智能家居开发项目的《嵌入式系统》实验课程教学

广东海洋大学寸金学院 彭小松 韦发清

当前，国家正处于科技创新和产业转型发展的关键阶段，随着5G、物联网、云计算等技术的日渐成熟，在国家政策的支持以及市场的需求下，应用型、创新型人才的需求量将急剧上升。嵌入式技术作为信息技术的基础学科，学生掌握并且能够熟练对嵌入式系统进行开发显得尤为重要。嵌入式系统实验教学过程中，学生经常是通过一个现成项目进行学习，学习基础知识和程序设计，这会造成当离开现成项目，学生进行独立开发的时候，便不知不知所措、毫无头绪的困境。本文针对这一现象对《嵌入系系统》实验课教学方法、教学设计进行探究，旨在提高学生脱离教师案例以后独立思考、独立开发嵌入式系统的能力。

1 课程基本情况

《嵌入式系统》实验课程是电气、电子专业的一门重要的专业必修课，课程的主要目的是在理论课的基础上，锻炼学生独立开发一个嵌入式系统项目的综合能力。本文以开发一个智能家居项目为主线，对教学过程进行中存在的问题进行优化，以提高学生的独立开发能力。该课程是对《C语言程序基础》、《Linux操作系统》以及《ARM嵌入式处理器原理》三门课程知识的综合应用。

2 当前项目式教学存在的问题

2.1 学生的编程开发环境过于“舒适”

当前《嵌入式系统》实验课程，通常在学生进入实验室之前，教师已经提前帮学生准备好相应的开发环境的配置，如Linux虚拟机的安装与环境配置，交叉编译环境等。学生对开发环境和开发框架的构建并不熟悉，对独立开发缺乏自信。

2.2 基础知识储备参差不齐

实验课涉及到多门课程知识的综合应用。由于每个同学的知识基础不同，不同学生的感受到难度是不一样的。使得学习进度不一致。

2.3 理论与实践分离

对于嵌入式程序开发，理论知识通常在理论课上讲解，实验时学生无法将现象与理论联系起来。

2.4 只看不做或者“临摹”学习

《嵌入式系统》程序设计由教师演示，演示完毕后，学生不动手亲自实现，停留在看懂的层面上。或者把教师演示的源码共享给学生，让学生实现，学生进行“临摹”，学生无法形成对知识的深刻记忆。

2.5 没有教学笔记或笔记简略

2.6 教学节奏把握不当

教学过程中，教师通常将把简单的基础知识三言两语、一笔带过，使基础薄弱的同学跟不上。

3 增加学生独立开发的实验课教学设计方法

针对以上问题，本文以“基于ARM-A53平台的智能家居项目”为依托，提出以下教学设计的改革路线，如图1所示。

图1 《嵌入式系统》实验课教学改革路线

改革路线分为实验前，实验中和实验后。

3.1 实验前

实验前教师应该梳理出实验中可能用到的理论知识体系，给出知识体系的边界，合理配置教学时长，注重基础知识巩固，由易到难，循序渐进的课程推进。如表1所示。

建立实践与理论之间的映射关系，做好理论的插入点。此处以C语言基本常识的讲解为例，演示如何通过实际例程将相应的理论知识点落实，如下例程1所示：

例程1：C语言基础知识复习例程

#include ＜stdio.h>

表1 智能家具项目基础知识边界

3.2 实验中

教师演示开发过程需要以实际项目开发过程为主线，以具体实例为依托，进行演示。让学生看到实例现象或程序运行结果，在此基础上，在合适的位置进行对应的理论讲解与补充，从而让学生建立对理论的感性认识和认知结构，对理论知识有更深刻的理解。

学生实践，教师演示时，教师是主要的逻辑思考者，学生处于被动接受状态。程序编码的过程需要学生自己去构建编码框架和编码逻辑。因此教师演示完毕后，应先将演示的代码和笔记关闭，给足够的时间让学生以第一作者的角度进行思考、复盘以及重现原码。只有这样反复实践，学生才能摆脱“一看就懂，一做茫然”的尴尬状态，学生才能真正掌握一门技术的实际使用方法，建立相应的技能自信。

由于嵌入式开发过程细节多且琐碎，步骤之间环环相扣，因此教师的演示的时候，应该有记录详细的步骤笔记，可采用屏幕录制软件录屏，抑或者可以采用截图与文档说明的方式，为学生的无忧回顾复习做好准备。

3.3 实验后

仅仅是重复老师的逻辑是不行的，现实中嵌入式系统要实现的功能各不相同。因此举一反三的应用操作是学生必会的技能。因此实验后，老师给出实当的练习，根据实际问题，要学生实现相应的功能需求，发挥学生对知识的应用扩展能力。学生根据详尽的复习资料，掌握基本操作方法，在此基础上，完成教师的扩展任务，进一步落实实践过程。

学生完成教师课后布置的扩展项目后，根据最终实现的功能完备性和代码的抗干扰能力，对不同组的学生进行综合评分。此外，评价的目的是为了不同组之间能互相学习，对于实现相同的功能，不同组的实现方法各不相同，分享每组的实现路径和思考模式，可以让学生反思自己实现方法的不足，自己处理方式的缺点，掌握更灵活、更简洁、更便捷、更完备的程序设计方式。

程序设计过程不同组会遇到各种各样的错误提示和警告提示，对错误和警告的处理学生进步的阶梯。分享开发过程中的遇到的错误与警告，以及相应的处理方式，汇总形成“问题-方案”备忘录集，有助于所有开发者的提高。

总结：本文针对学生在《嵌入式开发》实验课上出现的无法学以致用、独立开发的问题进行了深层次的解析，重新对开发实践课程进行教学设计。说明了实验课基础知识补充铺垫的重要性，强调了理论知识的传授应该置于在实践结果之后的教学思路，论述了学生“闭卷”实践思考的必要性，提出了课后扩展项目验收、评价以及提升方法。在新的教学设计指导下，学生期末完成综合项目的成功率和独创性大大增加，参加大学生创新创业项目的团队增加。