高校嵌入式系统课程教学改革研究

汤萍萍　王冬菊

摘要：传统的嵌入式系统教学在新环境新形势下急需更新。通过市场调查和教学现状分析，根据多年的嵌入式教学经验，探索以实践为导向的嵌入式系统教学改革，并取得了较好的教学效果。

关键词：嵌入式系统;教学改革;改革研究

中图分类号：TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）13-0151-02

1 背景及教学现状分析

嵌入式系统是先进的计算机技术、半导体技术和电子技术相结合的产物，是一个技术密集、不断创新的知识系统。尤其是5G技术的革新，带来物联网的崛起和飞速发展，也给嵌入式系统带来新的契机和挑战[1]。

然而，该课程的知识更新速度明显快于传统学科，教学难点和暴露的问题日益突出，具体分析如下：1）多领域知识与技术的结合。嵌入式领域的专家一致认为[2]，嵌入式系统具有很强的综合性，如计算机工程、软件工程、通信、自动化等，其专业框架大、基础内容广，导致教学体系的量身定制有着较高要求，考虑因素众多。2）软件与硬件的结合。嵌入式系统是软件和硬件的紧密结合，这个特点也决定了嵌入式系统的教学体系必须是软件和硬件两条线并行并重。3）理论与实践相结合。嵌入式系统以应用为中心、注重实践，必须通过大量的实验和实践环节来提升嵌入式系统的专业知识和实际动手能力。在目前的教学条件下，如何提高实验教学水平和实际动手能力是个难题。

我院从2006年开设嵌入式系统课程至今，虽然积累了很多宝贵经验，但在科学技术日新月异的形势下，传统教学内容、方法和手段已不能适应发展的需要。为此，我们从2012年开始，组建教学团队，针对嵌入式系统课程的特点，探索嵌入式系统课程的系列教学改革，并取得了较好的教学效果。

2 教学体系改革

据《2015-2020年中国嵌入式计算机行业竞争格局分析及发展前景预测报告》显示的嵌入式人才培养的技能需求，以及IEEE和ACM起草的嵌入式系统课程体系的建议[4]，再结合我院各专业的特点和培养目标的要求，确定了嵌入式系统的课程体系架构如图1所示。

这里，支撑嵌入式系统的基础课程有：数字电路，模拟电路、数据结构、C语言程序设计、单片机原理、计算机组成原理、操作系统原理、计算机网络等。需要特别说明的是，我们在这些先修课程里溶入了一些嵌入式系统的知识，例如在Linux GNUCC环境下学习C语言编程，在微机原理课程中讲述嵌入式系统和PC的区别和共性，在单片机课程中讲解CISC和RISC指令集等等。在基础课程里溶入嵌入式系统的知识，为学生在高年级学习嵌入式系统打下良好的基础。另外，这种溶入的方法使得各门课程之间相互衔接，有较强的系统性和连贯性。

3 教学模式改革

传统的教学模式重理论轻实践、强调知识学习而忽略开拓创新、重视个人学术能力而轻视团队协作精神，为此，我们探索一系列以实践为导向的教学模式（包括CDIO教学模式、三明治教学模式、信息化辅导教学模式等等），努力培养全方位的嵌入式人才，强调能力素质教育。

1）CDIO教學模式[5]。CDIO是近年来国际工程教育改革的最新成果，以综合的培养方式使学生在基础知识、个人能力等方面达到预定目标，适合工科教育教学过程各个环节的改革。为此，我们引入CDIO教学模式，并结合我院实际和专业特点，提出项目驱动的嵌入式系统课程设计，通过产、学、研的广泛合作，以典型的工程项目为对象，培养学生的动手能力，帮助分解提炼理论知识点和实践知识点，并将它们渗透到教学之中。另外，根据CDIO教学模式，我们还建立了雏鹰计划工程，该工程以团队合作为内容，设计组织学生以团队合作方式进行实验实践环节的训练，从而锻炼学生的团队协作能力。

2）三明治教学模式。英国的三明治教学模式，是指将理论知识应用于实践，又从实践经验提升理论学习的过程。受这种模式的启发，再结合嵌入式系统教学的实际需要，我们将教学过程设计为实践和理论相互穿插的汉堡巨无霸模式：传统嵌入式系统课程的第一周是概要介绍，革新后的第一周教学内容，是让学生接触实际的嵌入式产品或生产环节，这属于认知性的实践教学;在接下来的2-8周是基础知识教学;6-12周是以实验和实践为主的应用型教学;10-15周是提升的理论知识教学;14-16周是提升式技能教学。这种模式下，理论与实践相互穿插，达到理论教学和实践教学教学相长的目的。

3）分层教学模式。根据多年的教学经验，将教学目标根据学生的学习层次分级制定更具有实际意义。为此我们进行一系列的分层行为，包括团队分层，任务分层，教学内容分层等等。例如，在教学后期，我们根据学生的基础与接受能力的不同，划分为不同层次的研发团队，给予不同层次的任务，如模仿验证型、自主设计型、思考创新型。这种分层的方法，不仅促进了优等团队的特色建设，普通学生也各有所学、各有所获。

4）头脑风暴的考核模式。传统的考核方式是笔试成绩（期末考试）+平时成绩（点名、实验报告等），主要考察基本理论知识的掌握程度。以实践为导向的嵌入式系统教学改革大环境下，需要突出学生操作技能和实践创新能力，因此采用课程考核、认证考核以及竞赛考核的1+1+1模式：课程考核即为传统的考核模式;认证考核以信息产业部“嵌入式系统开发工程师”认证和微软“WinCE嵌入式工程师”认证为主，其他认证为辅;竞赛考核，主要是鼓励学生积极参加国内外嵌入式系统竞赛，比如全国大学生电子大赛、博创杯嵌入式设计大赛、ZLG杯ARM嵌入式系统毕业设计大赛等等，激发学生实践能力和创新能力。

5）信息化辅导教学模式。网络的出现深刻地影响着学习方式的改进，在嵌入式系统的教学过程中，我们高度重视网络手段对传统教学方式的补充作用，通过在线学习系统（online learning system）的教学网络平台实现信息共享和知识更新，例如上传教学课件和演示案例、在线问题讨论等。这种新型的网络辅导教学方法为学生的自学、复习提供了丰富的资源，为师生之间、学生之间的交流沟通建立了实时通道，对嵌入式系统的教学提供强有力的支撑。

4 教学方法改革

现代教学认为[3]，教学是教师与学生、学生与学生共同参与的多边活动，学生是教学的主体。于是，我们以“实用、有趣、有效”为指导思想，探索嵌入式系统的一系列教学方法，目的在于激发学生的学习兴趣，培养学生的学习能力，锻炼学生的动手能力，引导学生的创新能力。

1）案例教学法。初创于哈佛商学院，是一种以案例为基础的教学法。嵌入式系统教材中最明显的特征是内容生硬，学生很难把抽象的知识和实践结合并具体应用，通过设计有趣的案例来吸引学生，提高表达能力，缩短了教学情境与实际生活情境的差距。例如在理论教学初期介绍ARM处理器时，我们设计了一些模拟数字电路功能的“软件芯片”，通过在多媒体教室 PC 机演示其功能，帮助学生对知识点的理解和入门。

2）倒推教学法。嵌入式系统课程中有很多专业性极强的理论知识部分，学生对晦涩难懂、抽象难理解的内容非常乏味，为此，我们的教学团队对嵌入式教学方法进行了大胆的改革，效果证明倒推法完全改变了教学过程枯燥单调的状况。例如在课程设计环节，首先就让学生见识一个实际的嵌入式产品，再以这个典型的嵌入式产品为目标，将产品分解，倒推出一个产品的开发过程。

3）实战教学法。嵌入式系统的教学方法与传统课程的教学相比，需要突出实际动手能力的培养。为了提高学生的创新和实践能力，利用课余时间和现有的实验条件，为学生搭建科技竞赛的训练平台，鼓励学生积极参加各类嵌入式比赛，如全国大学生电子设计竞赛—嵌入式系统专题邀请赛，微软嵌入式全球大学生挑战赛，博创杯嵌入式竞赛等。

参考文献：

[1]Beck A C S， Lisb?a C A L， Carro L， et al. Adaptability： The Key for Future Embedded Systems[M]. Springer New York， 2011.

[2]周立功. 如何选择适合当前项目的嵌入式操作系统[J]. 单片机与嵌入式系统应用， 2010（1）：5-6.

[3]邵士权. 我国高等学校教学方法创新研究[D]. 华中科技大学， 2011.

[4]赵一鸣. ACM/IEEE-CS 2011与计算机专业课程设置[J]. 高等理科教育， 2012（1）：43-47.

[5]Yuan L， Wang L. Teaching method reform of the drawing course by integrating CDIO mode[C]// International Conference on Computer Science & Education. IEEE， 2011：1301-1302.

【通聯编辑：唐一东】