《嵌入式系統技術與應用》優質課程設計與實踐

劉莫塵，宋月鵬，婁 偉，閆銀發，劉 平

(山東農業大學機械與電子工程學院，山東 泰安 271018)

0 引言

《嵌入式系統技術及應用》是山東農業大學機械工程學科學術型碩士研究生的一門專業課，是培養研究生嵌入式系統設計與開發的重要課程[1-3]。通過對該課程的學習，使學生全面掌握嵌入式系統的開發與設計方法。本課程以應用問題為驅動力，結合科研項目，運用嵌入式系統知識解決實際問題，是培養學生實踐能力、創新精神和綜合理論應用能力的重要課程，它可為專業課的學習和進一步深造奠定基礎。

1 課程設計理念和體系

《嵌入式系統技術與應用》重點講授嵌入式系統的研究進展、最新研究成果及當前主流軟硬件開發設計方法(圖1)，在專業課程體系中起到重要的承上啟下作用，對于培養學生的基本理論素養、工程實踐能力、綜合素質及創新能力具有重要的作用[4]。本課程的設計理念：內容上注重知識的系統性和先進性，注重理論與實踐的聯系，突出應用基礎理論、先進技術和設計理念解決實際問題的方法，培養研究生分析和解決嵌入式系統問題的能力，以“理論-方法-實現”為主線，開拓解決實際問題的思路；在教學方法上倡導“以學生為本，理論結合實踐，重在學生參與”，突出理論應用與實踐相結合的教學特色，構建以“多媒體教學-網絡教學-實踐教學”為主體的多元化教學模式[5-6]。

2 課程結構設計

2.1 知識構成與能力構成

2.1.1知識體系結構

(1)嵌入式系統設計流程。主要講授嵌入式系統的開發理念、設計方法等。

(2)硬件設計。主要包括基本的時序邏輯電路、硬件資源、常用的總線(IIC、SPI、USB、CAN)、主流的I/O設備功能特點及接口設計等。

(3)軟件設計。主要包括嵌入式系統開發語言的特點、嵌入式軟件設計結構與方法、異常處理及中斷機制等。

(4)嵌入式操作系統。主要包括典型嵌入式操作系統的文件管理、內存管理、基于嵌入式操作系統的軟件設計方法、嵌入式操作系統的內核裁剪及嵌入式操作系統的移植等。

2.1.2培養學生能力

(1)專業知識能力。典型嵌入式系統的設計方案規劃與開發能力、工程實踐問題分析能力及優化改進嵌入式系統的能力等。

(2)學生設計方法能力。主要包括典型常用硬件(傳感器、人機接口、存儲器、通信模塊)的設計能力、軟件開發能力和嵌入式操作系統的裁剪移植開發能力等。

(3)學生社會能力。主要包括良好的嵌入式系統設計開發的基本素養，較好的團隊協作能力、合作交流意識和溝通表達能力，一定的獨立觀察、思考、分析概括和創新能力等。

2.2 講述內容與自修內容

本課程主要包括課堂講授和實驗實習兩個主要教學環節。課堂教學普及了嵌入式系統的基本知識及設計方法，通過對本課程的學習，學生應了解嵌入式系統的基本特點與設計方法，熟悉并掌握嵌入式系統硬件、軟件和嵌入式操作系統的設計方法。實驗實習主要講授嵌入式硬件設計與開發、嵌入式軟件設計與開發、嵌入式操作系統的裁剪移植與開發等，培養學生的創新設計能力和分析問題能力，為本課程的教學奠定實踐基礎。同時還結合國內外嵌入系統典型案例、仿真設計等現代化教學手段，使學生了解和掌握國內外嵌入式系統的現狀和發展趨勢。教材中的部分內容還可以讓學生自學或結合實際問題進行課堂討論，或針對嵌入式系統的最新研究動態開展專題講座，以培養學生獨立分析問題與解決問題的能力[7-8]。

本課程要求學生利用課余時間進行廣泛閱讀。除了教材之外，教師在授課過程中還使用一些補充資料：一是教師在課堂上所要講授的內容，而教材上沒有的或者教材上內容不夠的，如國內外更新的功能硬件、計算機仿真設計方法和典型案例等；二是選擇一些參考教材、學術期刊等指定學生課后閱讀；三是向學生提供專業技術網站，學習并補充本領域最新研究和發展動態。

3 課程教學方法與手段

3.1 主要教學方法

(1)科學合理地使用多媒體與傳統教學方法。采用多媒體授課加強學習進度，提高教學效率。減少重復勞動，調動學生積極性。綱要概括簡明，重在提綱攜領，激發潛能靈感，刺激學習興趣，解決重點難點，增進心靈溝通，創造平行交流，營造融洽空間。授課過程中并不完全依賴多媒體，而是把握好多媒體教學使用的“度”，在教學過程中應用多媒體課件時，教師應起主導作用，而多媒體只是教學輔助手段。

(2)采用啟發式、討論式教學。主講教師堅持講清思路、引導啟發、精講多練和培養能力的原則，采用講課、討論、練習和實驗等多個環節配合，在教學中體現教師的主導作用與學生的主體作用。教師運用邏輯手段，啟發、引導學生對問題的提出、解決方法和思路的深層次思考，加強師生互動和學生主動參與，以提高學生靈活運用所學知識分析問題、解決問題的能力。

(3)理論課與實踐課結合與滲透，培養學生解決實際問題的綜合能力。針對本課程理論性強的特點，教學中始終堅持理論與實踐統一，二者相互滲透。一方面，在學時安排上，理論課與實踐課銜接，實驗內容與教學內容互相滲透。另一方面，采用分層次教學，即采用驗證型、設計型及綜合型3層次教學，尤其是一些綜合開發實驗，不僅延伸了教學內容，而且對理論知識進行綜合應用[5]。鼓勵和引導大學生結合課程學習內容，有針對性地進行課外科技活動、科技創新和各種科技競賽，加強學生科研能力、創新能力的培養。將學生在參加科技活動中對知識的渴求轉化為內在的學習動力，激發學生課程學習的熱情。

3.2 多樣化教學手段的運用

采用“網絡+現實、傳統+現代、講授+討論”相結合的多樣化教學手段。緊密結合科研中的實際問題，增強對理論知識的感性認識。

(1)利用網絡條件開展課程教學活動。根據本課程及其各部分內容的特點，教學團隊開發了“嵌入式系統技術及應用”學習網站，網站提供在線學習、在線答疑、問題證解、動畫演示、在線自測和例題詳解等功能。將教學資源上網，教師可以在任何一個節點使用教學資源，學生可以在校園網上任何一個節點學習。進一步豐富了教學內容，改進了教學手段和方法[9-10]。

(2)采用多種形式的考試方法和成績評定方式。成績評定由理論考試、能力考查、課外科技活動和平時表現多種方式綜合評定，引導學生在掌握基礎知識的同時，更加注重實踐應用能力的培養和訓練。

(3)將科研成果引入教學，展示學科前沿技術。學生對新技術、新方法總是懷有濃厚的興趣，教學團隊教師結合自己的科研課題，將科研成果和科研體會融入教學，理論聯系實際，及時將嵌入式系統最前沿成果介紹給學生，激發學生對知識應用的關注，引導學生的學習興趣。

(4)健全教學評價機制。除了嚴格執行學校有關教學評價制度外，課題組還定期進行學生評價、同行評價和教師自評評價教學效果，定期組織學生對教學方法、教學內容、教學手段及實驗教學等情況進行座談交流，采取互相聽課、觀摩教學對發現的問題及時進行完善，設法提高理論教學和實驗教學水平。

3.3 教學風格創新與探索

(1)以基礎軟件為核心，以嵌入式軟件工程思想為指導，通過實踐強化軟硬件綜合能力，建立以“嵌入式系統技術與應用”為核心的課程體系。在保證基礎理論知識扎實的基礎上，完善實踐教學體系，著力提高學生的實踐技能，從項目、實驗、課程設計3個層面加強實踐環節，不斷強化和反復訓練，以達到學生掌握知識的要求。同時，增大實踐環節在課程考核中的比例，突出課程實踐性較強的特點。在實驗環節上轉變觀念、更新實驗內容，通過基礎實驗、設計性實驗和綜合實驗相結合的多層次教學，加強實驗的實用性、綜合性和創造性。在原有實驗、課程設計的基礎上，通過增加課外項目制作，鼓勵學生參加課外科技競賽，促進理論和實踐緊密結合，嚴格考核過程。在課程設計上體現課程體系的基礎性、完整性和先進性，強化工程綜合應用意識，培養學生對嵌入式系統的把握，以及創新能力和團隊精神。

(2)采用多維度教學方法，改革傳統教學手段。采用“提問式”“啟發式”“對比式”“探究式”和“討論式”等多種教學方法，教學過程以“基礎→綜合→系統→創新”為主線，包含基于問題的學習、基于項目的學習、基于資源的學習、探究性學習和開放式學習等多種形式，靈活、恰當地利用多種方法組織實施教學，遵循“實踐—理論—實踐”的教學模式，最大程度地提高學生的學習效率和學習積極性。

(3)嵌入式系統設計與應用創新集成方法研究。將課程目標分解為基礎準備階段、應用開發階段、低層開發階段和項目實踐階段，學生在各階段中不斷加深各個知識的理解，逐步將分散的知識點系統化、將理論知識變為實踐能力(圖2)。理論教學中，以“知其然，知其所以然”為目的，深入淺出地講解嵌入式系統的硬件基礎、軟件編程等內容，并作好基礎理論、原理和實際應用相呼應，使得學生對該課程的學習能夠知微見著，觸類旁通，強化學生的理論功底。實踐教學中，通過多元化實踐教學模式，使學生更好地掌握本課程要求的實踐技能，提高學生的學習興趣、思考能力、觀察能力、動手能力和數據處理能力。學生首先掌握嵌入式操作系統的基礎知識，如鍵盤、通訊和顯示等常用模塊的開發使用；進而熟悉ARM處理器的體系結構與開發環境，能夠完成諸如多任務間的互斥、同步與通信等復雜任務；最終能夠構建基于Android/Linux等不同操作系統的嵌入式系統，完成面向對象的程序設計和硬件調試。

圖2 “嵌入式系統設計與應用”的學習階段設計Fig.2 Learning design of“Embedded System Technology and Application”

4 自主創新能力培養與實踐

研究生自主創新能力培養是研究生教育的根本目標之一，也是我國高等教育趕超國際一流大學人才培養能力和水平的一個重要方面。充分考慮不同學習階段研究生的知識結構、創新基礎和群體環境等要素，本文提出了團隊模式下漸進深化的自主創新能力培養模式，并開展了相關的探索和實踐[11]。如圖3所示，經學生自由組合組建創新團隊，每一個創新團隊由1名指導教師及4～6名學生組成。選擇并設置在研究生知識和能力范疇內并且具有較大想象空間的教學課題，這些教學課題是指導教師從其從事的科研項目中挖掘創新思維的種子后根據學生的具體情況設計形成的，教學課題不僅需要用到學生正在學習的專業基礎課的知識，還離不開專業課及相關領域內的知識。通過完成這些課題提高團隊成員主動獲取、加工知識的能力，培養成員的自主創新精神、激發其創造力，培養學生的創造性思維能力，使學生具備動手實踐能力。在完成課題的過程中，必然離不開團隊成員的密切協作，因而可以培養學生的團隊意識、團隊協作精神及團隊創新能力。

圖3 研究生自主創新能力培養方法Fig.3 Training method of independent innovation ability for postgraduate

5 結論

“嵌入式系統技術與應用”是機械工程專業重要的學位專業課，根據研究生的學習特點和本課程內容特點，本文優化了課程的教學設計，并進行實踐，主要結論如下。

(1)突出特色，強調基本理論和實踐方法，變抽象為形象，變枯燥為興趣，極大調動了學生學習的積極性和主動性。

(2)實踐支撐理論，科研助推教學，以科研實踐的素材將理論的內涵表達清晰，使理論學習更加牢靠，使記憶更加深刻。

(3)改革教學環節，注重實踐教學，啟發式、探討式、參與試驗式教學模式深受學生歡迎和肯定。