面向實踐創新人才培養的嵌入式系統教學研究

沈珊瑚　姚茂群

摘要：在以培養面向實踐創新人才為目標的前提下，通過對最近3年在嵌入式系統等相關課程教學方面的探索，文章闡述了教學環節的改革，特別是在創新答辯和學生觀摩分享環節上，分析實驗課程翻轉教學的成效，并對嵌入式系統課程的“口袋實驗室”和未來新式教學方式做介紹。

關鍵詞：嵌入式系統；教學改革；實踐創新

0.引言

目前我國實行創新驅動發展戰略，正在逐步落實深化高等學校創新創業教育改革，本校為順應物聯網時代“大眾創業、萬眾創新”的新趨勢，正在為進一步提高學校發展水平和培養特色人才做一系列的教學改革。物聯網工程專業作為創新創業試點學院的高校產學對接特需專業，對專業教師在課堂內如何對學生培養提出了更進一步的要求。

嵌入式系統相關課程屬于非理論課程，需要與實踐緊密結合?；谖锫摼W工程專業課程培養方案的需要，著重面向物聯網工程本科專業的學生，課程包含“嵌入式系統原理與設計”和“嵌入式操作系統”兩門課。前者重點討論基于ARMCortex-M3內核的原理和設計實踐，后者討論嵌入式系統的實時操作系統內容。本文的教學探索過程和成果主要來自于前者，故下文將圍繞該重點內容進行闡述。

1.存在問題

1.1嵌入式系統內容龐大，不能全部涉及

嵌入式系統教學相對于其他一些專業課來講還比較年輕，其教學內容較為前沿，教材及教輔材料相對匱乏。另一方面，有些培訓資料對ARM相關的技術雖講得很透徹，但由于內容過于龐大，需要讀者有一定的學習基礎。因此，就如何整理教學資料，轉化知識點，讓學習嵌入式系統的零基礎學生能夠學得好，需要做進一步的研究。

1.2軟硬件協同設計的理念不夠

作為32位處理器，ARM各個系列芯片硬件資源非常豐富，相應地進行項目開發的代碼編寫也是內容豐富。通常學生僅僅是對硬件資源進行單一的學習，或者單一地認為嵌入式開發就是寫代碼。對此，學生對軟硬件協同設計的理念還沒有很好地理解。但嵌入式系統的一大特點恰恰在于，既需要了解硬件，又需要了解軟件，在這方面，還需要加強學生的學習。

1.3考核方式過于單一

嵌入式系統課程過往的考核方式比較單一，有的單純只是進行期末考試。這樣的考核方式，對學生而言，既沒有對平時學習的激勵，同時卷面成績也并不能全面地反映一個學生的綜合學習情況。如果采用“過程性評價”方式，讓學生在整個學期中都能夠有3-4次的考核評價，將能夠在一定程度上激勵學生主動學習，提升學習效果。

1.4學生課外自學條件不夠

電子類專業往往都有一些實驗室，學生做實驗必須去實驗室。而嵌入式系統的教學可以做一些顛覆，改變以往開發板不能外借的傳統，讓學生在課下積極地投入到實驗中，而真正實驗課堂上，教師要檢驗學生課下學習情況，進行評價及指導的同時，又調動了學生課外實踐的積極性。

1.5對課程認識不夠

對課程的認識也是影響教學效果的重要方面。任課教師需要讓學生了解業界的情況，讓學生知道所學的知識是非常有益的，如果學生能夠理解課程設置的重要性，就必然會調動學習的主動性和積極性。

2.改革方式

2.1教材選擇

嵌入式系統的教材比較少，結合物聯網工程專業的課程設置和專業實際情況，我們選取了同濟大學的教材。該教材的特點是內容相對完整，不足之處是實際案例比較少。為了達到實踐創新能力培養的目標，我們另外結合培訓的教材，并且自編講義對案例進行了擴充，特別是對學生實驗用到的庫函數及開發手冊進行了增補。通過教材和精選項目實例來實現軟硬件協同設計開發的教學目的。

2.2章節安排

學生進行嵌入式系統開發，就必須了解嵌入式系統的基本概念、模數/數模轉換、輸入輸出口使用、串口、定時器等，由于有前期51單片機的課程，學生對這些基本概念不會陌生，重點需要向學生講清楚5l單片機與ARM處理器相關的外設有哪些區別以及獨特之處。表1顯示課程的教學章節選擇及理論課時分配。剩余課時均為實驗課時。通過近乎1（理論課時）：1（實驗課時）的課時比例配置來強化基礎概念的學習和實踐過程的重要性（見表1）。

2.3實驗安排

將實驗分為基礎實驗和創新實驗兩大類。在期末學生總成績構成中，出勤和平時作業成績占比20%，期末考試成績占比40%，另外40%是實驗成績。實驗成績由基礎和創新各占50%組成。目前我們給學生準備了5套原子開發板（有額外的實驗模塊），以后將逐步增加到20套，同時實驗室還有20套資源相對較少的開發板。開發板附屬資源十分豐富，教學視頻、實驗指導、交流論壇等極大地方便了學生學習。未來的規劃是每兩個學生分享一塊開發板及其附屬模塊。這樣的安排將真正做到“口袋實驗室”的模式，才能將實驗室搬到教室之外。

2.4答辯安排

本次教改探索的另一個方案就是將平時實驗課程改成學生實踐答辯課程。因為準備了相對充足的“口袋實驗室”，所以在一定程度上保障了這一教改的實現?；诖?，教師從單純的上課，改變為指導學生進行實驗項目。從教學效果上看，若干個項目學生都完全實現，而且基礎相對較弱的學生也從同伴互相學習和討論中受益，相比單純的教師課堂講授，學習效果更加明顯。我們將其稱為創新答辯環節和學生觀摩分享環節。

2.5創新實驗

鼓勵學生進行創新這項措施激發了學生的學習興趣。創新范圍是基礎實驗創新，如增添新的功能，代碼增加及改進、創新實驗作品的呈現等。按照不同層次的學生情況，實驗也進行了進階分類：基礎實驗、創新實驗、系統原型創造。系統原型創造在圖1中用虛線表示，是物聯網工程專業接下去要進行教改的方向，將對創新實驗進一步提升，激勵學生進行原型系統創造。

表2是大多數學生所能夠呈現出的創新作品，這些創新實驗的答辯促進了學生自身的思考，在過去學生提交實驗報告時，教師只是單純地進行閱讀，卻并沒有形成一個互動思考的過程。如今教學改革帶來的是教學相長，在促進學生思考的同是也為教師的教學方式帶來啟發。

2.6基礎知識考核

期末試卷重在考核學生掌握基礎知識的情況。這些知識點是區別于微機原理之類的課程的，突出考核嵌入式的特有的一些知識點?；谇捌诘膶嵺`基礎，期末的試卷考核主要是考查學生的學習效果。后續將探索以“系統原型創造”來替代基礎知識考核。

3.實踐效果的比較與進一步改革措施

3.1學生反饋

對一個班級的45位學生進行調研后發現，大部分學生都有類似的認知，即“這門課光看書覺得很多，很雜，很枯燥”；學生從2年微機原理的學習一下子跨到基于ARM和STM32開發板的嵌入式系統學習，這個過程的難度非常大，但是經過一學期的學習之后，學生又感嘆收獲很多，同時也對嵌入式系統產生了濃厚的興趣。這其中，“口袋實驗室”設計和創新答辯環節激發了學生的興趣，學生在答辯時分享著自己的實驗成果，既提升了自豪感又促進了其他學生的積極性。在這樣的教學設計環節中，教師將原來單純講嵌入式系統知識點的過程，更多地轉變成引導學生如何出實驗成果的過程，引導學生通過視頻、嵌入式開發資料進行自學，這一過程能夠實現很多有意思的實驗成果。

表3總結了一些學生的觀點。

3.2第二課堂成長

可以說嵌入式系統課程學習為創新創業打下了一定的基礎。參加過實踐創新培養的學生更愿意去參加其他的實踐項目，并且更具有想法和能力。兩者相互促進，提高學生的學習興趣與能力。在產學研結合的模式下，經過一個學期的學習，學生的知識面更廣，更加積極地參與老師的科研項目，推動了物聯網工程專業特色項目的進一步提升。

3.3和先進教學手段——慕課相結合

嵌入式系統的教學非常需要實踐，教師需要花更多的時間對學生進行實踐指導及創新引導，就勢必會減少課本內容的講解。前文提及單純的內容講解十分枯燥，學生難以聽進去，所以需要將常規的教學內容進行預先的視頻錄制，結合現在的慕課教學方式，讓學生通過課余時間多多自行消化吸收。為了強調實踐過程，在壓縮理論課時的同時，一定要使學生具備課外自學的條件和積極性，這方面，新型教學手段如MOOC和SPOC的引進將得以大大地改觀。

4.結語

就嵌入式系統教學而言，物聯網工程專業是一門實踐性非常強的同時又極具教學改革挑戰的課程。本文以常規的教學過程中的問題為切人點進行探索和思考，歸納了嵌入式系統教學中存在的問題，并分析了教學改革的成效。創新答辯環節和學生觀摩分享環節為嵌入式系統教學注入了新鮮的空氣，調動了學生的學習興趣，獲得了學生的一致好評。后續我們將繼續保留這些環節，并結合慕課進程，利用現代教育技術手段，積極探索實踐教學改革，并將在物聯網工程專業其他課程中做進一步的教學研究，力爭使物聯網工程專業的學生能真正成為創新創業人才。