培養實踐動手能力的嵌入式系統教學方法改革

李亞蘭，陳 淼，李 翔，曹菊英，陸汝華，姚 敏

（1.湘南學院 電子信息與電氣工程學院，湖南 郴州 423000；2.湘南學院 軟件通信工程學院，湖南 郴州 423000）

0 引 言

嵌入式系統廣泛應用于工業控制、移動設備、通信、汽車和游戲等眾多領域，是電氣工程及其自動化、電子信息科學與技術、計算機科學與技術和光電信息科學與工程等專業的一門重要專業課。嵌入式系統課程具有很強的工程性、系統性和應用性，該課程將操作系統原理、應用程序開發與調試、硬件結構和接口驅動設計等多部分內容融為一體，課程難度大。嵌入式系統需要結合有強大計算能力的微處理芯片（如ARM）和針對這些微處理芯片伴生的各類綜合開發平臺（如MDK、Keil、ADS、RVDS 等），需要進行操作系統移植（LINUX 的移植）和用戶應用程序的開發，并完成應用程序的編譯、仿真、下載、調試等一系列的操作，涉及的知識點非常廣泛，實踐性強[1]。

1 嵌入式系統教學現狀

1.1 內容豐富但學時受限

嵌入式系統包括的內容非常廣泛，既包括理論，又包括實踐，涵蓋了軟件、硬件以及系統開發技術等內容，而當前嵌入式系統普遍被作為一門課程，學時十分有限。學生沒有經過一系列先后有序的嵌入式系統相關課程的學習，如嵌入式系統導論、ARM 處理器體系結構、現代嵌入式操作系統、嵌入式軟件分析設計、嵌入式系統應用開發等，會直接導致大部分學生在學習完嵌入式系統課程后只能獲得籠統的表層理解，實際動手操作顯得十分困難[2]。

1.2 重理論、輕實踐

目前，嵌入式系統課程開設的理論與實踐學時比重普遍為2：1 或更高，理論學時明顯超出實踐學時。另一方面，開展以講授為主的理論教學所需要的條件相對簡單，而實踐操作涉及更多的硬件平臺，特別是在教學資源緊缺的情況下，實踐教學難以開展，且得不到重視。當前教師處在重視理論學術研究的氛圍當中，部分教師對嵌入式相關理論掌握得較為深入，對于實踐環節的研究相對較少，使得實踐教學的師資不足。

1.3 理論與操作分離

嵌入式系統理論教學通常在教室進行，主要以教師講授、黑板板書和PPT 展示等方式呈現。實踐教學通常獨立地在實驗室進行。由于嵌入式系統課程具有很強的應用性、綜合性特征，理論與實踐的分離增加了理解的困難，打擊了學生的自信心，抑制了學生的學習積極性。

1.4 缺少工程性實驗

嵌入式系統實驗多在實驗箱上完成，學生在沒有了解整個系統運作的基礎上，僅僅是按照實驗指導書的操作一步步進行，最終驗證一下結果，整個過程缺乏主動性和探究性。實驗內容呈現出單一分立、知識關聯性不強的特征。系統的工程性綜合性實驗內容較少，不利用于培養學生綜合開發的實踐能力。

2 培養實踐能力的教學方法改革

2.1 采用翻轉課堂增加隱性操作學時

嵌入式系統涉及的知識體系龐大，為了在有限的學時中快速理清知識點的主要脈絡，充分利用寶貴的面對面課堂時間培養學生的實踐動手能力。嵌入式課程教學結合了視頻錄制軟件camstudio9、超星爾雅和雨課堂等相關的信息技術手段，采用線上線下的混合教學方法。將傳統課堂中的知識點講授移到課前，傳統課堂的課外練習移到課中[3]。學生課前通過手機、電腦等終端設備，可以隨時隨地登錄超星爾雅平臺觀看微視頻，快速了解該節知識點的整體概貌和基本要素，并完成相應的測試題目，達到知識點簡單復現和應用的目的。對于不明白的要點和問題，學生可以通過網絡平臺進行線上交流討論。有能力有興趣的學生還可以選擇擴展閱讀，以了解嵌入式系統相關前沿技術和發展動態。對于有遺忘或理解不深的知識點，學生可以反復觀看視頻進行鞏固和深入理解。在線下課堂，教師根據學生線上學習情況，先對本節知識點做簡短的總結梳理，然后拋出有針對性的問題，引導學生進行探究活動。采取學生獨立探究與分組合作的形式來尋找問題解決方法，注重培養學生的批判性思維與合作精神，根據問題的解決方法指導實踐操作過程。由于嵌入式系統課程的特殊性，多數問題需要動手操作。本課程的學習時間均要求學生自帶筆記本電腦，利用全校覆蓋的WIFI 網絡，及時查詢問題解決方案，下載源碼等相關資料。通過具體的動手實踐環節內化本節知識點和提升學生綜合應用能力，培養學生開發工程項目的科學素養。比如，Linux 系統的安裝，學生通過制作安裝盤或在線安裝的方式，完成Linux 系統的安裝過程。在操作中進一步理解Linux 系統下的分區和掛載，體驗Linux 系統與Window 系統對文件、硬盤和外部接口設備的不同管理方式。要求學生對實踐過程中遇到的問題和解決問題的思路與方法進行總結，反饋沒有解決的問題，并在教師的引導和學生間的集體討論中進一步完善解決。最后，教師對課堂活動進行總結，布置課外任務為下一次課做準備。

2.2 以項目組織教學，提高綜合實踐能力

項目制教學是“知行合一”的教學，具有很強的綜合性、實踐性[4]。嵌入式系統課程具有內容涵蓋廣泛、應用性強的特點。以往的教學過程僅僅能夠完成對嵌入式系的部分知識點的講解，沒有形成整體效應，沒有與操作相結合，以至于學生不明白當前所學內容與嵌入式系統的哪個步驟環節相關，有什么用處，實踐起來思路不清楚，動手能力得不到提高。為解決這些問題，本課程采用具備完整環節的項目來組織教學，一個項目通常需要幾周時間來完成。項目的選擇以簡單為主、復雜為輔助。通過一個簡單的項目將各類知識點串聯系起來，形成清晰的知識點脈絡，快速建立學生的成就感，整個項目實施過程體現了工程教育的理念[5]；復雜的項目主要和科研前沿相結合，以拓展視野、提高能力為主要目的。開發貪吃蛇小游戲的項目如圖1 所示，最終目標是在開發板上實現小蛇吃食物的不斷循環的過程，直至蛇頭碰到蛇身或墻壁后結束游戲。該項目整合了嵌入式系統開發流程中涉及的各個環節相關知識點，包括硬件電路原理圖的設計講解、處理器以及接口芯片性能特征、Linux 操作系統原理、系統定制與移植、驅動安裝、應用程序開發與交叉編譯、仿真和下載調試等。通過該項目的實現，學生可以快速了解到整套嵌入式系統開發流程，并對每個環節的知識點有個大概的了解，清楚了解課堂所學知識點處在開發流程中哪個部位，發揮了什么樣的作用。做學相結合的環境，增進了學生的沉浸感，提高了學生理論結合實踐的能力，極大激發了學生的學習興趣。

圖1 項目知識點示例

2.3 注重過程的成績評定機制

課程的成績評定規則對學生的學習活動起著導向作用，嵌入式系統課程的成績來源分配如圖2 所示，主要由線上學習任務包括視頻觀看、線上測驗等。線下課堂表現包括到勤、答題、實踐操作和線下課堂的合作表現，完成指定的工作數量和質量，主動合作意愿表現等，合作表現得分由小組成員互評。課外作業包括項目報告、調研綜述、部分教材習題等。期末考試，從整體層面考查學生對嵌入式系統地掌握情況，可以為開放的課程設計或閉卷考試。嵌入式系統的評定規則意在鼓勵學生積極參與動手實踐活動、主動思考問題，增強學習和合作能力等。

圖2 課程成績分配

3 教學效果分析

嵌入式系統課程在湘南學院2015 級電子信息科學與技術專業和2016 級光電子信息科學與工程專業，分別采取傳統黑板加PPT 的教學方法和線上線下混合教學加項目制的教學方法。2個年級學生上課表現區別明顯，2016 級學生上課時積極性更高，學習興趣更濃，參與答題的數量和質量更高，學生提問的深度增加。從圖3 所示的2 個年級的最終成績對比分析圖中可見，2016級學生的整體學習效果有所好轉，2016 級學生期末總成績在90～100 分和80～90 分之間人數比例分為9%和25%，比2015 級分別高出5%和7%；2016 級不及格的人數比例為4%，比2015 級降低了4%。這說明改革后的教學方法能夠對大多數學生的學習活動起到積極的作用。

圖3 兩個年級學生成績對比

對2016 級學生進行嵌入式系統課程教學方法改革的部分問卷調查統計結果見表1。從中可見，64%的學生認為嵌入式系統課程學習的最大難點在于具體操作難以實現，23%的學生則認為最大難點在于知識體系太復雜；78%的學生認為線上線下混合教學能夠幫助他們學習嵌入式系統相關知識，13%的學生認為幫助非常大；64%的學生認為嵌入式系統項目制教學能夠幫助他們增強實踐動手能力，29%的學生認為幫助非常大；小部分學生在開放性話題“對嵌入式系統教學方法改革的建議”中表示學習任務重，沒有時間提前看線上視頻，覺得操作太難了，跟不上老師和小組的進度，希望能多留些時間和空間給自己。大部分學生覺得混合教學方便了自己的學習，項目制教學形式給自己提供了操作的機會，增強了操作能力，提高了學習興趣。

表1 調查的代表性問題結果統計

4 結 語

嵌入式系統課程涉及知識體系復雜，實際操作難度大，為此，對該課程教學方法進行了改革，采用了線上線下混合教學和項目制教學的方法。通過改革前后2 個年級的對比，發現改革后學生的操作能力、學習興趣和學習成績均有一定程度提高，但該方法的實施一定程度上需要學生主動配合，學生按質按量地完成線上學習是后續實踐順利進行的重要前提。有效管理和促進學生主動學習的內外機制還需要更進一步的完善和研究。