《嵌入式系統設計與開發》應用型課程實踐教學研究

吳櫂耀 魏楊 黃毅 楊智勇

摘要：針對嵌入式開發人員需求量大但學習入門難度大、國內外高校嵌入式課程教學中的問題和不足、學生學習和實踐困難等問題，提出了相應“階梯式實踐教學體系+四個維度的實踐能力培養”的實踐教學方案。實施過程中，采用“基礎層→進階層→創新層”的階梯式實踐教學體系;以實際項目為主線開展實驗設計，在實驗過程中從“分析問題能力”“解決問題能力”“實驗研究能力”及“應用創新能力”四個維度對學生進行實踐能力的培養。此方案已應用到我校計算機專業教學中，通過實踐教學的實施，學生對該課程的接受度、實驗能力、應用知識的能力、團隊合作能力等方面有明顯提升。

關鍵詞：嵌入式系統;課程建設;應用型;實驗設計

中圖分類號：TP311? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）04-0152-02

1 引言

《嵌入式系統設計與開發》課程是計算機類專業的專業核心課，通過本課程的學習培養學生掌握嵌入式系統開發所必需的基礎知識、設計理論和設計方法，培養學生具有扎實認真的科學態度、團隊合作能力和創新精神。

市場需求方面，目前市場上嵌入式系統產品非常多，行業機會很大，對嵌入式技術開發人員的人才需求量大，但是由于入門難度較大，對相當大一部分學生造成了困難，學生望而卻步。

高校人才培養方面，國內外高校在本課程的教學過程中存在一些問題和不足，主要包括：

1）由于嵌入式應用所涉及知識面跨度大、綜合應用能力要求高、知識點繁雜且不容易掌握，學生學習起來比較吃力，對基礎知識的理解、案例的應用、技能的掌握等方面存在一定的困難和不足之處[1];

2）教學方法較傳統，學生的學習興趣和創新意識沒有被激發出來，因此學生學習效率較低，課堂表現也不好[2];

3）學生層次和水平參差不齊，課程設計得太難，能力差的學生一開始便因為跟不上節奏而掉隊。設計得太容易，功底好的學生容易對知識產生疲倦感，因此如何設計好課程給教師教學帶來了挑戰;

4）教學實踐環節，學生只能按部就班地進行實踐，學完就忘，不能真正地轉化為自己的知識[3]。

鑒于上述國內外現狀，本文開展《嵌入式系統設計與開發》課程實踐教學研究，對現有教學模式和教學方法進行設計和創新，探究出學生易于接受、樂于參與、滿足畢業要求和行業要求的應用型課程教學方法，形成應用型課程實踐教學方案，并將該方案應用于我校計算機專業相應課程的日常教學中。

2 具體的應用型課程實踐教學實施方案

2.1 實踐教學方案設計

基于現有行業中對嵌入式開發人員的基本要求，結合國內外高校在本課程的教學過程中存在一些問題和不足，本文開展《嵌入式系統設計與開發》應用型課程實踐教學方法研究，提出了相應“階梯式實踐教學體系+四個維度的實踐能力培養”的實踐教學方案。

1）階梯式實踐教學體系

本課程實踐教學基于“以學生為中心、雅典式教學”的教學理念[4]，采用OBE工程教育模式，以培養行業需要的嵌入式人員為目標來開展實踐教學的過程設計。教學設計中，兼具開放的實踐教學模式[5]，以項目的實際應用為出發點來組織實踐教學內容，項目實驗的設計與所講授的知識點相關聯，且采用“小項目+大項目”進行實驗內容的設計，形成階梯式實踐教學體系。

2）四個維度的實踐能力培養

本課程實踐教學從“分析問題能力”“解決問題能力”“實驗研究能力”及“應用創新能力”四個維度對學生進行實踐能力的培養，如圖1所示。通過有針對性的實踐教學設計和有效實施，最終提高學生解決實際工程問題的能力，達到課程目標的要求，培養行業需要的應用型人才。

2.2 實踐教學方案實施

確定具體實施方案后，實踐教學的實施是關鍵環節，本文的實施辦法已應用在我校計算機專業教學中，方案實施過程如下：

1）在“階梯式實踐教學體系”的實施方面，以項目的實際應用為出發點來組織實踐教學內容，逐步引導學生在掌握嵌入式開發基礎知識后進入項目實驗環節。項目設計上采用“小項目+大項目”的方式（在教學過程中，首先完成多個小項目，之后完成大項目，大項目開發過程中需要用到的模塊均來自各小項目）。下面以控制LED燈的實際應用為例開展階梯式實踐教學設計，如表1所示，從基礎型、進階型、設計型、綜合型等4個維度設計LED燈的應用實驗，通過這種遞進式的實踐教學安排，學生易于接受、吸收、應用所學知識點。

2）在“分析問題能力”“解決問題能力”培養方面，以課堂講授+隨堂練習為主，主要講解嵌入式系統設計與開發相關的基本概念、基本理論、基本分析方法以及編程思想，將實際工程中所需的理論知識、研究方法、Linux系統編程思想等融入基本知識的講解中，使同學們能更好地熟悉和掌握嵌入式開發所需的基本知識點，提高學生學習的興趣和學習目的，做到針對項目工程需求的應用教學;課堂教學盡量引入互動環節，通過問題導入教學，引導學生尋找解決方案，提高教學效果。

3）在“實驗研究能力”培養方面，以課程實驗為主，在理解基本概念、研究方法、Linux系統編程思想的基礎上，通過實際開發與實踐，動手尋找答案，以培養學生的團隊合作及解決復雜工程問題的能力。

4）在“應用創新能力”培養方面，以課堂討論、課后啟發式作業為主，培養學生在對嵌入式產生興趣的基礎上主動進行探索和實踐;具有運用所學知識的能力、創新能力、鍛煉表達能力;通過合作客觀評價相關工程對社會、經濟等影響，發表自己的見解，提升學生的綜合能力。

2.3 實踐教學方案實施中的教學手段

在實踐教學方案實施過程中，采用的教學手段包括：

1）通過講授法講解嵌入式基礎理論知識，讓同學們能夠對基礎知識點有清晰的理解;

2）通過案例教學法使學生能夠通過案例加深對多學理論知識的運用，明白理論是如何和實際相結合，如何進行嵌入式開發入門;

3）通過情景教學法使學生能夠融入一個情景下，進行實際功能的應用程序編寫并調試;

4）通過討論法使學生積極參與到項目的討論中來，通過討論更好地加深和強化所學知識點，深度分析并探討實踐中遇到的問題。

3 實踐教學方案實施效果分析

本文研究方案已在我校計算機專業課中進行教學實施，通過本課程的實踐教學實施，學生對該課程的接受度、實驗能力、應用知識的能力、團隊合作能力等方面有明顯提升，學生達到對嵌入式開發人員的基本要求，掌握相關知識包括：（1）嵌入式系統的基礎知識，主要包括：嵌入式系統概述、嵌入式Linux開發環境搭建、交叉編譯工具鏈建立、最小Linux系統制作、ARM Cortex-A9 處理器架構、ARM指令集及匯編程序設計;（2）嵌入式系統接口技術及應用（基于三星Exynos4412平臺開發板），主要包括：GPIO、時鐘管理單元、中斷系統、DMA控制器、PWM定時器和看門狗、NAND Flash控制器、UART、SPI、I2C、ADC等各部分驅動軟件設計與開發;（3）嵌入式Linux系統移植，主要包括：U-Boot分析與移植、Linux內核基礎知識、Linux內核移植。

4 小結

目前市場上嵌入式系統產品非常多，行業機會很大，對嵌入式技術開發人員的人才需求量大，但是由于入門難度較大，對相當大一部分學生造成了困難，學生望而卻步;高校人才培養方面，國內外高校在本課程的教學過程中存在一些問題和不足，導致學生對課程不感興趣，學習起來非常吃力，培養的學生達不到市場對應用型人才的需求。

基于對上述現狀的分析，本文開展了《嵌入式系統設計與開發》課程實踐教學研究，提出了相應“階梯式實踐教學體系+四個維度的實踐能力培養”的實踐教學方案，對現有教學模式和教學方法進行設計和創新，采用“基礎層—>進階層—>創新層”階梯式實踐教學體系，以實際項目為主線開展實驗設計，在實驗過程中從“分析問題能力”“解決問題能力”“實驗研究能力”及“應用創新能力”四個維度對學生進行實踐能力的培養。

通過實踐教學體系的設計、實踐、驗證，探究出學生易于接受、樂于參與、滿足畢業要求和行業要求的應用型課程教學方法，對培養應用型創新型人才，具有非常重要的現實意義和應用價值。

參考文獻：

[1] 岳雪亭，王瑞堯，周瑞敏.嵌入式操作系統課程教學模式研究[J].信息與電腦，2020（20）：221-222.

[2] 彭小松，舒秀蘭.《嵌入式系統原理及應用》理論課實踐教學改革與探究[J].科技視界，2020（32）：50-52.

[3] 王璽，于紅旗，譚芳，等.嵌入式電子系統設計課程思政的實踐和探索[J].教育教學論壇，2020（45）：46-47.

[4] 匡巧艷.探究式教學法在嵌入式系統教學中的應用研究[J].電腦與信息技術，2020，28（5）：81-83.

[5] 孫中皋，王新軍，王玉新.新工科背景下嵌入式系統開放實踐教學探索[J].軟件導刊，2020，19（9）：266-269.

收稿日期：2021-08-23

基金項目：本文系西南財經大學天府學院2021年校級教育教學改革項目“《嵌入式系統設計與開發》應用型課程實踐教學研究”（TFCJG202118）研究成果

作者簡介：吳櫂耀，西南財經大學天府學院專任教師，中級工程師，從事本科生教學工作。