基于項目式嵌入式課程教學模式改革研究

摘 要：嵌入式系統作為一門基礎理論與工程實踐相結合的課程，在高校電子信息類課程體系中占有非常重要的地位。針對嵌入式課程信息量大、抽象難懂、學時少的問題，提出項目引入教學的方式，結合課程知識體系發布學習任務。文中對嵌入式系統課程項目式教學模式進行探討，并對項目式教學模式在嵌入式系統課程實踐教學過程中的應用和相應的教學評價體系進行思考與探索。課程在傳統嵌入式硬件接口技術教學中，采用項目式引入，如APP智能藍牙小車設計、APP智能小車監控端設計等，通過這些基礎的嵌入式項目，從軟件、硬件兩個方面系統的給學生講述嵌入式知識，激發學生對嵌入式課程學習的興趣，培養學生的創新實踐能力。

關鍵詞：嵌入式系統；項目設計；教學改革；APP小車；智能監控端；硬件接口技術

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）06-0-03

0 引 言

嵌入式系統及應用課程是通信類專業高年級學生將要學習的一門面向應用的專業方向課。課程教學內容與工程實際緊密聯系，應用性強，是一門在理論指導下偏重于實際應用的課程。其主要采用以教學思想轉變為根本、學教并重的教學方法，通過啟發式、范例式課堂教學，師生互動，實現傳統與現代教學手段的結合。但由于嵌入式課程教學內容信息量大、抽象難懂，課程教學難度大，傳統的教學方法較為單一，難以滿足課程需求，無法使學生“學習嵌入式，使用嵌入式”，因而課程在傳統教學模式下采用項目式教學改革，從而提高課程教學效果[1]。

1 課程項目建設

《三亞學院課程“三度”建設指導性意見》（三亞院教字〔2018〕57 號）文件提出課程“三度”，主要是指課程的飽和度、深度、緊張度。課堂授課在電子發燒友網、CSDN網絡學院、學堂在線等網絡資源教學的基礎上，通過課前APP項目視頻的播放、科研項目的講解、實物APP項目的動手演示等方式增強學習飽和度；同時，在講授基本知識時綜合利用網絡資源給學生布置相應的編程任務，加強該課程的學習深度；不定時發送題目檢測、討論互動、作業抄襲否決制、實驗操作過程化分數等內容，增加學生的學習緊張度。

通過開設嵌入式課程，培養學生具備能夠對現實生活中嵌入式技術產品應用實例進行分析的能力，能夠熟練運用專業技能解決實際問題。在傳統的嵌入式教學模式中嘗試新的教學方式，讓項目式教學模式走進嵌入式系統及應用課堂，讓學生具備自主學習能力，為后續專業課程的學習打下堅實基礎[2]。

1.1 課程教學內容

課程圍繞使用較為廣泛的三星S3C2440ARM系列32位處理器開發平臺進行講解學習。通過理論教學和系統設計實例的分析和編程，使學生理解嵌入式系統的基本概念，通過重點講解嵌入式系統體系結構及接口的設計原理，即某個具有代表性的嵌入式微處理器內部寄存器結構、匯編指令系統、中斷管理機制及常見的外圍接口，使學生掌握無操作系統下的編程技術[3]。

在實驗內容的安排上，通常包括以機器視覺和深度學習為主的偏向人工智能技術的嵌入式AI項目設計，如“計算機視覺基于YOLOv5目標檢測的語音告警”“計算機視覺基于YOLOv5目標計數檢測的告警”等。通過項目式實驗教學內容的安排使得學生能夠恰當選擇和使用軟件開發平臺及開發工具，完成嵌入式項目軟件的開發和測試，能夠通過文獻研究對特定需求嵌入式涉及人工智能領域新的技術問題解決方案進行分析和驗證，以獲得有效結論[4]。

1.2 課程教學目標

課程培養學生從“整體”的角度認識、研究和解決嵌入式系統工程問題的方法和能力，為學生在嵌入式領域研究和開發奠定相關基礎，讓學生學習并掌握各種無操作系統下硬件模塊功能實驗的設計思想、實現方法和設計過程，了解三星S3C2440ARM系列32位處理器的體系結構，掌握基于S3C2440ARM系列微處理器的嵌入式系統的硬件設計方法[5]。

對于將來應用于嵌入式系統硬件、軟件平臺進行二次開發的同學而言，應側重鍛煉基于某個嵌入式系統平臺（包括硬件平臺和軟件平臺）進行應用系統設計和嵌入式AI項目開發的能力[5]。

1.3 教學中存在的問題

（1）課程內容涉及面廣。傳統嵌入式硬件教學涉及ARM芯片體系結構、匯編編程語言、GPIO等模塊知識，知識點分散，專業性強，理解難度大。實驗軟件涉及Ubuntu編程等，單靠傳統教學方法很難激發學生的學習興趣，無法滿足嵌入式AI技術的應用需求。

（2）傳統的以教師為核心的課堂，在講解該綜合性、實踐性很強的課程時，主要采用理論知識點講解的方式，圍繞單一的處理器芯片拓展外圍接口進行講解，知識點分散，學生整體學習興趣不強[6]。

（3）隨著人工智能技術的應用，大量嵌入式技術被應用于機器人等產品，隨著嵌入式新技術、新知識大量涌向教育領域，傳統教學模式很難激發學生的學習興趣，更無法滿足學生通過嵌入式課程學習進行后續項目開發的學習需求[7]。

2 改革方案設計

改革嵌入式系統及應用原有的傳統講授式教學模式，采用項目式驅動的混合式教學模式，使學生帶著項目案例進行知識的學習、梳理、練習和討論，并帶著問題和疑惑與師生開展進一步的學習和交流，通過教師的指導，使學生真正參與到知識學習的過程中來[8-9]。

3 教學改革實施

理論教學選取結合教材體系結構項目，通過專題項目的講解，使得學生熟悉項目申報流程，項目整合軟件硬件知識。通過項目案例的實施，使學生帶著問題思考，帶著問題實踐。此外，此舉還可以提升學生團隊溝通、交流協作能力和專業項目書的撰寫水平[10]。

3.1 項目任務的布置

項目下達時分組并建立QQ群，明確項目題目與需實現的基本功能，在小組小群里傳達項目所需要的基本資料。在“基于YOLOv5目標檢測的語音告警”任務中，要求學生在電腦端搭配機器視覺目標識別開發環境，通過攝像頭實現基于火焰圖像信息的數據采集，并通過計算機火焰模型進行識別并聲音報警。該項目可以進行任務分解，在課堂教學的基礎上，要求學生對相關機器視覺原理及目標識別環境配置等知識融會貫通，這對于理論教學是有力的補充。學生完成教師規定的任務后，還可以提出自己的想法，添加實現額外的功能，以利于發揮學生的積極主動性，這對于學生的創新能力有很大的提高。

3.2 學生分組及項目實施

學生依據教師分發的項目任務單，根據自己感興趣的方向選擇相應項目，每個項目保證2～3人一組，為方便項目管理，選出一人為項目組長，由項目組長組織組員一起制定分工計劃和工作任務實施步驟，完成項目計劃書，交由教師審核。此外，小組在遇到技術問題時，可以通過QQ群及時與教師溝通。學生通過項目的訓練，將理論知識與實踐相結合，更好地掌握專業知識，提高學生專業知識應用能力、實踐能力和自學能力。

3.3 項目成果展示與項目評價

各組學生完成項目任務后，采取分組匯報的形式對項目成果進行展示。分組成員通過分工協作的方式撰寫對應項目書，通過文字報告的形式將項目成果進行展示。教師從不同方面點評項目書，并形成文字評閱報告，便于項目組成員進行項目總結及后續開發。

3.4 項目應用

3.4.1 APP藍牙智能小車項目

課程在緒論導入處通過人工智能與嵌入式之間的關聯，激發學生的學習興趣。課程在緒論處通過藍牙智能車案例進入。藍牙智能車項目案例實物及項目知識點圖如圖1、圖2所示。

通過藍牙智能小車案例，將單片機課程與嵌入式課程關聯起來，與單片機課程進行對比，讓學生從實物的角度理解單片機課程與嵌入式課程的區別。通過小車案例拓展學生思維，讓學生深度思考。通過小車通信模塊的講解讓學生將嵌入式硬件知識與通信知識融合起來。此外，通過智能小車案例的學習，讓學生從硬件、軟件角度系統了解嵌入式知識，通過項目的形式初步了解嵌入式項目的開發基礎、開發環境以及涉及的知識和后續拓展點。

3.4.2 APP智能監控端項目

課程在講解ARM體系處會涉及項目案例—WiFi智能車監控控制端開發。項目涉及5個部分：

（1）監控技術科技前沿背景；

（2）智能車WiFi監控背景知識；

（3）目前幾種常見智能小車監控技術；

（4）WiFi智能監控抓拍器；

（5）WiFi智能監控車上位機APP控制端介紹。

APP智能監控端項目應用及監控端APP如圖3、圖4所示。

通過WiFi監控小車項目APP端的開發及講解對學生入門智能小車視覺監控的二次開發起到很好的幫助。此外，項目中WiFi監控小車項目APP端的開發學習使得學生更容易掌握軟件Eclipse。通過WiFi監控小車項目APP端項目的學習，學生可以進行項目拓展，應用于相關大創項目及畢業設計。

4 結 語

隨著科技的發展，計算機技術、嵌入式網絡技術等突飛猛進。智能化物品在現實生活中乃至更廣闊的領域也發揮著越來越大的作用，人們已經進入了智能化時代。文中對傳統嵌入式課程教學體系中存在的問題進行分析，提出了基于項目的嵌入式課程教學體系改革。通過項目式課程教學改革，使嵌入式課程學習更具有針對性，并可將學習成果進行轉化，取得了一定的研究價值。

參考文獻

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[2]我校3學子獲微軟嵌入式開發競賽中國區冠軍[J].華中科技大學學報（自然科學版），2010，38（6）：35.

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[8]劉峰.“嵌入式技術方向”課程體系探索[J].信息與電腦（理論版），2012，24（22）：217-218.

[9]胡青，余嘉，蘇玉剛.嵌入式課程的理論教學改革與實踐[J].計算機教育，2017，15（6）：131-134.

[10]王震宇，汪永紅，司彬彬，等.基于自命課題的團組式教學模式改革[J].計算機教育，2014，12（16）：43-45.

基金項目：三亞學院校級第二批課程思政課程教學改革研究項目嵌入式系統及應用（SYJKSZ2022163）

作者簡介：黃恒一（1988—），男，河南信陽人，研究生，講師，研究方向為機器視覺、路徑規劃。