(xué)基于“以學(xué)生為中心、雅典式教學(xué)”的教學(xué)理念[4]，采用OBE工程教育模式，以培養(yǎng)行業(yè)需要的嵌入式人員為目標(biāo)來開展實踐教學(xué)的過程設(shè)計。教學(xué)設(shè)計中，兼具開放的實踐教學(xué)模式[5]，以項目的實際應(yīng)用為出發(fā)點來組織實踐教學(xué)內(nèi)容，項目實驗的設(shè)計與所講授的知識點相關(guān)聯(lián)，且采用“小項目+大項目”進行實驗內(nèi)容的設(shè)計，形成階梯式實踐教學(xué)體系。

2）四個維度的實踐能力培養(yǎng)

本課程實踐教學(xué)從“分析問題能力”“解決問題能力”“實驗研究能力”及“應(yīng)用創(chuàng)新能力”四個維度對學(xué)生進行實踐能力的培養(yǎng)，如圖1所示。通過有針對性的實踐教學(xué)設(shè)計和有效實施，最終提高學(xué)生解決實際工程問題的能力，達到課程目標(biāo)的要求，培養(yǎng)行業(yè)需要的應(yīng)用型人才。

2.2 實踐教學(xué)方案實施

確定具體實施方案后，實踐教學(xué)的實施是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本文的實施辦法已應(yīng)用在我校計算機專業(yè)教學(xué)中，方案實施過程如下：

1）在“階梯式實踐教學(xué)體系”的實施方面，以項目的實際應(yīng)用為出發(fā)點來組織實踐教學(xué)內(nèi)容，逐步引導(dǎo)學(xué)生在掌握嵌入式開發(fā)基礎(chǔ)知識后進入項目實驗環(huán)節(jié)。項目設(shè)計上采用“小項目+大項目”的方式（在教學(xué)過程中，首先完成多個小項目，之后完成大項目，大項目開發(fā)過程中需要用到的模塊均來自各小項目）。下面以控制LED燈的實際應(yīng)用為例開展階梯式實踐教學(xué)設(shè)計，如表1所示，從基礎(chǔ)型、進階型、設(shè)計型、綜合型等4個維度設(shè)計LED燈的應(yīng)用實驗，通過這種遞進式的實踐教學(xué)安排，學(xué)生易于接受、吸收、應(yīng)用所學(xué)知識點。

2）在“分析問題能力”“解決問題能力”培養(yǎng)方面，以課堂講授+隨堂練習(xí)為主，主要講解嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)相關(guān)的基本概念、基本理論、基本分析方法以及編程思想，將實際工程中所需的理論知識、研究方法、Linux系統(tǒng)編程思想等融入基本知識的講解中，使同學(xué)們能更好地熟悉和掌握嵌入式開發(fā)所需的基本知識點，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和學(xué)習(xí)目的，做到針對項目工程需求的應(yīng)用教學(xué);課堂教學(xué)盡量引入互動環(huán)節(jié)，通過問題導(dǎo)入教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生尋找解決方案，提高教學(xué)效果。

3）在“實驗研究能力”培養(yǎng)方面，以課程實驗為主，在理解基本概念、研究方法、Linux系統(tǒng)編程思想的基礎(chǔ)上，通過實際開發(fā)與實踐，動手尋找答案，以培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作及解決復(fù)雜工程問題的能力。

4）在“應(yīng)用創(chuàng)新能力”培養(yǎng)方面，以課堂討論、課后啟發(fā)式作業(yè)為主，培養(yǎng)學(xué)生在對嵌入式產(chǎn)生興趣的基礎(chǔ)上主動進行探索和實踐;具有運用所學(xué)知識的能力、創(chuàng)新能力、鍛煉表達能力;通過合作客觀評價相關(guān)工程對社會、經(jīng)濟等影響，發(fā)表自己的見解，提升學(xué)生的綜合能力。

2.3 實踐教學(xué)方案實施中的教學(xué)手段

在實踐教學(xué)方案實施過程中，采用的教學(xué)手段包括：

1）通過講授法講解嵌入式基礎(chǔ)理論知識，讓同學(xué)們能夠?qū)A(chǔ)知識點有清晰的理解;

2）通過案例教學(xué)法使學(xué)生能夠通過案例加深對多學(xué)理論知識的運用，明白理論是如何和實際相結(jié)合，如何進行嵌入式開發(fā)入門;

3）通過情景教學(xué)法使學(xué)生能夠融入一個情景下，進行實際功能的應(yīng)用程序編寫并調(diào)試;

4）通過討論法使學(xué)生積極參與到項目的討論中來，通過討論更好地加深和強化所學(xué)知識點，深度分析并探討實踐中遇到的問題。

3 實踐教學(xué)方案實施效果分析

本文研究方案已在我校計算機專業(yè)課中進行教學(xué)實施，通過本課程的實踐教學(xué)實施，學(xué)生對該課程的接受度、實驗?zāi)芰Α?yīng)用知識的能力、團隊合作能力等方面有明顯提升，學(xué)生達到對嵌入式開發(fā)人員的基本要求，掌握相關(guān)知識包括：（1）嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識，主要包括：嵌入式系統(tǒng)概述、嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境搭建、交叉編譯工具鏈建立、最小Linux系統(tǒng)制作、ARM Cortex-A9 處理器架構(gòu)、ARM指令集及匯編程序設(shè)計;（2）嵌入式系統(tǒng)接口技術(shù)及應(yīng)用（基于三星Exynos4412平臺開發(fā)板），主要包括：GPIO、時鐘管理單元、中斷系統(tǒng)、DMA控制器、PWM定時器和看門狗、NAND Flash控制器、UART、SPI、I2C、ADC等各部分驅(qū)動軟件設(shè)計與開發(fā);（3）嵌入式Linux系統(tǒng)移植，主要包括：U-Boot分析與移植、Linux內(nèi)核基礎(chǔ)知識、Linux內(nèi)核移植。

4 小結(jié)

目前市場上嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品非常多，行業(yè)機會很大，對嵌入式技術(shù)開發(fā)人員的人才需求量大，但是由于入門難度較大，對相當(dāng)大一部分學(xué)生造成了困難，學(xué)生望而卻步;高校人才培養(yǎng)方面，國內(nèi)外高校在本課程的教學(xué)過程中存在一些問題和不足，導(dǎo)致學(xué)生對課程不感興趣，學(xué)習(xí)起來非常吃力，培養(yǎng)的學(xué)生達不到市場對應(yīng)用型人才的需求。

基于對上述現(xiàn)狀的分析，本文開展了《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)》課程實踐教學(xué)研究，提出了相應(yīng)“階梯式實踐教學(xué)體系+四個維度的實踐能力培養(yǎng)”的實踐教學(xué)方案，對現(xiàn)有教學(xué)模式和教學(xué)方法進行設(shè)計和創(chuàng)新，采用“基礎(chǔ)層—>進階層—>創(chuàng)新層”階梯式實踐教學(xué)體系，以實際項目為主線開展實驗設(shè)計，在實驗過程中從“分析問題能力”“解決問題能力”“實驗研究能力”及“應(yīng)用創(chuàng)新能力”四個維度對學(xué)生進行實踐能力的培養(yǎng)。

通過實踐教學(xué)體系的設(shè)計、實踐、驗證，探究出學(xué)生易于接受、樂于參與、滿足畢業(yè)要求和行業(yè)要求的應(yīng)用型課程教學(xué)方法，對培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新型人才，具有非常重要的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。

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收稿日期：2021-08-23

基金項目：本文系西南財經(jīng)大學(xué)天府學(xué)院2021年校級教育教學(xué)改革項目“《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)》應(yīng)用型課程實踐教學(xué)研究”（TFCJG202118）研究成果

作者簡介：吳櫂耀，西南財經(jīng)大學(xué)天府學(xué)院專任教師，中級工程師，從事本科生教學(xué)工作。