競教結合的嵌入式系統(tǒng)實踐教學改革

　　摘要：嵌入式系統(tǒng)是一門實踐性、應用性很強的課程，重視實踐教學環(huán)節(jié)才能切實提高學生的動手能力。文章對一般院校在嵌入式系統(tǒng)課程的實踐教學中普遍遇到的問題進行分析，提出將學生競賽引入實踐教學，進而形成以競促教、競教結合的實踐教學改革思路，并對實際案例進行剖析，重點闡述競賽和教學的相互促進作用。案例表明，競教結合的方法能激發(fā)學生的興趣，提高學生的動手能力，增強教學效果。該教學方法對其他課程也具有借鑒意義。
　　關鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；實踐教學；競教結合
　　
　　近年來，國內(nèi)外企業(yè)紛紛加大對嵌入式技術的投入和研發(fā)，嵌入式產(chǎn)品已經(jīng)廣泛深入到人們生活的方方面面，僅在我國有近千億元的市場效益，而所帶動的相關工業(yè)產(chǎn)值超過萬億元，與巨大市場潛力和產(chǎn)業(yè)需求相比，嵌入式系統(tǒng)工程人才培養(yǎng)嚴重跟不上產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1-4]。為了適應社會和行業(yè)的需求，促進就業(yè)，全國各高校紛紛開設嵌入式系統(tǒng)類課程[5-6]，但作為一門新興的課程，一般院校在嵌入式系統(tǒng)的教學中，特別是在實踐教學中遇到了很多困難和問題[7-11]，如何切實提高學生的動手能力，是一個緊迫的課題。
　　
　　1當前嵌入式系統(tǒng)實踐教學中的問題分析
　　
　　嵌入式系統(tǒng)是一門實踐性和應用性很強的課程，一般高校在實踐教學中存在很多問題，主要表現(xiàn)在：
　　1) 實驗教學中偏重軟件開發(fā)的訓練，涉及硬件的內(nèi)容較少[11]。一般高校由于經(jīng)費不足等原因，實驗設備不完善，加上師資有限，在實踐教學中往往只是簡單進行軟件編程訓練，而對于硬件設計訓練則偏少，甚至沒有，造成學生在接口擴展、電路設計、驅(qū)動開發(fā)等硬件方面顯得力不從心。
　　2) 實驗內(nèi)容單一、陳舊，缺乏綜合型和研究型項目[3]。很多院校的實驗內(nèi)容單一，大都是基礎型和驗證型的實驗，缺乏綜合型和研究型項目，學生只是按照實驗指導書的給定步驟一步一步驗證而已，沒有自主發(fā)揮的空間，而且很多內(nèi)容多年沒有更新，與業(yè)界的主流開發(fā)技術和社會最新需求相差甚遠，這樣培養(yǎng)出來的學生得不到社會的認可。
　　3) 實驗教學缺少對非智力能力和綜合能力的訓練[6]。實驗教學中，學生只是去驗證一個已知結果，最后提交一份簡單的實驗報告，這些對學生很多方面的訓練沒有涉及到。例如，學生獲取知識的能力，團隊合作的能力和意識，撰寫設計報告的能力，作品展示和表達能力等，而這些要素是人才綜合素質(zhì)的體現(xiàn)，缺失這些要素的畢業(yè)生算不上高素質(zhì)的人才。
　　為了解決嵌入式系統(tǒng)實踐環(huán)節(jié)的不足，提高實踐環(huán)節(jié)的質(zhì)量，一些高校嘗試通過引入競賽促進實踐教學。以下以筆者所在的華南農(nóng)業(yè)大學嵌入式開發(fā)競賽為例，介紹競教結合的具體實踐過程以及競賽和教學的相互促進作用。
　　
　　2 “競教結合”案例剖析
　　
　　為了促進嵌入式系統(tǒng)教學和提高學生實際動手能力，筆者所在的華南農(nóng)業(yè)大學于2007年開始在全校舉辦嵌入式系統(tǒng)競賽。通過幾年的實踐，逐漸嘗試走出一條“以競促教、競教結合”的教學實踐模式，提高了教學效果。
　　2.1競賽的開展
　　競賽開展包括四個部分：賽前的準備和動員、選手的選拔和短期培訓、競賽期的指導、賽后的驗收和總結。下面以某次競賽過程中老師對學生的指導為例進行詳細說明。
　　在2009年的一次競賽活動中，一個參賽小組提交了一個基于凌陽SPECE061A芯片的語音控制智能小車的競賽方案。方案的主要內(nèi)容如下：利用SPECE061A芯片的語音功能訓練小車，通過語音控制小車前進、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)。該方案提交后，評審老師認為該方案設計合理，具有可行性，但內(nèi)容稍顯簡單，希望學生能夠在此基礎上發(fā)揮想象，加入新的內(nèi)容。該小組學生在向老師征詢意見、搜索資料后，修正了方案，在原來的基礎上加入了新的內(nèi)容：檢測小車車內(nèi)當前溫度；可以控制小車按照特定軌跡行走(如“8”字形)；檢測小車速度并實時顯示和語音播報。修正后的方案受到指導老師肯定并被獲準參賽。
　　在參賽過程中，為了測出車內(nèi)當前溫度，學生準備直接購買溫度傳感器，指導老師則建議學生自己利用熱敏電阻制作溫度傳感器。學生在查閱相關資料后，購買了原材料，自己動手制作。盡管最后制作的傳感器精度不是很高，但在這個過程中學生受到了很多啟發(fā)，鍛煉了動手能力，積累了經(jīng)驗，增強了信心。
　　在小車左右轉(zhuǎn)彎時，學生原來的設計方案是：小車前輪使用一個萬向輪，兩個后輪用兩個電機驅(qū)動，轉(zhuǎn)彎時一個電機停轉(zhuǎn)，另一個轉(zhuǎn)動，可實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)彎，但在實驗過程中，轉(zhuǎn)彎的效果不好。在老師的建議下，學生將方案調(diào)整為：一個電機慢速轉(zhuǎn)動，另一個快速轉(zhuǎn)動。這樣，小車的行進效果明顯變好。盡管調(diào)正后的方案在程序控制方面更復雜，但學生們還是通過自己的努力克服了困難，順利實現(xiàn)了小車轉(zhuǎn)彎。
　　在控制小車走“8”字形的時候，學生原先的設計是“前進→左轉(zhuǎn)→前進→左轉(zhuǎn)→前進→右轉(zhuǎn)→前進→右轉(zhuǎn)”，但在實際的實驗過程中，學生發(fā)現(xiàn)小車走的“8”字形軌跡不明顯，即運動軌跡周長有限，看不出“8”字形，而且行進速度偏慢。學生嘗試調(diào)整運動時的延時，即延長Delay()函數(shù)的時長，但試驗后發(fā)現(xiàn)小車的運動變得很慢，達不到預先設計的運動效果，此時學生陷入了困惑和苦惱中。在老師的鼓勵下，學生仔細查看了開發(fā)板的電路圖和性能參數(shù)，認為可能是I/O輸出電壓偏小，造成電機的輸出動力有限，從而使小車的行進速度過慢。如果能增大電機的供電電壓，也許能加快小車的行進速度，但小車上的VDDIO電壓是經(jīng)LM7805穩(wěn)壓電路恒定在5V，無法改變其大小。學生在查閱資料和反復討論后，決定嘗試直接通過輸入電源處給電機供電，就可以提高電機的供電電壓。在這個想法的驅(qū)動下和老師的鼓勵下，學生從輸入電源處直接接線到電機，給電機供電，結果令學生喜出望外，小車行進速度變快，運動軌跡完全符合預期設計的效果。在這個過程中，學生一度要放棄，但在老師的鼓勵下和團隊成員的共同努力下，終于克服難關，取得預期效果，這樣的經(jīng)歷對于學生們的成長異常重要。
　　2.2競賽對教學的促進作用
　　1) 激發(fā)學生的學習興趣，擴寬學生的視野。參加競賽，可以讓學生完成一個全新而完整的作品，從無到有充滿新奇的競賽過程可以極大地激發(fā)學生的興趣，充分發(fā)揮學生的潛能，同時競賽的全新過程可以擴展學生的視野，彌補學生課程知識的不足，豐富學生的知識體系。
　　2) 增強學生的動手能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。競賽項目比課程實驗的技術含量更高，更能切實地提高學生的動手能力，同時競賽項目鼓勵作品的新穎，這樣可以最大限度的激發(fā)學生創(chuàng)新能力，逐步培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。
　　3) 培養(yǎng)學生的非智力方面的綜合能力。競賽可以培養(yǎng)學生的團隊合作精神，鍛煉學生的心理素質(zhì)，提高學生的應變能力，也可以培養(yǎng)學生撰寫報告和論文的能力，以及表達和展示能力。通過參加競賽，學生更能被社會、企業(yè)和學校認可。
　　4) 促進教學體制改革。嵌入式系統(tǒng)競賽內(nèi)容豐富，既包括系統(tǒng)設計和實際制作，又包括撰寫報告，強調(diào)理論和實踐并重，注重綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，這與我國高校教育教學改革目的相吻合，可以為學校的教改提供很多有益的經(jīng)驗。
　　5) 推動實驗課由“驗證型”向“綜合型”轉(zhuǎn)變。高水平的嵌入式系統(tǒng)競賽可以促使實驗教學的實驗項目從“基礎型、驗證型”轉(zhuǎn)向“綜合型”。一是競賽為實驗教學提供了好的實驗素材和內(nèi)容，二是競賽為實驗改革提供了動力和方向。
　　6) 促進教師深入項目和實驗，推動教學水平不斷提高。嵌入式技術更新快，如果教師不能經(jīng)常深入實驗項目，那么在實驗和競賽中指導學生就會慢慢變得力不從心。舉辦嵌入式競賽可以促進教師深入實驗項目，不斷更新自己的知識結構，始終保持接觸當前最前沿的技術，從而能夠更好地指導和培養(yǎng)學生。
　　
　　7) 推動跨學院合作和校企合作。競賽面向全校，可以促進不同專業(yè)背景的學生相互學習，進而可以促進不同院系的合作。如電子、自動化等院系可以與計算機學院加強合作，互補為學生開課，以加強硬件和軟件的訓練。通過競賽，可加強學校和企業(yè)的聯(lián)系與合作，企業(yè)可以為學校競賽提供開發(fā)平臺，可以為學生提供實習機會，而學校可以為企業(yè)輸送人才，幫助宣傳企業(yè)，擴大企業(yè)的知名度。
　　
　　3競教結合的教學效果
　　
　　華南農(nóng)業(yè)大學自從舉辦嵌入式競賽以來，取得了良好的效果。競賽從多方面促進了教學，教學也能為競賽起到支撐作用，二者相輔相成。表1顯示了嵌入式競賽激發(fā)了學生的興趣，嵌入式系統(tǒng)課程的選修比例越來越大。表2和表3顯示，隨著選修人數(shù)的增加，參賽隊伍逐年增多，選擇嵌入式方向作為畢業(yè)設計的人數(shù)也逐年增多。
　　參加過競賽的同學獲得了寶貴的鍛煉機會，提高了動手水平，更易得到企業(yè)和高校的認可，在就業(yè)和繼續(xù)深造等方面更具優(yōu)勢。表4為我校信息學院2007—2010年競賽獲獎學生畢業(yè)后去向統(tǒng)計情況。
　　
　　5結語
　　
　　以競促教、競教結合的教學實踐模式，實現(xiàn)了理論與實踐的有機結合，優(yōu)化了學生的知識結構，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新意識，提高了學生的工程實踐能力。我們將在校內(nèi)競賽的基礎上，逐步積累經(jīng)驗，引導學生參加更高水平的地區(qū)和國家級競賽，從而不斷促進教學改革，爭取將該門課程建設成為校級和省級精品課程。
　　
　　參考文獻：
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