嵌入式系統課程教學(xué)改革探索論文
【摘要】新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟發(fā)展所提出的“新工科”理念給工程人才的培養及課程教學(xué)與改革帶來(lái)了很大挑戰。本文針對“嵌入式系統”課程教學(xué)中存在的課程內容陳舊、教學(xué)模式單一、考核方式固化等問(wèn)題，圍繞教學(xué)策略實(shí)施、教學(xué)內容重構及考核方式改革等內容，提出“嵌入式系統”課程改革的理念與思路。
【關(guān)鍵詞】嵌入式系統；教學(xué)改革；新工科
引言
當前，國家“創(chuàng )新驅動(dòng)發(fā)展”“互聯(lián)網(wǎng)+”等系列戰略的實(shí)施，使以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟受到廣泛關(guān)注并得到快速發(fā)展。新形勢與新戰略對我國傳統的工程人才培養提出了挑戰，迫切需要大量工程實(shí)踐能力強、創(chuàng )新能力強、具有國際競爭力并能適應未來(lái)發(fā)展的高素質(zhì)復合型的“新工科”人才[1,2]。為此，教育部發(fā)布了《教育部高等教育司關(guān)于開(kāi)展新工科研究與實(shí)踐的通知》，提出了以“新工科”建設為主題的高等學(xué)校工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)教育改革的新概念[3]。而嵌入式系統不僅是一項綜合多個(gè)領(lǐng)域知識的工程應用技術(shù)，也是物聯(lián)網(wǎng)和大數據行業(yè)等新興領(lǐng)域的重要組成部分[4]。因此，如何能適應“新工科”背景，以新理念、新模式更好地開(kāi)展“嵌入式系統”課程教學(xué)，對提高嵌入式系統技術(shù)工程人才的培養質(zhì)量具有重要的意義。
1“嵌入式系統”教學(xué)存在的問(wèn)題
近年來(lái)，隨著(zhù)嵌入式系統技術(shù)在智能交通、工業(yè)控制、日常生活等領(lǐng)域的廣泛應用，為應對市場(chǎng)需求，培養嵌入式系統設計工程人才，國內眾多高校開(kāi)設了嵌入式系統設計及應用的相關(guān)課程�！扒度胧较到y”課程具有綜合性強、內容寬廣、軟硬件結合、實(shí)踐性強等特點(diǎn)[5]，而在實(shí)際教學(xué)中常常存在課程內容陳舊、教學(xué)模式單一、考核方式固化等問(wèn)題，無(wú)法滿(mǎn)足新經(jīng)濟的發(fā)展要求，具體情況如下。
1.1課程內容陳舊，理論技術(shù)性弱
目前，一方面，“嵌入式系統”課程內容基本是基于具體特定的微處理器芯片（如ARM7）及與其對應的指令系統、軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境展開(kāi)，而缺少嵌入式系統理論和嵌入式設計方法的總結與研究，從而造成了學(xué)生針對嵌入式系統的理論基礎差、分析解決問(wèn)題能力弱[6]；另一方面，嵌入式系統技術(shù)及其微處理器技術(shù)發(fā)展迅速，新的微處理器、接口、總線(xiàn)等不斷出現新的產(chǎn)品和標準，如ARM處理器早已發(fā)展到Cortex系列，導致已有的基于特定處理器芯片的課程內容嚴重滯后于快速發(fā)展的行業(yè)技術(shù)應用。
1.2教學(xué)模式單一，學(xué)習主動(dòng)性差
傳統“嵌入式系統”課程教學(xué)多以基于PPT的固定教學(xué)方式為主，由于課程內容多而課時(shí)少，教師往往容易從自身角度出發(fā)，專(zhuān)注于講解知識點(diǎn)，急于在有限的課時(shí)內完成課程的教學(xué)任務(wù)，且常常沒(méi)有結合系統在實(shí)際設計中的工程問(wèn)題來(lái)引導學(xué)生。這種以教師講解為主的教學(xué)模式，一方面不能很好地調動(dòng)學(xué)生的學(xué)習興趣和主觀(guān)學(xué)習動(dòng)力；另一方面教師的講解容易流于程式化，使課堂氛圍缺乏活力，難以在授課的過(guò)程中真正鍛煉學(xué)生的創(chuàng )新性思維能力。
1.3考核方式固化，綜合素質(zhì)培養缺乏
目前“嵌入式系統”課程的考核方式普遍為“平時(shí)成績(jì)+期末考試成績(jì)”的方式，而占有較大比例的期末考試一般采取紙質(zhì)試卷考試。這種傳統的考核方式結構僵化，忽略了學(xué)生對知識的掌握及綜合應用能力的評價(jià)反饋，不利于提高學(xué)生解決工程問(wèn)題的能力。
2“嵌入式系統”教學(xué)改革與探討
針對上述問(wèn)題，圍繞“新工科”工程教育改革的新理念、新結構、新模式、新質(zhì)量、新體系，以工程教育為目標對“嵌入式系統”課程教學(xué)進(jìn)行改革，具體內容如下。
2.1課程改革的基本思路
“嵌入式系統”課程改革的基本思路如圖1所示。面向“新工科”人才培養，以學(xué)生綜合能力提升為目標，通過(guò)教學(xué)策略（教學(xué)模式）實(shí)施、教學(xué)內容（理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)）重構及評價(jià)反饋（考核方式）改革等手段，圍繞“以學(xué)生為中心”的理念與宗旨，最終實(shí)現本課程在人才培養中所發(fā)揮的實(shí)際效用，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力及創(chuàng )新能力。
2.2課程內容與課程資源建設
面向“新工科”人才工程實(shí)踐能力、創(chuàng )新能力所對應的知識體系，梳理“嵌入式系統”課程的知識點(diǎn)，修訂教學(xué)大綱和重構教學(xué)內容。課程內容包括理論課程與實(shí)踐課程兩大部分。
�。�1）在理論課程內容方面，強調對嵌入式系統理論和設計方法進(jìn)行介紹。課程設置內容包括嵌入式系統規范與建模方法（通信有限狀態(tài)機、數據流等），嵌入式硬件組成（傳感器輸入部件、處理單元、內存、通信協(xié)議、執行器輸出等），系統軟件（嵌入式操作系統、硬件抽象層等），系統性能評估與驗證方法，實(shí)時(shí)系統調度策略等。課程內容講授的思路與要求包括3個(gè)方面。①從設計方法學(xué)的角度，講解對嵌入式系統進(jìn)行規格定義與建模、性能測試驗證的方法，要求學(xué)生掌握從獲知嵌入式系統應用需求到完成應用系統架構設計、關(guān)鍵模塊設計、系統測試驗證的完整設計流程與分析方法，培養學(xué)生面向不同領(lǐng)域的不同應用進(jìn)行工程設計的能力。②按照嵌入式系統的組成部件類(lèi)別，從硬件（處理單元、內存、輸入/輸出部件等）到軟件（實(shí)時(shí)操作系統、實(shí)時(shí)系統調度策略等）進(jìn)行系統的介紹，強調各組成部件的特性及在嵌入式系統設計中需要關(guān)注的核心功能，而不針對具體特定的芯片及軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境展開(kāi)。例如，處理單元的介紹將會(huì )從ASIC、通用處理器、可編程器件這樣不同類(lèi)型的處理單元在嵌入式系統中應用的特性和優(yōu)勢展開(kāi)，具體的微處理器芯片（ARM7）的手冊會(huì )作為課程補充材料在課程網(wǎng)絡(luò )平臺上公開(kāi)，學(xué)生可以在課外自行閱讀。③針對每個(gè)類(lèi)別的講授內容，根據最新的技術(shù)發(fā)展進(jìn)行知識補充和擴展。比如，在講授嵌入式處理器的時(shí)候，會(huì )讓學(xué)生預先結合身邊的應用（手機等）了解其中核心處理器的發(fā)展趨勢，在課堂上先安排學(xué)生進(jìn)行小組討論和陳述，教師再進(jìn)行總結。如此安排既體現了基礎性，又體現了先進(jìn)性。
�。�2）在實(shí)踐課程內容方面，將實(shí)驗內容分為硬件接口實(shí)驗、程序設計型實(shí)驗及綜合型實(shí)驗3個(gè)層次。①硬件接口實(shí)驗基于微處理器指令系統直接對嵌入式系統接口進(jìn)行操作，要求學(xué)生熟悉典型微處理器的組成結構及寄存器的讀寫(xiě)/方法、基本指令集及基本總線(xiàn)標準等基礎知識。②程序設計型實(shí)驗要求學(xué)生在加載了嵌入式操作系統的環(huán)境下，采用高級語(yǔ)言對一個(gè)簡(jiǎn)單的應用系統進(jìn)行設計，如可調直流電機轉速顯示系統、MP3音樂(lè )播放器，讓學(xué)生掌握“系統”的概念，熟悉嵌入式系統完整的設計流程。③綜合型實(shí)驗側重于一些創(chuàng )新的系統設計，實(shí)驗內容可以來(lái)自教師的科研項目或者一些嵌入式系統設計競賽的案例，如智能家居系統設計、便攜式心電監測儀設計、智能小車(chē)設計等。通過(guò)“案例/項目”驅動(dòng)的實(shí)踐教學(xué)，使學(xué)生了解所學(xué)的理論方法和基礎設計知識在實(shí)際中的應用，培養學(xué)生分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力和創(chuàng )新意識。在課程資源方面，開(kāi)發(fā)課程網(wǎng)絡(luò )平臺，用于發(fā)布與課程內容相關(guān)的視頻、文檔等資源。課程資源建設列表如表1所示，主要包括3大部分�；A資源：授課內容涉及教案、課件、習題、經(jīng)典微處理器的芯片手冊，以及嵌入式軟件開(kāi)發(fā)工具包等；拓展資源：介紹最新嵌入式系統設計創(chuàng )新理念和產(chǎn)品資訊，如相關(guān)視頻、前沿論文等；工程案例庫：歷年嵌入式系統創(chuàng )新大賽的獲獎設計案例及教師科研團隊的相關(guān)成果。通過(guò)這些課程資源的建設，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習的興趣，拓寬學(xué)生視野，進(jìn)一步鞏固對課程內容的掌握。
2.3教學(xué)模式及教學(xué)策略改革
“新工科”背景下工程能力培養不是單一知識點(diǎn)的疊加，而是全面的綜合能力培養，是對創(chuàng )新、實(shí)現、合作和問(wèn)題解決能力的綜合素質(zhì)培養，原有的培養模式難以達到“新工科”背景下的人才培養目標[4]。因此，課程教學(xué)模式改革旨在探索以工程案例為核心的問(wèn)題導向式、發(fā)現式、啟發(fā)式、討論式及翻轉課堂式教學(xué)方法，致力于培養學(xué)生主動(dòng)學(xué)習的能力，形成“以學(xué)生為主體，教師為主導”的教與學(xué)模式，提高學(xué)生發(fā)現問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。具體在課堂教學(xué)中，圍繞“嵌入式系統”課程內容中涉及的工作原理，結合具體案例設計，有重點(diǎn)分層次地進(jìn)行講述。比如，在講解嵌入式系統中斷傳輸方式的工作原理時(shí)，結合智能家居系統中溫濕度數據采集與傳輸的設計要求，重點(diǎn)講述如何采用中斷技術(shù)進(jìn)行數據采集與傳輸的過(guò)程方法，包括中斷響應、中斷處理、中斷返回等，再從中斷控制器寄存器配置、中斷向量設置、中斷程序編寫(xiě)、中斷信號電路設計等方面分層次講解中斷傳輸方式的軟硬件設計方法。此外，在課堂內容講授過(guò)程中，結合具體案例設計適時(shí)向學(xué)生提出問(wèn)題，啟發(fā)學(xué)生思考和討論。比如，在講解協(xié)同工作的飛行機器人案例時(shí)，可以提出飛行器如何獲知周?chē)h(huán)境狀態(tài)信息實(shí)現協(xié)同工作的問(wèn)題，并讓學(xué)生以分組的形式進(jìn)行方案討論，鼓勵學(xué)生積極參與，提出不同的想法，教師再根據學(xué)生討論方案提出具有典型性的可行方案進(jìn)行講解，最終由學(xué)生自行完成驗證。
2.4考核方式改革
傳統的考核方式不注重學(xué)生在學(xué)習過(guò)程中解決問(wèn)題的方法與思維方式，這種方式不再適應“新工科”背景下“嵌入式系統”課程對工程人才培養的要求。因此，在課程考核方式改革中突出對學(xué)生自學(xué)能力、應用能力和創(chuàng )造能力的考核，完善傳統單一的考試評分方法，加強形成性評價(jià)，從課堂練習、課堂討論陳述、課下作業(yè)、項目設計、實(shí)驗操作等多個(gè)環(huán)節對學(xué)生進(jìn)行綜合考核，實(shí)現對學(xué)生知識綜合運用能力的考核，并根據考核結果對教學(xué)內容進(jìn)行反饋調整，最終形成一套完善的課程教學(xué)考核評價(jià)體系。針對“嵌入式系統”課程內容安排，設置課程的考核方式可由“平時(shí)成績(jì)+實(shí)驗成績(jì)+期末成績(jì)”組成。其中“平時(shí)成績(jì)”占總成績(jì)的30%，包括課堂練習、課下作業(yè)的完成情況，以及每一次課堂討論中學(xué)生的參與度和表現情況�！皩�(shí)驗成績(jì)”占總成績(jì)的40%，考查學(xué)生每次實(shí)驗操作和實(shí)驗報告完成情況�！捌谀┏煽�(jì)”占總成績(jì)的30%，取消傳統的期末筆試，采用考查學(xué)生項目設計完成情況代之。具體來(lái)說(shuō)，可在整個(gè)課程期間，根據教師提出的選題或者結合學(xué)生自己的科創(chuàng )活動(dòng)，要求學(xué)生按小組完成一個(gè)嵌入式系統項目設計，如基于Zynq的便攜式心電監測儀設計，在課程結束之前，每個(gè)小組完成總結報告，并以PPT答辯的形式參與考核評價(jià)，獲得“期末成績(jì)”，這種形式重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生學(xué)到的方法與思維方式。
3結語(yǔ)
本文針對“嵌入式系統”課程改革與建設進(jìn)行探討，提出了“新工科”建設背景下“嵌入式系統”課程改革的理念和思路，并重點(diǎn)在教學(xué)內容、教學(xué)模式、教學(xué)評價(jià)等方面開(kāi)展課程改革與建設，以適應培養具有可持續競爭力的創(chuàng )新型卓越工程人才的目標。
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