“嵌入式系統與應用”教學改革與探索

童英華

（青海師范大學 計算機學院，青海 西寧 810008）

0 引 言

隨著物聯網技術的普及，相應的嵌入式系統支撐技術也被廣泛應用到工農業生產、國防軍事，以及人們日常生活的每個方面。嵌入式技術日新月異的發展，也對人才培養提出了更高的標準，迫切要求高校進一步加強教學建設、深化教學改革，以滿足市場對人才的迫切需求。

嵌入式系統從學科領域來說，涉及電子信息工程、計算機技術、通信工程、微電子學等；在系統架構方面涉及數字邏輯電路、模擬電路，其前修課程一般包括計算機組成原理、微機原理與接口技術、匯編語言程序設計、操作系統、程序設計語言、計算機體系結構等。明確培養什么樣的人才，要明確嵌入式系統的體系結構。嵌入式產品的開發是由不同層次的開發人員來完成的，各層次開發所涉及的知識不同，對開發人員的要求也就不同。嵌入式系統模型由低到高依次包括硬件電路層、驅動程序層、實時操作系統層和用戶應用程序層。硬件電路層是整個嵌入式系統的軀殼和基礎，要求學生能具備一定的硬件電路基礎知識，熟悉常見的硬件電路接口的編程，并初步具備獨自根據芯片數據手冊編程的能力；驅動程序層與系統各硬件設備進行交互，如嵌入式微處理器、系統總線和外圍設備，實現硬件電路設備與用戶應用程序之間的關聯，將復雜的硬件設備抽象成一個結構良好的操作系統設備文件，并通過操作系統提供的統一應用程序接口函數為系統其他部分提供使用該設備的能力和方法。驅動層的學習相對較難，不僅要求學生懂硬件電路方面的知識，而且又要懂操作系統內核相關知識；操作系統層除了要求學生具備操作系統的基本知識外，還要求學生熟悉特定的嵌入式Linux操作系統；用戶應用程序層的開發不僅需要學生具備熟練使用C語言編程的能力，還要求學生能將個人的創意進行深入、細致的分析，并通過編程語言實現。嵌入式系統課程的目標是培養學生掌握、具備常見接口電路設計，匯編語言和C語言編程的能力，能進行ARM處理器操作系統層面的驅動移植。學生側重嵌入式微處理器和接口電路的設計及應用軟件開發方面的學習應用。

1 嵌入式系統與應用教學存在的突出問題

1.1 理論教學

理論教學時間不足。目前大多數院校嵌入式系統課程的教學安排為理論教學36學時，實驗教學36學時。嵌入式系統與應用涵蓋的知識量大，內容多，而課時量少，導致教師將知識大批量灌輸給學生，學生死記硬背知識點，忽略了學生實踐創新能力的培養，致使學生不能通過實踐將理論知識進行靈活運用，加深對知識點的理解和升華，導致學生感覺枯燥和乏味，不能調動學生學習的興趣、主動性和熱情。因此，如何調動學生學習的熱情，使其能自愿利用課余時間進行嵌入式系統的實踐訓練，組建嵌入式系統興趣小組，培養學生分析問題、解決問題的能力與實踐開發能力，是當前嵌入式系統課程教學面臨的挑戰，也是亟待解決的問題。

1.2 實驗教學

嵌入式系統課程是一門綜合性和實踐性都非常強的課程，動手實踐對于課程的學習尤為重要，但目前的常規教學中實驗安排方面仍然存在一些突出問題：

（1）課內實驗學時有限，單純依靠課內實驗教學遠遠無法滿足課程要求，但目前很多院校在進行實驗課時只允許學生在課內做實驗，而且由于設備管理和實驗室安全方面的原因，實驗室在課外時間不對學生開放；

（2）課內安排的實驗內容更多的是為了配合課內理論教學的開展，學生只能在現成的實驗箱上按部就班地進行一個個孤立的模塊實驗，缺乏知識的系統性，往往在課程結束后，學生不能有效建立完整的知識系統；

（3）現有的嵌入式實驗教學的開展都是以購買廠家現成的實驗箱為主，實驗內容主要以完成驗證性實驗為主，學生在實驗課中通常按照實驗指導書的步驟按部就班地重復實驗內容，實驗教學很大程度上不由應用來推動，缺乏創新性，影響學生在實際應用系統開發中的創新實踐能力與二次開發整合能力的培養。

1.3 考核方式

嵌入式系統與應用最初的考核方式為筆試80%（期中筆試40%，期末筆試40%），平時考勤成績10%，上機實驗成績10%。采用傳統的試卷考核方式，主要針對理論知識的考核，而實踐環節占比很小。對學生而言，課程的考核方式是指揮棒，雖然在實驗課上會進行考勤并要求學生撰寫實驗報告，但由于實驗設備的限制不能實現對每個學生實驗實際效果的逐一考核，造成部分學生對實驗課實踐環節不重視，實驗課教學目標的最終達成度低，導致課程綜合設計實踐環節的大作業出現部分學生無處下手、無法向前推進的困境。為引導學生重視實驗實踐環節，將考核分值貫穿于整個教學過程，不應該僅僅局限在以教材、課堂和教師為中心的傳統應試教育考核模式，而應該重點關注學生動手實踐能力以及靈活應用理論知識解決應用問題的能力，制定科學規范的過程化考核指標和模式。

2 嵌入式系統與應用教學的改革

2.1 建立問題導向的理論教學方法

貫徹以問題為導向的教學方法，理論課之前提出需要解決的問題，引導學生課下自主學習，在認真查閱資料的同時，課堂教學注重學生的參與度，課堂討論與課堂講授相結合。一方面通過課程前的任務驅動讓學生廣泛查閱嵌入式開發中的大量理論知識，由被動地接收課堂教師對知識點灌輸式的學習方式轉變為學生自主探究式學習，不僅可以補充理論教學時間不足的問題，而且能調動學生學習的主動性。同時，通過學生自主探究式學習，不斷建立學生以問題為導向的學習方式轉變，進而逐步提高分析問題、解決問題的能力。

2.2 建立案件驅動的實驗教學

實驗教學的開展和學生的畢業設計、學校創新項目，以及嵌入式競賽相結合，將部分已畢業同學的優秀嵌入式畢業設計、項目競賽案例融入實驗教學環節中，通過經典的案例講解分析，讓學生了解嵌入式應用系統的開發流程和框架。同時，通過本學院學生開發的案例，讓學生樹立開發的信心。對學生進行合理分組，針對班級中動手能力和解決問題能力教弱的同學，指導教師輔助進行架構設計、任務分解、團隊分工，以能復現或補充優化之前的畢業設計為實驗目標，關鍵在于通過訓練，讓學生體驗開發流程，熟悉開發的關鍵技術。對于部分學有余力的同學，可以為其分配一些難度較大的系統設計，指導教師可以先介紹設計思路，以及開發的流程、方法，指導學生實踐，逐步理清存在的問題，并加以解決。通過分組討論、自主學習，以及教師引導，實現完整的嵌入式作品開發，不僅可以增強學生進行嵌入式開發的興趣和信心，而且通過實踐熟悉嵌入式開發的流程和主要技術環節，有助于學生學以致用，提高實踐操作能力和分析問題、解決問題的能力。

2.3 建立全新的考核方法

改變傳統考試中以期中、期末試卷考核為主的考核方法，改變以理論考試占比大，實踐實驗占比小的現狀，增加實驗實踐操作的占比，逐步增加學生實驗大作業的比重，依據學生在大作業中的分工和完成的工作量，給予適當的分值，提高學生的參與度、激發興趣，提高學生的學習主動性。此外，對于部分學習興趣濃厚，自主開發能力強的學生，鼓勵和引導他們申請學校的創新項目，鼓勵他們參加嵌入式、物聯網大賽。對于完成校級創新項目、參加競賽獲獎的同學，在基礎分值的基礎上，適當給予額外的附加分值。通過考核方式的適當調整，讓更多的學生自愿加入到嵌入式實踐學習中來，從而實現對所學知識的活學活用。

3 結 語

嵌入式系統與應用是一門綜合性和實踐性要求都很強的課程，涉及的專業課程較多，要求教師在講授過程中能將多個專業課程相聯系，根據學生的專業特點，找到合適的切入點，采取多樣、合理的理論教學、實驗教學模式和考核方式，讓更多的學生自發、主動地投入進來，便于學生熟練掌握開發流程，逐步提高學生嵌入式開發的能力，進而提高學生在實際應用中分析問題、解決問題的能力，并逐步培養學生的自主學習能力。