國際化模式結合本土案例實現嵌入式系統教學

池濤 陳明 沈曉晶 周汝雁

[摘要]以嵌入式系統課程教學入手，探討了國際化教學模式和本土案例驅動相結合的課程建設。通過引入國際化教學模式，將嵌入式系統原理及設計方法付諸于設計實踐，并在關鍵設計中加強本土案例的設計實踐，從而為學生提供了最先進技術的指導及對照。同時，借助網絡上海量的教學資源，結合課堂設計理論教學構成混合學習模式，探討一種適合于外國留學生嵌入式課程教學的新模式。特別是針對嵌入式系統全英語教學過程中出現的問題及不同的學生對象，以建構主義教學理論為依據，建立課堂教學和學生實踐相互融合的教學體系。

[關鍵詞]國際化教學；混合學習；建構主義學習理論；教學模式；嵌入式系統

[中圖分類號]G642.0[文獻標識碼]A[文章編號]1005-4634（2018）01-0075-05

0引言

隨著嵌入式系統的應用范圍越來越成熟，人才需要量也越來越大，國內各大高校及科研院所都積極開設了嵌入式課程。不同于計算機專業傳統課程，嵌入式課程作為一個新興課程體系，存在的問題已經引起了教育工作者廣泛的關注[1，2]，一方面，國內大部分院校僅將其作為一門普通應用技術型課程，沒有意識到嵌入式技術已經引領了后PC時代，該課程在國外已經形成了一個課程群。在國內，由于該課程的內容多、課程少的特點，教師教授內容基本是基于具體特定的芯片（如ARM7）以及與其對應的軟件開發環境，放棄了嵌入式系統理論和嵌入式設計方法的研究，從而造成了學生針對嵌入式系統的理論基礎差、分析解決問題能力弱。另一方面，嵌入式系統作為專業必修或專業選修課程，開設該課程的國內各大院校普遍不重視實踐環節，考核單一，學生選取該課程也多為了學分。脫離嵌入式設計技術的嵌入式系統課程造成了國內學生缺乏動手能力，更無創新意識，得不到企業的青睞。

嵌入式系統最早源于英國，發展于美國，目前最先進的嵌入式技術都掌握在美國等發達國家手中，成型的設計理論及產品幾乎都來自國外。嵌入式系統的前沿技術幾乎都是由英語進行描述。國外嵌入式課程更注重學生嵌入式系統設計理論和技術方法的講授，培養的學生更受企業的重視和歡迎[3]。而我國的嵌入式系統研究及教學多直接生搬硬套國外的教育理論和案例，包括課程設計及相關教材，這就使同一門課程不同學校培養的學生差異巨大[4]。筆者以嵌入式系統設計原理為牽引，分析并研究國外嵌入式課程教學過程和對象，結合本土科研項目案例構建嵌入式系統設計的全英語教學環境[5，6]。同時，借助網絡上海量的教學資源，結合課堂設計理論教學構成混合學習模式，探討一種適合對外國留學生進行嵌入式課程教學的新模式，特別是針對嵌入式系統全英語教學過程中出現的問題及不同的學生對象，以建構主義教學理論為依據，建立課堂教學和學生實踐相互融合的教學體系模式[7]。

1國外嵌入式教學模式的本土化構建與實踐

1.1UTD嵌入式教學模式

德克薩斯大學達拉斯分校（The University of Texas at Dallas，簡稱UTD）的Erik Jonsson工程學院的前身是世界三大芯片生產商德州儀器（Texas Instrument）的一個研究所，目前每年都收到Texas Instrument公司大量科研項目和資助。學院在其下設的計算機科學系、電子工程系、計算機工程系均開設了嵌入式系統相關課程，課程包括“Micro-electromechonical System”“Semiconductor Design and Manufacturing”“Systems Engineering”等。課程教學內容大部分來自于已經完成的研究項目和科研成果，是對相關實際項目的提煉、總結和歸納。雖然所有項目涉及不同的應用領域、不同技術，但是課程講解并不是散亂成每個技術報告，而是凝聚在嵌入式系統設計原理及方法中。課程通過建模方法將所用到的項目進行提煉，建立精確的數學模型，將設計過程進行規一化處理，具體如圖1所示。

UTD嵌入式課程教學非常注重實踐教學，實踐教學過程包括模型設計、整體功能描述、軟硬件協同設計、系統級合成、系統測試，具體如圖2所示。課程實踐從純軟件設計過渡到硬/軟件結合設計，特別強調創新的重要性，注重基本訓練與創新能力的培養。

1.2本土化構建與實踐

自2015年將嵌入式系統設計作為上海市全英語授課示范進行建設以來，筆者開展了國際教學模式本土化實踐與研究，取得了一些經驗和成果。UTD嵌入式課程教學模式的實質是將科研與教學相融合，對科研項目和成果進行歸納總結，運用建模方法進行嵌入式設計理論和方法提煉，再運用到實際項目設計中，整個教學過程強化了“基本原理、方法、建模、案例”4個要素的統一。

嵌入式課程改革本著UTD的“基本原理、方法、建模、案例”4要素合一的教學模式，借助上海海洋大學計算機硬件教學團隊建設，引入模塊式一體化教學，進行了嵌入式系統課程本土化實施，具體如圖3所示。首先，教學內容的構建。考慮到計算機硬件系列課程構成了計算機系統知識中物理結構及體系結構的完整知識模塊，從全局角度按照知識單元和知識點進行更深程度的細化和分類，并逐一整合，以知識點為最小知識粒度，構建整個計算機硬件體系結構及教學內容，課程群包括《數字邏輯與數字系統實踐》《計算機組成原理》《單片機與接口技術》《計算機體系結構》《嵌入式系統設計》。可以按照知識單元進行細化和分類，并逐一整合。這樣既可以更好地協調教學中的各門課程，又保證了硬件課程體系的整體性和系統性。為確保硬件課程教學內容不過時，通過專題講座、小組討論形式，動員學生極積參與，主要讓學生了解硬件系統的新技術和新進展，增加學生的學習興趣，開闊視野。其次，課程是組織教學最主要的手段，UTD本土化課程建設就是以體系結構為導向，建立以本土化項目和成果為基礎的嵌入式系統課程案例。UTD教學模式注重學生主動學習的過程，強調教師教授嵌入式設計方法重于傳授嵌入式知識，促使學生在原有的知識上發展出新知識，并把新知識轉化成自身技能。通過引入UTD教學模式，建立了嵌入式系統課程反轉課堂教學模式。教師在課程中以學生為中心，鼓勵對同一問題作不同解答，并與學生一起探索問題的不同假設，由學生完成實驗驗證，鼓勵學生做真正的設計者。再次，筆者所在教學團隊提出一種新的混合教學模式，即“課堂教學+線上復習”混合教學模式，具體如圖4所示。課堂教學采用多種教學方式。除采用案例式教學方式外，還采用了啟發式教學方式，通過設置疑點、提出懸念來激發學生探求知識的欲望，培養學生敢于提出問題、積極思考問題的良好習慣。此外，還借助網絡上海量的教學資源，完善了混合教學全過程。為了保證混合教學不流于形式，在課程前導期，教師將整個課程的教學計劃、教學目標告知學生，學生在助教指導下完成各自的嵌入式設計方案，借助線上教學資源進行自主學習，完成自己的設計報告。為充實實踐項目的教學內容，結合歷年上海市大學生創新大賽的設計方案，建立相關備用芯片的資料庫，用嵌入式系統設計案例的形式供學生分析，強化學生實踐設計能力。最后，改變單一考核方式，從階段實驗、結課實踐、理論考試三方面對學生進行綜合考核。

2典型本土化案例

經調研發現，上海市各高校的全英語教學示范課程對全英語教學能力的重視遠遠高于本土化案例建設。然而，必須清楚地認識到本土化案例建設才是課程關鍵所在，才是外國學生學習該課程的原始驅動。課程案例雖然來自于科研項目，但是完全不同于項目設計，需要經過提煉、建模、總結等大量工作。為了體現嵌入式系統的設計原理，筆者及所在教學團隊采用“打碎重裝”“抽像化設計”分析提煉教學案例。

如“溫室控制節點設計實例”，其來源于已經完成的國家863項目“溫室無線測控網絡關鍵技術研究與系統集成”。筆者及團隊選取其中控制節點設計作為研究對象，具體如圖5所示，在項目設計過程中，強調嵌入式系統整體設計，包括處理器選型及設計、傳感器選型及設計、輸出控制選型及設計等。然而，作為教學案例，這些遠遠不夠，需要增加許多設計環節，包括運用建模工具進行數據建模、設計控制模型、運用具體控制器建立溫室控制系統等。

具體設計包括四步：第一步，確定被控對象，包括控制器、執行器和溫室植物三部分。第二步，模型設計，包括控制目標函數、植物模型等，控制目標函數可以根據溫室中不同的植物進行自行設定，植物模型作為控制參數調整控制策略；執行器包括控制溫室溫度的各項控制單元，包括控制簾幕的開閉、控制溫室側窗的開閉、控制加熱裝置的開閉、控制制冷裝置的開閉等。第三步，控制器的具體設計，包括：（1）開發一個溫室控制模型（develop a model of the plant）；（2）開發一個控制器（develop a controller）；（3）分析控制器參數（analyze the controller）；（4）權衡系統擾動（consider disturbance）；（5）判定系統性能（determine performance）。在這個案例中，控制模型、控制器和擾動是決定系統性能的重要因素。整個設計的重點和難點是控制器設計。通過數學建模，設計一個簡單線性函數，采用線性比例控制器作為控制核心。第四步，基于時間序列進行系統擾動和時延的分析。通過對輸入、輸出及比例系數分析，給出系統穩定的臨界點，避免系統振蕩。

類似的本土案例有7個，都是由具體項目總結形成，并以建模的方法提煉，使得所有案例既能反映嵌入式系統設計理論，又能體現具體的解決方案。

3結束語

嵌入式系統課程國際化教學模式本土化，本質上就是吸收國外先進教學思想，不斷豐富先進的嵌入式系統理論和技術。在嵌入式系統設計教學期間，通過科研帶動教學實踐，可以增加許多較為實用的設計案例，特別是針對研究生的教學，通過將研究生的研究方向與嵌入式系統設計有機融合，加強科研能力、科學思維的培養。經過幾輪教學，筆者發現實驗教學對學生的理論基礎和實踐能力要求非常高，不但需要學生掌握多種編程語言（C語言、HDL語言等）、計算機組成原理、操作系統等課程，而且要有探索精神、解決問題的能力和動手能力。同時，也對教師提出了更高的要求，教師不僅需要嫻熟的焊接技術，還需要精通項目開發，以引導學生完成項目。從實驗效果來看，這種教學模式改觀了學生對嵌入式系統的認知，使學生學會了將理論知識應用到實際當中，在大量自己動手的過程也提高了學生的學習積極性。與傳統的嵌入式系統教學相比，學生各方面的提升都是巨大的。

參考文獻

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[6] 池濤.西部地區計算機組成原理實驗教學的困境與改進[J].教學研究，2015，38（5）：92-95.

[7] 池濤.全英語嵌入式系統教學改革. 2017年發展報告[M].上海：上海人民出版社，2017：112-115.