嵌入式系統課程教學方法的改革與實踐

李傳娣 趙常松

摘 要：嵌入式系統是一門理論與實踐并重的學科，在分析傳統嵌入式系統教學中普遍存在問題的基礎上，立足于獨立本科院校應用型人才培養的教學目標，針對嵌入式課程的教學設計，本文從教學內容的選擇、實踐環節以及考核方式等多方面對嵌入式系統課程的改革進行了詳細的闡述。從課改實施效果來看，該課程提高了嵌入式課程的教學質量，加深了學生對嵌入式系統的理解，培養學生具有較好嵌入式軟硬件設計能力，達到了預期的目標。

關鍵詞：嵌入式;教學方法;課程改革

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1009 — 2234（2019）01 — 0144 — 03

一、傳統嵌入式課程教學中普遍存在的弊端

傳統的嵌入式課程教學以微處理器體系結構和指令系統為主，教學內容與實際應用的聯系不緊密，學生在學習相關理論過程中經常會感到抽象和不易理解，面對實際應用問題，無法把所學內容與應用實際聯系起來，學習積極性下降，效果不好，更談不上對學生創新思維能力的培養。教學內容與企業的開發需求匹配度不好，造成學校培養的大量相關專業畢業生無法適應市場需求，同時就業市場又缺乏相關專業人才的矛盾局面。傳統的嵌入式課程的實驗教學不能真正培養學生動手能力，其主要以ARM教學實驗箱為主要教具，無法讓學生參與到硬件設計及制作的實踐過程中。傳統的嵌入式課程考核主要是試卷的形式，無法體現學生的實際動手能力〔1〕。

二、嵌入式課程的教學方法改革

（一）如何選擇嵌入式系統課程教學內容

嵌入式系統綜合了多門學科及課程。從工程的角度分析，它涉及了電子、機械、計算機、傳感器等多個課程及學科，學生很難在短時間內學習到嵌入式系統開發的全部技能。因此，各個學科的嵌入式系統課程所側重的知識面是不同的〔2〕。目前市場上有多種嵌入式微處理器類型、嵌入式實時操作系統及其開發工具，如何選擇合適的教學內容是課程改革首先需要解決的問題。

傳統教學模式以傳授基本概念、原理為主，隨著課程的深入，有很多學生覺得嵌入式技術高深莫測，需要有廣泛的專業知識——尤其是需要掌握大量硬件相關知識——才能學習。在《嵌入式原理及應用設計》的教學內容選擇上，經多方面的分析和比較，最終確定了把“ARM硬件平臺+嵌入式Linux開源操作系統”作為課程教學的主要內容。經過授課實踐，此內容的選擇降低了嵌入式課程的學習門檻，減小了學生對嵌入式課程的神秘感和懼怕心理，使嵌入式技術被更多學生所掌握，可以系統的學習嵌入式軟件和硬件知識。

本課程把“ARM11（S3C6410）硬件平臺+嵌入式Linux開源操作系統”作為主要的課程教學內容。選擇ARM11作為硬件平臺，是因為目前廣泛使用的嵌入式CPU中90%的產品是以ARM作為IP核的，具有廣闊的應用前景。在操作系統平臺選擇方面，嵌入式Linux是當前最具有發展潛力的操作系統，這使學生更加充分地理解嵌入式系統的開發流程和設計思路。另外，在教學中，教師也可以講解一些基于嵌入式的科研項目相關知識，保證了教學內容能夠和嵌入式技術發展的新方向和新趨勢密切聯系。

（二）啟發式教學方法

在嵌入式課改中，我們要改變和轉換傳統教學理念下教師和學生的角色，讓教師從知識的傳播者變為指導者，學生從知識的被動學習者變為知識的主動構建者。嵌入式課改教學過程中，在講解微處理器的軟件技術和硬件平臺時，我們強調了嵌入式軟硬件系統和通用計算機系統的相似及不同之處，啟發學生把已掌握的通用計算機系統的理論知識，應用到嵌入式的使用場景中，從而可以更加高效地學習嵌入式系統的應用和設計。這樣的授課方式能讓學生更好地理解嵌入式技術并應用。

（三）加強實踐訓練教學環節

在教學過程中引入項目應用的教學理念，采取以學生為主的教育方式，充分發揮學生學習的積極主動性，把平時上課學到的基本理論和網上自主學習的知識和項目（可選自于企業職業技能培訓項目）充分應用起來，解決實際應用問題，進一步加強學生在嵌入式系統中的軟硬件編程能力的培養。

對于嵌入式系統這么課程，很多學生掌握一般的入門知識，無法達到研發的程度，因此，本課改選擇了項目式教學法，其核心理念就是將學生組織起來，以學習小組的形式共同學習、共同探討，即在掌握了嵌入式基礎知識的前提下共同研發，在軟硬件開發過程中深入學習，教師給予指導和幫助。學生們可以互相交流，例如有的學生擅長ARM微處理器硬件設計，有的學生擅長ARM嵌入式軟件設計，學生們一起合作，建立主動的學習方式，培養學生的ARM嵌入式設計能力、編程能力和創新能力。

本課程開始之前，教師會根據每個學生的理論基礎、研發能力將學生分為幾個小組，以小組為基本單位進行嵌入式的實驗開發。教師講解ARM嵌入式系統的開發流程，力求為全體學生建立相對完整的嵌入式硬件平臺和軟件平臺的理論框架以及開發思路。隨后的學習過程中，引導學生上機實踐、查閱資料，分析問題、解決問題，在實踐中獲取知識。具體的嵌入式實驗內容，采取小組成員分工實踐、定時總結匯報、互動交流協助的模式，讓學生了解實驗的每個方面。這個過程可以鍛煉學生的分析、表達、總結問題、討論問題以及最終解決問題的能力。總之，教師是教學的引導者，并將合作學習和探索的責任也由教師為主轉向學生為主，最終要讓學生達到獨立開發初級嵌入式系統的程度。之后，教師逐步加強學生在研發中自主學習和解決遇到的實際問題的能力。選題一般為具有實際應用背景的項目課題，由教師指導學生小組詳細分析硬件、軟件設計方案、開發進度安排等。學生不再是傳統教學中受外部刺激的被動接受者和被灌輸的對象，本教學法以學生為中心，充分發揮學生的主動性、積極性和創新精神。

項目舉例：智能農業監測系統

智能農業監測系統可應用于大棚、果園等場所，布設在果園或大棚中的無線傳感器節點實時采集農作物生長所需的空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、光照強度、二氧化碳濃度等環境參數，并采用低功耗自組網的短程無線通訊技術實現傳感器數據的傳輸，所有數據匯集到中心節點，采用一個無線網關連接到互聯網，通過遠程計算機或手機可以實時查詢農作物生長的環境參數，專家系統根據環境參數診斷、預測農作物的生長狀況與病蟲害狀況。在環境參數超標的情況下，系統可以遠程控制遮陽網、風機、加熱、加濕或灌溉裝置等，實現農業生產的智能化監測與管理。

系統組成：本系統由嵌入式微處理器、溫度傳感器、空氣濕度、土壤濕度、光照等傳感器組成，數據采集后，經無線模塊傳輸到后臺服務器中;

系統功能：

（1）溫度控制：當溫室大棚內溫度高于設定上限值時，控制器發出指令關閉加熱器，之后開啟通風設備;當溫室大棚內溫度低于設定下限值時，控制器發出指令關閉通風設備，之后開啟加熱器，從而保證溫室大棚內的溫度在設定范圍內。

（2）空氣/土壤濕度控制：當溫室大棚內空氣/土壤濕度高于設定上限值時，控制器發出指令關閉噴淋灌溉設備，之后開啟通風設備;當溫室大棚內空氣/土壤濕度低于設定下限值時，控制器發出指令關閉通風設備，之后開啟噴淋灌溉設備，保證空氣及土壤的濕度恒定。

（3）光照強度控制：當溫室大棚內光照強度高于設定上限值時，控制器發出指令關閉光照器;當溫室大棚內光照強度低于設定下限值時，控制器發出指令開啟光照器，使得農作物達到最佳的光合作用狀態。

系統仿真效果圖：

以這種實踐項目開發式的教學方式，教師的核心職責是幫助學生小組，如何進行一個完整的嵌入式項目的開發、如何發現軟硬件調試過程中出現的各種問題以及如何解決問題的方法。教師不再像傳統教學中，把自己的看法及課本知識直接教給學生，而是改變自己的教學方式以適應學生的學習。教師不再是單純地知識灌輸者，而是指導者和組織者，是學生的實踐顧問，教師在教學過程中應與學生積極互動，共同發展。

（四）嵌入式課程的考核方式改進

嵌入式系統是一門實踐性很強的課程，學生在學習了硬件結構的之后再參考相關英文資料后才能進行系統整體設計。為此，本課程將對學生能力的培養和考核貫穿于整個教學過程中，提高學生的嵌入式軟硬件的設計能力。

我們對考核方式進行了改進，改革措施如下：

1.平時成績占25%。包括出勤、作業等。

2.期末成績占30%。考試為閉卷，主要目的為考察學生對嵌入式知識點的掌握程度。考試題型除了填空、選擇、判斷外，以自主編程為主，考察學生的嵌入式綜合運用能力。

3.綜合實驗成績占45%。在項目法教學過程中，學生要參加一次綜合實驗測試，除必考題目外，讓具有硬件設計及編程能力較強的學生有自主發揮部分，可現場講解編程思路，并回答老師提出的問題，最后根據題目難易程度及實際完成情況進行評分。

三、嵌入式課程教學方法改革的實踐效果

（一）調動了學生學習積極性，培養了學生的創新能力。

通過對本課程教學方法的改革，學生的學習嵌入式的積極性得到提高，真正使學生做到在學習中思考、在思考中鞏固、在鞏固中提高，通過激發學生的內在學習興趣，挖掘學生的學習潛能，著重培養他們的創新意識。在該教學改革中，我們設置了課后實踐項目訓練，可有效地激發學習興趣，鍛煉軟硬件設計能力，同時也培養了他們的創新能力。

（二）學會了合作，培養了團隊精神。

隨著各學科的發展和細化，建立團隊、合作是必然趨勢，這就要求學生具有團隊精神。因此，我們在教學改革中更加注重培養學生的合作精神，著力培養學生團隊學習以及課題實踐的能力。這種項目實踐教學方法激發了學生的學習興趣和創造能力，取得了非常好的成果。

（三）教學相長，師生共同提高。

在實踐中，作為教師，對學生實踐時遇到的各種問題作出解答或給出相應的指導方案;作為學生，在參與硬件設計、軟件設計、整體調試的過程后，學生的積極性和創造力得到了提高。因此學生在導師的指導下完成一個項目，實際上是一個共同合作、相互學習的過程。在這個課程改革的過程中，提高了學生的創新能力，鍛煉了導師的科研能力〔5〕。

（四）促進學生個性化發展。

通過嵌入式課程改革，教師可以根據學生對嵌入式的興趣和綜合素質，進行項目分工，分別側重培養學生的理論水平、軟硬件設計能力和創新能力，達到個性化發展。

四、結束語

嵌入式系統是一門側重應用性的課程。為實現我校應用型人才培養的目標，有必要對該課程進行一系列改革。本課程從教學內容的選擇、實踐環節以及考核方式等多方面進行了改革，教學效率得到提高，鍛煉了學生理論與實踐相結合的能力，培養了學生的硬件設計能力、軟件編程能力、創新能力，有利于培養高素質專業人才，為獨立院校進一步培養應用型人才提供參考。然而嵌入式課程的教學改革是需要堅持不懈的探索的，本課程會繼續改進教學方法，爭取在更大程度上提升學生進行嵌入式系統開發的能力，以適應嵌入式開發行業的需求。

〔參 考 文 獻〕

〔1〕聶曉文，肖堃，陸慶.嵌入式課程實驗教學體系教學改革探討〔J〕.實驗科學與技術，2010，（04）：78-80.

〔2〕許強，徐凱.強化工程素質培養的嵌入式系統實驗教學改革〔J〕.中國電力教育，2009，（02）：148-149.

〔3〕袁輝.基于學術與科研能力培養的研究生課程改革設計〔J〕.農業圖書情報學刊，2014，26（10）：130-134.

〔4〕徐薇薇，吳建成，蔣必彪等.高校教師教學質量評價體系的研究與實踐〔J〕.高等教育研究，2011，（01）：104-107.

〔5〕高東懷，裴立妍.基于網絡課程的教學模式構建與應用〔J〕.現代教育技術，2013，（01）：80-83.

〔責任編輯：侯慶海〕