新工科下嵌入式系統實驗課程的教學改革研究

劉人萍 龍林波

【摘要】嵌入式系統是銜接上層復雜應用與底層海量終端的堅實橋梁，同時，嵌入式系統實驗是構筑堅實橋梁的基石。然而，當前的嵌入式系統實驗課程在教學內容、教學形式、教學考核方式上缺乏與時俱進的特性。因此，本文面向新工科建設，提出新嵌入式系統實驗課程的教學改革方案，旨在助力嵌入式領域創新型、實踐型人才的培養。

【關鍵詞】嵌入式系統實驗? 教學內容? 教學形式? 教學考核

【基金項目】本文系“教育部協同育人項目”（“新工科”背景下計算機專業嵌入式人才的培養模式研究與實踐，201902020010）與“重慶郵電大學教育教學改革項目”（面向計算機專業的嵌入式系統設計課程研究與實踐，XJG19223）的研究成果。

【中圖分類號】G64 ? 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）27-0094-02

一、背景

為積極響應教育部推出的新工科建設，落實《高等學校人工智能創新行動計劃》等文件精神，高等學校有責任、有義務培養未來科技創新型領軍人才，搶占未來科技發展先機。針對新工科專業涵蓋的大數據、物聯網、人工智能、虛擬現實、智能科學等新興技術，嵌入式系統是銜接上層復雜應用與底層海量終端的堅實橋梁，也是理論落地于實踐的重要支撐。因此，嵌入式系統課程是新工科專業的基石。目前，在眾多高等學校中，嵌入式系統課程正逐步發展為本科教育的必修課程。

同時，根據教育部發布的《關于開展新工科研究與實踐的通知》《關于推薦新工科研究與實踐項目的通知》等文件，“實踐”是諸多文件提及的關鍵詞匯。嵌入式系統實驗課程是深入理解嵌入式系統概念、培養學生“實踐”能力的主要途徑。但是，傳統的嵌入式系統實驗課程在教學內容、教學形式、教學考核方式上缺乏與時俱進的特性。因此，如何面對新興技術，面向新工科建設開展新嵌入式系統實驗課程的設計，是一項亟待解決的關鍵問題。

二、傳統的嵌入式系統實驗課程的現狀分析

隨著大數據時代的來臨，嵌入式智能設備的數量呈爆發式增長，被廣泛地應用在軍事、醫療、智能辦公、生產制造等方面。因此，嵌入式系統實驗課程的重要性尤為凸顯。但是，傳統的嵌入式系統實驗課程存在教學內容陳舊、教學形式機械、教學考核死板的問題，無法高效地處理大數據時代產生的海量數據，導致了課程教育難以適應新興技術的發展、難以實現技術創新、難以推動學生自主學習。

（一）在教學內容上，內容陳舊，難以適應技術發展

傳統的嵌入式系統實驗課程通常以8051單片機，或者以基于ARM Cortex-M系列處理器的STM32為主要平臺，開展單一的裸機設備教學。當然，大多高等學校采用ARM Cortex-A系列或相同等級的處理器，融入常用的嵌入式操作系統（如ucLinux、RT-Linux、Android、IOS、Vxworks、Windows CE等），從處理器的啟動（BootLoader）出發，面向字符設備驅動、塊設備驅動和網絡編程等方面開展教學。但是，傳統的嵌入式系統實驗課程存在內容陳舊的問題。隨著應用場景和嵌入式設備性能的急速發展，新興的應用程序需要在高性能的嵌入式設備中落地。尤其是對于人工智能（AI）、虛擬現實等高趣味、高實用型應用，傳統的嵌入式系統實驗課程尚未將這些應用融入到教學中，導致教學內容難以適應技術發展。

（二）在教學形式上，機械教育，難以實現技術創新

對于傳統的嵌入式系統實驗課程，教學形式通常分為理論授課、實驗指導、學生實驗三個階段。在理論授課階段，教師大多數采用多媒體與板書相結合的授課形式，向學生講述實驗內容。這種單一的授課形式容易造成學習氛圍沉悶，難以調動學生對實驗內容的積極性和主動性[1]。在實驗指導和學生實驗階段，教師通常按照實驗手冊，一步一步地進行實驗操作展示。同時，學生機械式地模仿教師操作步驟，直至實驗完成。這導致了學生只專注于繁冗復雜的實驗流程，忽略了嵌入式系統課程中的重難點，難以發散性地思考嵌入式系統在日常生活中的應用。此外，傳統的嵌入式系統課程實驗采用的實驗設備為“集成實驗箱”或者“集成開發板”，并且往往是多人共享一套實驗設備。這樣一來，學生只能在時間受限的課堂中匆忙實驗。對于學有余力的學生，實驗設備的不靈活性導致了學生無法利用空余時間進行深入探索，難以實現技術創新。

（三）在教學考核上，考試為主，難以推動自主學習

嵌入式系統是一門實踐性較強的課程。設置實驗課程的初衷是通過具體的工程應用突出課程重難點、強化理解嵌入式系統的工作原理，以達到靈活運用系統知識解決實際問題的目標。然而，傳統的嵌入式系統實驗課程通常以筆試，結合實驗報告作為考核形式。面對以筆試為主的考核方式，學生往往在考試前夕集中突襲理論內容和實驗步驟，以應付繁瑣、死板的考試內容。這違背了實驗課程設置的初衷。因此，對于嵌入式系統實驗課程，書面考核不足以反映學生對課程掌握的熟練程度。這種以結果為導向的教學考核方式限制了學生的學習方式，難以推動自主學習。

三、新嵌入式系統實驗課程的教學改革

嵌入式系統實驗課程是計算機專業與各個行業實際應用相結合的產物。在嵌入式系統實驗課程的授課和學習過程中，與時俱進的教學改革是適應新興技術急速發展的重要途徑。同時，嵌入式系統實驗課程是一門軟硬件協同的實踐課程，對教師的教學過程和學生的知識積累提出了更高的挑戰。因此，本文針對傳統的嵌入式系統實驗課程存在的問題，提出了新工科下嵌入式系統課程實驗的教學改革方案，指出新嵌入式系統實驗課程在教學內容、教學形式、教學考核上應當考慮推陳出新、因材施教、強調過程。

（一）在教學內容上，推陳出新，適應技術發展

面向新興的人工智能、虛擬現實等高趣味、高實用型應用，新嵌入式系統實驗課程應當考慮融入這些應用的教學，編撰可行的實驗內容。根據學生對軟/硬件編程的興趣差異，為學生提供差異化的實驗平臺。針對偏向軟件開發的學生，考慮加入NVIDIA TX2平臺，結合CUDA并行計算架構，讓學生了解嵌入式CPU+GPU異構計算架構，重點教學CUDA基本的編程模型，包括分配CPU端的內存并進行初始化、分配GPU端的內存并進行數據拷貝、調用CUDA核函數啟動并行計算、拷貝GPU端數據、釋放CPU和GPU內存，最終讓學生完成實用的智能算法;針對偏向硬件開發的學生，挑選Xilinx或Intel的FPGA平臺，重點教學Verilog硬件編程語言或高層次綜合語言HLS，培養學生的硬件設計思路，引導學生入門硬件加速領域，挑戰智能算法加速，實現高性能、低功耗的嵌入式AI。此外，面對萬物互聯的應用場景，HarmonyOS是一種跨平臺的分布式操作系統，為新嵌入式系統實驗課程的教學內容改革提供了新思路。

（二）在教學形式上，因材施教，實現技術創新

針對傳統的嵌入式系統實驗課程在教學形式上容易造成學習氛圍沉悶，難以調動學生積極性和主動性的問題，新嵌入式系統實驗課程需要引入多元化的授課形式，結合學術界和工業界的前沿性應用，全方位拓展學生視野。在實驗授課階段，可由教師邀請國內外著名專家學者報告最新的研究成果。為了突出嵌入式系統的實用性，可聯系百度、阿里、騰訊、網易以及華為等企業的工程師分享嵌入式系統的具體應用[2]，強化學生對嵌入式系統的認識。此外，在實驗指導過程中，簡化實驗流程，聚焦嵌入式系統課程中的重難點，引導學生對關鍵技術進行復現與思考。針對實驗設備的不靈活性導致學生課后無法實驗的窘境，可充分利用硬件模擬器如QEMU等，為學有余力的學生搭建虛擬的硬件平臺，讓學生利用課余時間進行深入探索，實現嵌入式系統的技術創新。

（三）在教學考核上，強調過程，實現自主學習

為了加強學生在嵌入式系統實驗課程中主動式、迭代式的學習效果，針對傳統以筆試為主的考核方式，新嵌入式系統實驗課程更加強調學習過程，并非以考試結果為唯一衡量標準。因此，在教學考核方面，新工科下新嵌入式系統課程實驗的改革尤為重要。為此，本文針對以結果為導向的教學考核方式，提出一種考核思路。首先，開放式的選題能夠有效地激發學生對課程的濃厚興趣，提升學生的主觀能動性。其次，在課題完成階段，通過學情分析，合理地設置學習小組，形成互幫互助的學習氛圍。最后，在課題考核階段，采用多樣化的考核方式，落實每位學生在完成課題時充當的角色，注重考查學生對嵌入式系統的理解程度及運用能力。

四、結語

隨著大數據、物聯網、人工智能、虛擬現實等新興應用的不斷涌現，嵌入式系統是將這些應用理論落地于實踐的重要支撐。但是，傳統的嵌入式系統實驗課程難以迎合新興應用的快速發展，導致了人才培養與現實需求嚴重脫節。為此，本文首先分析了傳統的嵌入式系統實驗課程的現狀。然后，面向新工科建設，以教學內容、教學形式、教學考核三方面為切入點，提出了一種新嵌入式系統實驗課程設計方案，為嵌入式領域創新型、實踐型人才培養提供有益的探索路徑。

參考文獻：

[1]吳晨睿.新工科背景下“嵌入式系統”課程教學改革研究[J].南方農機，2021，52（14）：173-174.

[2]龍林波，劉俊，李菁晶.高校嵌入式人才培養模式研究[J].課程教育研究，2019（13）：11.