智能家居開發項目的《嵌入式系統》實驗課程教學

廣東海洋大學寸金學院 彭小松 韋發清

當前，國家正處于科技創新和產業轉型發展的關鍵階段，隨著5G、物聯網、云計算等技術的日漸成熟，在國家政策的支持以及市場的需求下，應用型、創新型人才的需求量將急劇上升。嵌入式技術作為信息技術的基礎學科，學生掌握并且能夠熟練對嵌入式系統進行開發顯得尤為重要。嵌入式系統實驗教學過程中，學生經常是通過一個現成項目進行學習，學習基礎知識和程序設計，這會造成當離開現成項目，學生進行獨立開發的時候，便不知不知所措、毫無頭緒的困境。本文針對這一現象對《嵌入系系統》實驗課教學方法、教學設計進行探究，旨在提高學生脫離教師案例以后獨立思考、獨立開發嵌入式系統的能力。

1 課程基本情況

《嵌入式系統》實驗課程是電氣、電子專業的一門重要的專業必修課，課程的主要目的是在理論課的基礎上，鍛煉學生獨立開發一個嵌入式系統項目的綜合能力。本文以開發一個智能家居項目為主線，對教學過程進行中存在的問題進行優化，以提高學生的獨立開發能力。該課程是對《C語言程序基礎》、《Linux操作系統》以及《ARM嵌入式處理器原理》三門課程知識的綜合應用。

2 當前項目式教學存在的問題

2.1 學生的編程開發環境過于“舒適”

當前《嵌入式系統》實驗課程，通常在學生進入實驗室之前，教師已經提前幫學生準備好相應的開發環境的配置，如Linux虛擬機的安裝與環境配置，交叉編譯環境等。學生對開發環境和開發框架的構建并不熟悉，對獨立開發缺乏自信。

2.2 基礎知識儲備參差不齊

實驗課涉及到多門課程知識的綜合應用。由于每個同學的知識基礎不同，不同學生的感受到難度是不一樣的。使得學習進度不一致。

2.3 理論與實踐分離

對于嵌入式程序開發，理論知識通常在理論課上講解，實驗時學生無法將現象與理論聯系起來。

2.4 只看不做或者“臨摹”學習

《嵌入式系統》程序設計由教師演示，演示完畢后，學生不動手親自實現，停留在看懂的層面上。或者把教師演示的源碼共享給學生，讓學生實現，學生進行“臨摹”，學生無法形成對知識的深刻記憶。

2.5 沒有教學筆記或筆記簡略

2.6 教學節奏把握不當

教學過程中，教師通常將把簡單的基礎知識三言兩語、一筆帶過，使基礎薄弱的同學跟不上。

3 增加學生獨立開發的實驗課教學設計方法

針對以上問題，本文以“基于ARM-A53平臺的智能家居項目”為依托，提出以下教學設計的改革路線，如圖1所示。

圖1 《嵌入式系統》實驗課教學改革路線

改革路線分為實驗前，實驗中和實驗后。

3.1 實驗前

實驗前教師應該梳理出實驗中可能用到的理論知識體系，給出知識體系的邊界，合理配置教學時長，注重基礎知識鞏固，由易到難，循序漸進的課程推進。如表1所示。

建立實踐與理論之間的映射關系，做好理論的插入點。此處以C語言基本常識的講解為例，演示如何通過實際例程將相應的理論知識點落實，如下例程1所示：

例程1：C語言基礎知識復習例程

#include ＜stdio.h>

表1 智能家具項目基礎知識邊界

3.2 實驗中

教師演示開發過程需要以實際項目開發過程為主線，以具體實例為依托，進行演示。讓學生看到實例現象或程序運行結果，在此基礎上，在合適的位置進行對應的理論講解與補充，從而讓學生建立對理論的感性認識和認知結構，對理論知識有更深刻的理解。

學生實踐，教師演示時，教師是主要的邏輯思考者，學生處于被動接受狀態。程序編碼的過程需要學生自己去構建編碼框架和編碼邏輯。因此教師演示完畢后，應先將演示的代碼和筆記關閉，給足夠的時間讓學生以第一作者的角度進行思考、復盤以及重現原碼。只有這樣反復實踐，學生才能擺脫“一看就懂，一做茫然”的尷尬狀態，學生才能真正掌握一門技術的實際使用方法，建立相應的技能自信。

由于嵌入式開發過程細節多且瑣碎，步驟之間環環相扣，因此教師的演示的時候，應該有記錄詳細的步驟筆記，可采用屏幕錄制軟件錄屏，抑或者可以采用截圖與文檔說明的方式，為學生的無憂回顧復習做好準備。

3.3 實驗后

僅僅是重復老師的邏輯是不行的，現實中嵌入式系統要實現的功能各不相同。因此舉一反三的應用操作是學生必會的技能。因此實驗后，老師給出實當的練習，根據實際問題，要學生實現相應的功能需求，發揮學生對知識的應用擴展能力。學生根據詳盡的復習資料，掌握基本操作方法，在此基礎上，完成教師的擴展任務，進一步落實實踐過程。

學生完成教師課后布置的擴展項目后，根據最終實現的功能完備性和代碼的抗干擾能力，對不同組的學生進行綜合評分。此外，評價的目的是為了不同組之間能互相學習，對于實現相同的功能，不同組的實現方法各不相同，分享每組的實現路徑和思考模式，可以讓學生反思自己實現方法的不足，自己處理方式的缺點，掌握更靈活、更簡潔、更便捷、更完備的程序設計方式。

程序設計過程不同組會遇到各種各樣的錯誤提示和警告提示，對錯誤和警告的處理學生進步的階梯。分享開發過程中的遇到的錯誤與警告，以及相應的處理方式，匯總形成“問題-方案”備忘錄集，有助于所有開發者的提高。

總結：本文針對學生在《嵌入式開發》實驗課上出現的無法學以致用、獨立開發的問題進行了深層次的解析，重新對開發實踐課程進行教學設計。說明了實驗課基礎知識補充鋪墊的重要性，強調了理論知識的傳授應該置于在實踐結果之后的教學思路，論述了學生“閉卷”實踐思考的必要性，提出了課后擴展項目驗收、評價以及提升方法。在新的教學設計指導下，學生期末完成綜合項目的成功率和獨創性大大增加，參加大學生創新創業項目的團隊增加。