“互聯(lián)網+”時代嵌入式課程教學改革研究與實踐*

王娜，霍英

（韶關學院信息科學與工程學院，廣東韶關512005）

“互聯(lián)網+”時代嵌入式課程教學改革研究與實踐*

王娜，霍英

（韶關學院信息科學與工程學院，廣東韶關512005）

針對嵌入式領域發(fā)展迅速、涉及交叉學科多、課程難度大、人才培養(yǎng)與技術發(fā)展同步困難的特點，針對企業(yè)對嵌入式人才的需求，結合互聯(lián)網+時代特點，采用CDIO模式的嵌入式教學改革，分別從教學內容改革、教學方法改革、加強學生學習能力的培養(yǎng)、注重提升教師能力等方面進行探討，提出相應的具體改革措施，從而提高學生學習的積極性和主動性，培養(yǎng)學習能力、創(chuàng)新能力和實踐應用能力。

互聯(lián)網+；嵌入式；教學改革

一、引言

近年來，嵌入式系統(tǒng)幾乎無所不在的應用領域使其成為一項極具發(fā)展?jié)摿Φ漠a業(yè)，然而人才的匱乏已成為其發(fā)展的瓶頸，據(jù)權威部門統(tǒng)計，隨著嵌入式系統(tǒng)成為當前最熱門最有發(fā)展前途的IT應用領域之一，嵌入式人才缺口達到了每年80萬人左右。出現(xiàn)與十幾年前計算機專業(yè)的擴張非常相似的嵌入式專業(yè)的泛濫和培訓的亂象。然而大量高校的嵌入式相關專業(yè)的畢業(yè)生的就業(yè)情況并不樂觀，高校中，嵌入式學習的重視程度參差不齊，高校開設的課程體系陳舊，常常與工作中的實際需求脫節(jié)。這也導致很多公司不輕易招收缺乏工作經驗的應屆畢業(yè)生，從而使得部分嵌入式方向的畢業(yè)生，走向了單方面的C/C++語言、或Linux運維崗位，未能成為理想中的綜合型的嵌入式人才。

目前，嵌入式教學的難點是，以MCU和嵌入式處理器為代表的嵌入式技術發(fā)展很快，而教師、課件、實驗環(huán)境很難同步跟進。隨著物聯(lián)網概念的進入，ZigBee、WiFi和藍牙等無線技術和MEMS傳感器技術，原本自成一體的嵌入式系統(tǒng)變成了智能聯(lián)網系統(tǒng)，因此傳統(tǒng)的8051單片機教學和“ARM+Linux”的嵌入式[1]教學亟需改革。同時，隨著嵌入式教學內容的不斷擴充，教學和實驗課時也顯得捉襟見肘[2]。盡管各類嵌入式或者物聯(lián)網大賽能夠提升部分學生的素質，但是如何提高一批學生的整體能力是我們教學改革的關鍵。

CDIO教育理念是構思(Conceive)、設計(Design)、實現(xiàn)(Implement)、運作(Operate)四個英文單詞的縮寫，它是“做中學”和“基于項目教育和學習”(Project based education and learning)的集中概括和抽象表達[2]，是由美國麻省理工學院聯(lián)合世界著名工科大學從2000年開始研究實施的先進教育模式。它以產品研發(fā)到運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式學習工程的理論、技術與經驗。使學生通過基于項目的學習，來感受職場文化環(huán)境的熏陶，形成全面的職場能力和素質。這種教學理念與嵌入式教學的目標不謀而合，為適應嵌入式領域快速更新，發(fā)展迅速的現(xiàn)狀，嵌入式課程教學應結合CDIO的教學理念，培養(yǎng)學生的主動學習能力、實踐動手能力。

二、CDIO模式嵌入式教學改革

嵌入式開發(fā)的工程師不應僅僅停留在某個應用或某個模塊上，而是應盡量全面地學會或把握整個系統(tǒng)，雖然不能做到每個模塊的代碼都去理解一遍，但基本的流程要懂，基本層次從低到高包括啟動、驅動、操作系統(tǒng)、API、中間件、UI、應用等等[3]。

因此，基于CDIO模式的新的課程設計將會更注重培養(yǎng)學生的自學能力、團隊協(xié)作能力以及系統(tǒng)調控能力。新的課程規(guī)劃要求學生養(yǎng)成一個習慣，那就是主動找書找資料。這樣讓學生學會關注科技發(fā)展，緊跟時代潮流。為了提高學生的團隊協(xié)作能力，新的課程計劃將會有更多的團隊設計，培養(yǎng)學生的實踐能力，在實踐中體驗CDIO（構想—設計—實驗—操作）的教育理念。結合嵌入式學習的特點，新的課程計劃要圍繞著“做項目”的模式展開，按照課程的前后相關性和軟件層次從低到高分階段，分層次系統(tǒng)開設，并且每個階段要通過階段項目對知識進行鞏固應用，課程最后通過綜合項目進行綜合應用，讓才干在實踐中提升。這也將極大地提高學生的系統(tǒng)調控能力。

嵌入式課程實踐性強，課程體系建設方面需要根據(jù)所依賴的實驗平臺來組織[4]，以某種現(xiàn)成開發(fā)板為基礎，講授嵌入式開發(fā)相關技術，實驗平臺選定以當前主流的基于Cortex-A8處理器為核心的GEC-210的開發(fā)板為實驗平臺，重點講授平臺及處理器特征特點、擴展接口板開發(fā)技術、操作系統(tǒng)內核精簡優(yōu)化技術、其他系統(tǒng)軟件開發(fā)優(yōu)化技術，應用程序開發(fā)技術等[5]。

針對嵌入式系統(tǒng)產品研發(fā)流程，將嵌入式課程的教學劃分為六個階段，共設計六個階段項目，配合GEC-210的開發(fā)板,結合要對嵌入式軟件各個層次全面把握的要求，逐層遞進的嵌入式核心內容主要如表1所示：

表1 嵌入式核心內容表

對于每個階段的學習，都要設計應用性很強的階段項目，對每一個階段的所有知識點進行綜合練習。整個課程體系的最后就是綜合項目實戰(zhàn)《智能家居系統(tǒng)》，本項目不僅需要嵌入式的知識，還要綜合傳感器和無線網絡的知識，將一個大項目拆分為幾個模塊，學生分組協(xié)作。模擬真實項目的管理過程，培養(yǎng)學生項目團隊協(xié)同開發(fā)能力，項目文檔編寫能力和實踐應用能力。

嵌入式涵蓋的內容廣泛，包括硬件設計、用戶軟件，以及網絡通信等等，一個人不可能精通嵌入式所有的知識，所以通過以上分層次的一系列專業(yè)課程的學習和應用，使學生先理解嵌入式開發(fā)的總體流程，以及用到的相關技術，先對嵌入式有個總體地宏觀地把握，然后在嵌入式領域找到自己的興趣，了解自己的能力邊界，確定自己將來的工作方向，如嵌入式底層驅動開發(fā)，系統(tǒng)移植開發(fā)，還是應用開發(fā)、GUI開發(fā)，從而在自己感興趣的領域深入學習，為將來的工作打好基礎。

在當今互聯(lián)網+的時代，人們越來越依賴網絡，網絡改變著大學生的學習生活和思維方式，他們身上有著市場經濟和互聯(lián)網時代的顯著特點，個性張揚，易于接受新事物，善于利用網絡，精通于互聯(lián)網的使用，但又過分依賴網絡。老式傳統(tǒng)的教學模式與90后大學生之間的矛盾日漸突出。如何利用網絡并結合大學生的特點和嵌入式課程的目標，采用合理的教學方法，引導學生主動學習，提高學習效率。根據(jù)CDIO模式的指導思想，教學方法采用“翻轉課堂”和“成果為本教學”相結合的方法。

（1）“翻轉課堂”式教學方法

網絡是一把雙刃劍，在給大學生們帶來諸多便利的同時，也帶給他們諸多危害。引導學生利用網絡學習資源，提高學習效率。

改變傳統(tǒng)的“講三練二考一”的教育模式，采用國際化的“講一練二做三”的教育模式在每一個項目中，涉及一些理論基礎，教師指導學生進行必要的理論準備，并不局限于課堂授課，對于通識性的理論知識，采用“翻轉課堂”式教學方法[6]，注重啟發(fā)引導學生通過微課、慕課、網易公開課等網絡平臺課下學習，課堂討論知識應用。同時啟發(fā)學生如何完成項目的基本要求和擴展要求，項目由簡入深的原則，通過漸進的學習逐步地提高和完善學生的知識面。

（2）“成果為本”教學方法

教師教了不等于學生學了，改變傳統(tǒng)教學中內容為本，著重“知識”的教學方法。采用“成果為本”的教學方法[7]，學習成果應該包括“知識”——學生應該知道/理解的、“能力”——學生應該能做的、“素質”——學生應該具備的價值觀和態(tài)度三個方面。

對于與硬件關系緊密的實踐性較強的內容，要采用“成果為本”的教學方法。并設計配合學習成果的課程設計、教學方法及評價考核方法。

技術的學習必須奉行的原則一定是“實踐出真知”。從成果即項目出發(fā)，進而學習相關的知識，實踐過程中學生哪怕只是驅動了簡單的A/D轉換器，都會對整個嵌入式開發(fā)工作形成方法學的概念，延展到多種應用領域后會很容易上手，這就達到了更高層次的“素質”要求。

從“成果”出發(fā)，從解決問題的角度學習知識。通過邊動手實踐邊學理論的學習方法，練習過程中有問題和不懂的地方，學生可以討論，將所有知識點當堂課完全理解吸收，充分調動學生的學習興趣和繼續(xù)深入學習積極性。而且還能在教師的監(jiān)督下鍛煉學生的編程能力，提高學生的就業(yè)競爭力。

教師在授課過程中要從使學生樹立正確的學習理念的角度出發(fā)，要注意思想和方法的講解，而不是單一知識點的傳授。要有工程的理念，比如鑒于嵌入式硬件資源的限制，嵌入式軟件開發(fā)需要考慮代碼精簡和執(zhí)行效率問題，對所寫的每一行代碼要清楚它的作用，它在可執(zhí)行代碼中的位置，它真正要加載的位置（即虛擬運行地址），它什么時候會被執(zhí)行，什么時候會被加載等等。因此教師在授課過程中需要給學生講清楚內存的分配情況，通過具體的實例使學生對代碼在內存中的運行過程和作用有一個從理性到感性的認識。

為培養(yǎng)能迅速適應各種變化的嵌入式系統(tǒng)人才，通過“翻轉課堂”和“成果為本”的方法設計教學內容和配套的考核機制，可以更好的培養(yǎng)學生的學習能力。同時對學生的學習理念和方法在以下幾個方面進行改革。

首先在學習理念上，要使學生明白，要真正學好一門語言，不是指懂它的語法，而是要有解決問題的思想，比如理解C語言在內核中的靈活使用，Linux內核開發(fā)中，通過結構體和函數(shù)指針實現(xiàn)的面向對象的編程思想。

要注重培養(yǎng)學生的自學能力，比如在Linux內核中的子系統(tǒng)很多，教師可以帶領學生分析一個有代表性的子系統(tǒng)如Input子系統(tǒng)，重點分析系統(tǒng)邏輯、講授學習方法，引導學生通過查閱相關文檔、博客、技術論壇自學其它子系統(tǒng)，學會自己查找解決問題的方法。

要培養(yǎng)學生工程的理念，在階段項目和課程綜合項目開發(fā)過程中，一定引導學生先從整個工程的邏輯入手，先確定整個項目的功能結構，邏輯劃分，注意模塊之間的重用，提高代碼的內聚降低耦合，再進入代碼撰寫階段，不要直接動手寫代碼，否則會越寫越混亂。

培養(yǎng)良好的學習方法，學一門技術時，遵循的是理論知識學習、實踐、再看書、總結這樣一個模式。還有一點就是，用到一分，就往廣里多學一分，往深里多學一分。以點帶面，就會持續(xù)不斷地學下去，這樣時間長了，自然會不斷豐富自己，脫胎換骨。

鼓勵學生積極參加各種競賽，在參與的過程中他們會積極思考,努力探索,有針對性地去學習、討論,這對培養(yǎng)學生的應用能力和積極參與競爭的意識有很重要的意義。學生參加了大學生電子設計大賽,中國機器人大賽、博創(chuàng)杯嵌入式大賽、中國大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等,參賽結束后學生們的應用能力、自學能力和自信息都有了很大提高。

通過校企合作為提高學生的學生實戰(zhàn)經驗，為全面了解產品的設計選型、功能定義、需求定義、軟硬件開發(fā)，以及功能樣機測試等，鼓勵學生走出去，到公司進行實習，我們學院一直堅持校企合作，與藍狐、中軟國際、深圳軟件園建立協(xié)同育人的長期合作關系，給學生提供到企業(yè)實踐的機會，真正接觸一些項目開發(fā)工作，既利于學生畢業(yè)找到更為理想的工作，又便于企業(yè)實際項目用人，有效地減少雙方磨合的時間。

嵌入式的發(fā)展日新月異，幾年前盛極一時的諾基亞和塞班系統(tǒng)被淘汰，說明在嵌入式領域，固步自封只能走向滅亡。嵌入式教師要緊跟行業(yè)發(fā)展不斷學習新知識新技術，及時更新知識結構和授課內容，要與社會需求接軌。

CDIO模式對嵌入式的教師的要求很高，很多教師缺乏嵌入式工作的實戰(zhàn)經驗，長期在教學一線，不能緊跟業(yè)界動態(tài)，逐漸脫離新技術的發(fā)展，課程更新的速度很難跟得上嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的速度，并且缺少對整個嵌入式行業(yè)的把握，授課更多是以理論知識為主，其結果可想而知。

嵌入式系統(tǒng)具有與眾不同的特點，它至少匯集了電氣、電子、計算機、控制、機械、工業(yè)設計等多種學科技術，而且是與應用需求高度結合的。單靠教師的自學很難真正掌握并達到一定的高度。所以有計劃的師資培訓就顯得非常重要，我們學院一直致力面向應用型人才培養(yǎng)的路線，大力培養(yǎng)同時具有講師和中級工程師以上資格的“雙師雙能型”教師隊伍的建設，派遣教師到企業(yè)和培訓機構深造學習，教師都是帶著問題有目的性地去學習，收獲非常大，不僅提高了教師的工程應用能力和教學水平，又能使教師接觸市場最新的技術動態(tài)，使他們對公司用人需求也非常了解，知道如何把學生培養(yǎng)成為公司需要的技術人才，與市場接軌的授課內容和授課方式大大提高學生的學習興趣和應用水平，也提高了學生的就業(yè)競爭能力。

三、總結

嵌入式教學結合“互聯(lián)網+”的時代特點，采用基于CDIO的教學模式，在課程的構思(Conceive)、設計(Design)方面進行多課程聯(lián)合的教學內容改革，利用網絡教學資源通過“反轉課堂”和“成果為本”的教學方法，使學生掌握項目實現(xiàn)(Implement)的知識和技能，最終體驗整個項目運作(Operate)的流程。

嵌入式系統(tǒng)是IT產業(yè)中變化最迅速的前沿科技領域，因此嵌入式系統(tǒng)教學改革是一項長期而系統(tǒng)的工程，需要不斷的探索實踐和改進。

[1]顧可民.計算機專業(yè)實用型人才培養(yǎng)模式的研究與實踐[J].遼寧教育研究,2007(5):11.

[2]Johan Bankel,etc.The CDIO Syllabus A comparative study of expected student proficiency[J].European Journal of Engineering Education,2003(3):26.

[3]王建萍,費躍農,王燕瑜.嵌入式系統(tǒng)“邊干邊學”教學模式探究[J].電氣電子教學學報,2007,29(5):103-105.

[4]斯榮喜.獨立學院應用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式探索[J].高等工程教育研究,2005(1):45.

[5]牛建偉,張炯.北京航空航天大學嵌入式系統(tǒng)課程建設[J].計算機教育,2008(7):21.

[6]張金磊,王穎,張寶輝.翻轉課堂教學模式研究[J].遠程教育雜志,2012(4):46.

[7]秦秀媛，文雪巍.基于“成果為本”教學方法探究[J].課程教育研究,2015(36):51.

（編輯：郭桂真）

TP368.1-4

A

：1673-8454（2017）04-0037-04

2014年度廣東省高等教育教學改革項目“應用型本科院校國際合作辦學機制體制協(xié)同創(chuàng)新研究與實踐”（GDJG20142436）。