“嵌入式系統(tǒng)”教學(xué)生態(tài)環(huán)境的構(gòu)建探索與實(shí)踐

竇亞玲 周 龍 蔡美玲

（[1]湖南師范大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 湖南·長(zhǎng)沙 410081；[2]廣州粵嵌通信科技股份有限公司湖南分公司 湖南·長(zhǎng)沙 410000）

0 引言

2017 年，教育部推動(dòng)了“新工科”發(fā)展戰(zhàn)略。《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于深化產(chǎn)教融合的若干意見(jiàn)》提出，要“適應(yīng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革及新經(jīng)濟(jì)發(fā)展，促進(jìn)學(xué)科專業(yè)交叉融合，加快推進(jìn)新工科建設(shè)”。[1]“一方面設(shè)置和發(fā)展一批新興工科專業(yè)，加強(qiáng)建設(shè)和提升質(zhì)量；另一方面要推動(dòng)現(xiàn)有工科專業(yè)的改革創(chuàng)新，探索符合工程教育規(guī)律和時(shí)代特征的新培養(yǎng)模式”。[2]對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)課程體系與教學(xué)模式進(jìn)行改革，構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的教學(xué)生態(tài)環(huán)境成為重要環(huán)節(jié)。創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目的實(shí)施為構(gòu)建多元主體協(xié)同育人的機(jī)制，促進(jìn)產(chǎn)教深度融合、學(xué)校與企業(yè)聯(lián)合發(fā)力培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神、創(chuàng)業(yè)意識(shí)、創(chuàng)造能力與實(shí)踐能力的人才提供了機(jī)遇與強(qiáng)有力的保障。

近年來(lái)，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)在新信息領(lǐng)域飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)涉及的內(nèi)涵與外延知識(shí)在不斷迭代更新，多學(xué)科跨領(lǐng)域結(jié)構(gòu)在逐步形成、多樣化應(yīng)用模式日新月異。新技術(shù)與新經(jīng)濟(jì)發(fā)展使得“嵌入式系統(tǒng)”課程的教學(xué)改革迫在眉睫。為培養(yǎng)具有可持續(xù)競(jìng)爭(zhēng)力的創(chuàng)新人才，建立可持續(xù)的教學(xué)生態(tài)環(huán)境，重構(gòu)課程體系與課程內(nèi)容，升級(jí)考核標(biāo)準(zhǔn)。

1 嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)生態(tài)環(huán)境的構(gòu)建方法

《教育信息化2.0 行動(dòng)計(jì)劃》指出，要推動(dòng)新技術(shù)支持下教育的模式變革和生態(tài)重構(gòu)，推進(jìn)信息技術(shù)和智能技術(shù)深度融入教育教學(xué)全過(guò)程。[3]作者近六年一線教學(xué)實(shí)踐中以計(jì)算機(jī)、軟件等工科專業(yè)的教學(xué)計(jì)劃與實(shí)施實(shí)際情況為切入點(diǎn)，將原有的理論與實(shí)踐教學(xué)有機(jī)融合，構(gòu)建出有機(jī)的教學(xué)生態(tài)環(huán)境模型，即從教材處理、課時(shí)重組、課程內(nèi)容重構(gòu)、教學(xué)體系同步工程體系、量化考核升級(jí)等不同點(diǎn)切入，畫(huà)線成面構(gòu)建可持續(xù)的教學(xué)生態(tài)環(huán)境。

1.1 可持續(xù)性教學(xué)資源生態(tài)環(huán)境構(gòu)建

“嵌入式系統(tǒng)”是一門(mén)實(shí)踐程度要求很高的課程，[4,5]技術(shù)日新月異，傳統(tǒng)教材具有時(shí)間和空間的多重局限性。2015-2017我們采用的是ARM 920T系列芯片，當(dāng)時(shí)市面教材僅僅只有講原理沒(méi)有針對(duì)性具體芯片模塊的實(shí)操方案與程序代碼，全部實(shí)操方案都是本文作者測(cè)試調(diào)試完成，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。2018 年嵌入式工程師培訓(xùn)主流芯片升級(jí)換代成Cortex A系列，與此同時(shí)市場(chǎng)上STM32 成為輕量級(jí)嵌入式教學(xué)的首選。針對(duì)上述現(xiàn)狀，我們結(jié)合企業(yè)實(shí)際開(kāi)發(fā)環(huán)境的操作模式，教學(xué)中采用了官方數(shù)據(jù)手冊(cè)取代傳統(tǒng)教材，運(yùn)用官方提供的固件庫(kù)作為編程指南和案例工具，對(duì)于保障基礎(chǔ)性知識(shí)、系統(tǒng)性原理、技術(shù)實(shí)時(shí)性進(jìn)展以及操作技能類的知識(shí)由課程老師制作成視頻與圖文手冊(cè)分享給學(xué)生。通過(guò)這些措施，傳統(tǒng)的教材模式被動(dòng)態(tài)的可持續(xù)發(fā)展的滿足教學(xué)要求全覆蓋的多元化教學(xué)資源信息生態(tài)環(huán)境取代。

1.2 通過(guò)課時(shí)重組的方法重構(gòu)教學(xué)過(guò)程生態(tài)

校內(nèi)課程多數(shù)以兩課時(shí)為基本單元，而對(duì)于嵌入式這種實(shí)操性的課程，理論與實(shí)踐是融合的，很難簡(jiǎn)單區(qū)分理論幾個(gè)課時(shí)，實(shí)踐幾個(gè)課時(shí)。從2015-2019 五年線下教學(xué)到2020 線上教學(xué)，我們?cè)谝痪€教學(xué)過(guò)程中不斷優(yōu)化方案。六年實(shí)踐表明，較優(yōu)的課時(shí)安排是以4 學(xué)時(shí)為一個(gè)單元，其中每個(gè)單元設(shè)立一個(gè)獨(dú)立的開(kāi)發(fā)小項(xiàng)目，通過(guò)1 課時(shí)分析項(xiàng)目如何實(shí)施，涉及的理論知識(shí)點(diǎn)是什么，通過(guò)2 課時(shí)引導(dǎo)學(xué)生利用數(shù)據(jù)手冊(cè)找到解決方案，最后1 學(xué)時(shí)以學(xué)生為主體編寫(xiě)代碼在開(kāi)發(fā)板上實(shí)現(xiàn)。4 學(xué)時(shí)連續(xù)單元的學(xué)習(xí)是連貫緊湊的，過(guò)程思維邏輯是嚴(yán)密流暢的。

涉及較為復(fù)雜的綜合項(xiàng)目，比如智能小車、無(wú)人機(jī)、平衡車、智能醫(yī)療等項(xiàng)目，教學(xué)過(guò)程需要整合8 節(jié)或16 節(jié)的學(xué)時(shí)，利用1～2 個(gè)整天集中完成此類綜合項(xiàng)目。傳統(tǒng)的一周分散時(shí)間段的兩學(xué)時(shí)的課時(shí)方案是無(wú)法做到保持學(xué)生學(xué)習(xí)興趣完成實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的。

將教學(xué)計(jì)劃中的理論與實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)重組，促進(jìn)了課內(nèi)課外學(xué)習(xí)、作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)、研討、報(bào)告等多項(xiàng)學(xué)習(xí)任務(wù)時(shí)間上重組優(yōu)化，構(gòu)建出一種新的教學(xué)過(guò)程生態(tài)。

1.3 課程內(nèi)容重構(gòu)，同步工程化課程體系

嵌入式工程師課程體系通常涉及4 大進(jìn)階模塊，從C 語(yǔ)言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫(kù)等專業(yè)基礎(chǔ)到Linux 操作系統(tǒng)的核心，再到主流ARM 芯片開(kāi)發(fā)，最后是萬(wàn)物互聯(lián)的智能工業(yè)控制、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、娛樂(lè)等領(lǐng)域的經(jīng)典項(xiàng)目實(shí)操。作為在大學(xué)三年級(jí)階段的一門(mén)專業(yè)限選課，在龐大的嵌入式工程人才培養(yǎng)課程體系中需要重新定位第三模塊也就是主流ARM 芯片開(kāi)發(fā)。2018之后我們選用輕量化更經(jīng)濟(jì)的 ARM Cortex M4 系列STM32F4**芯片作為教學(xué)開(kāi)發(fā)主流開(kāi)發(fā)板，作為合作方粵嵌湖南分公司免費(fèi)支持了3 年的設(shè)備。三年教學(xué)實(shí)踐中我們對(duì)課程內(nèi)容不斷調(diào)整，做到與培養(yǎng)工程化人才的課程體系的同步，形成可持續(xù)發(fā)展的教學(xué)內(nèi)容及更新體系。

1.4 校內(nèi)常規(guī)模式與企業(yè)工程培訓(xùn)考核模式相結(jié)合構(gòu)建立體考核生態(tài)

課程考核依然是最有力的學(xué)生學(xué)習(xí)促進(jìn)手段，近年來(lái)，平時(shí)成績(jī)與期末成績(jī)的配比已經(jīng)變成4：6。嵌入式課程的考核升級(jí)的基礎(chǔ)是夯實(shí)的課程教學(xué)內(nèi)容，滿滿干貨。基于這個(gè)基礎(chǔ)，提高課程考核標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)課程考核生態(tài)：課程終結(jié)考試、實(shí)訓(xùn)報(bào)告、項(xiàng)目討論、小組報(bào)告、實(shí)操演示等有機(jī)結(jié)合的多層次考核，每個(gè)考核環(huán)節(jié)引入了企業(yè)工程培訓(xùn)考核的指標(biāo)，有的還邀請(qǐng)企業(yè)工程培訓(xùn)工程師參與考核。

2 嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)生態(tài)環(huán)境中關(guān)鍵實(shí)踐方案

2.1 課程內(nèi)容重構(gòu)具體實(shí)施方案

（1）自主學(xué)習(xí)類：嵌入式發(fā)展概況類課程內(nèi)容，老師給出關(guān)鍵詞，學(xué)生查閱收集文字、視頻、音頻資料完成。課程學(xué)習(xí)群分享，不占用課上內(nèi)容。

（2）ARM匯編學(xué)習(xí)類：軟件工程與計(jì)算機(jī)專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中是沒(méi)有匯編課程的，而對(duì)于底層開(kāi)發(fā)工程人員匯編尤其是ARM匯編是必修，所以課程內(nèi)容中這部分需要從基礎(chǔ)語(yǔ)法規(guī)則到ARM 指令系統(tǒng)最后落腳在企業(yè)面試選拔編程要求，此部分占據(jù)30%理論課程內(nèi)容。

（3）STM32 開(kāi)發(fā)類：這個(gè)部分的內(nèi)容分為兩個(gè)階段：一是直接對(duì)寄存器編程，二是進(jìn)階到基于固件庫(kù)編程。第一個(gè)階段是為了讓學(xué)生理解底層寄存器工作方式，第二個(gè)階段是讓學(xué)生完全按照工程規(guī)范進(jìn)行編程，固件庫(kù)的使用，規(guī)范編程工具的SI 的使用，這些都是全面按照工程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施。課程內(nèi)容被分裝在LED流水燈、按鍵點(diǎn)燈、時(shí)延函數(shù)、蜂鳴器演奏、測(cè)距傳感器、溫控測(cè)量……直觀容易激發(fā)興趣的小項(xiàng)目中。此部分占據(jù)70%理論課程內(nèi)容。

（4）綜合項(xiàng)目類：這個(gè)部分以小組為單位每一屆學(xué)生根據(jù)不同市場(chǎng)熱點(diǎn)選用不同綜合項(xiàng)目，比如2018 年我們采用智能小車?yán)眉t外感知自動(dòng)循跡。2019 年我們加入手機(jī)藍(lán)牙模塊控制小車行駛，2020 年線上環(huán)境限制了我們的綜合項(xiàng)目實(shí)施，2021 年我們將實(shí)施智能醫(yī)療或智慧交通類綜合類項(xiàng)目。占據(jù)100%課程實(shí)踐內(nèi)容。

2.2 課程考核升級(jí)具體實(shí)踐方案

日常打卡式考勤不再納入課程考核分值，升級(jí)為4 學(xué)時(shí)基本教學(xué)單元必須提交一份實(shí)訓(xùn)日志，包括設(shè)計(jì)方案、實(shí)施步驟、效果視頻、結(jié)果分析。發(fā)布在CSDN 或博客園，視頻分享到主流視頻學(xué)習(xí)網(wǎng)站如B 站學(xué)習(xí)區(qū)。占比20%。

綜合類項(xiàng)目考核分小組，項(xiàng)目期間嚴(yán)格考勤；項(xiàng)目結(jié)果要求演示、競(jìng)技、答辯；評(píng)委由資深行業(yè)類工程師擔(dān)任，現(xiàn)場(chǎng)打分。占比30%。

筆試考核參考企業(yè)面試標(biāo)準(zhǔn)，灌水無(wú)效。占比50%。

3 教學(xué)總結(jié)

“嵌入式系統(tǒng)”課程教改關(guān)鍵問(wèn)題在于“與時(shí)俱進(jìn)”，技術(shù)更新迭代太快，一塊芯片板還不到物理?yè)p壞年限就已經(jīng)被應(yīng)用市場(chǎng)淘汰。因此，構(gòu)建以學(xué)校為教學(xué)主體、融入上下游企業(yè)的新型可持續(xù)發(fā)展的教學(xué)生態(tài)環(huán)境，是保持這門(mén)課程生命力和優(yōu)良教學(xué)效果的關(guān)鍵。2014-2020 六學(xué)年的教學(xué)一線實(shí)踐中我們得到學(xué)生不同方面的優(yōu)良反饋，取得了不錯(cuò)的教學(xué)效果。與此同時(shí)，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和熱情，積累了大量的項(xiàng)目視頻資料用于分享和評(píng)估，學(xué)生實(shí)操能力得到切實(shí)提高。有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明學(xué)生升學(xué)就業(yè)選擇嵌入式系統(tǒng)方向的人數(shù)逐年上升。