鄧小武 張文 姚敦紅 鄧紹偉

摘 要：嵌入式系統(tǒng)是一個交叉學(xué)科，涉及到計算機科學(xué)、電子科學(xué)、通信和控制學(xué)科，存在知識點眾多、內(nèi)容龐雜的問題。如何提高學(xué)生的嵌入式工程實踐能力和設(shè)計能力，以適應(yīng)嵌入式行業(yè)要求，是嵌入式系統(tǒng)教學(xué)面臨的新課題。文中探討了微課的設(shè)計原則和優(yōu)勢，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的特點，將微課用于嵌入式系統(tǒng)教學(xué)，解決現(xiàn)有嵌入式教學(xué)存在的問題。以提升學(xué)生工程實踐能力為目的，對此類課程的微課設(shè)計與教學(xué)進行改革，做了有益的探索與實踐。

關(guān)鍵詞：嵌入式行業(yè);嵌入式技術(shù);指導(dǎo)原則;微課設(shè)計;工程實踐;交叉學(xué)科

中圖分類號：TP317文獻標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）01-0-03

0 引 言

目前，嵌入式產(chǎn)業(yè)在各個國家得到了迅猛發(fā)展。嵌入式系統(tǒng)正不斷地滲透到汽車、通信、消費電子、醫(yī)療和軍事等各個行業(yè)。這些行業(yè)對智能化設(shè)備的需求推動了嵌入式系統(tǒng)的快速發(fā)展，成為促進這些產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的中堅力量。嵌入式技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)產(chǎn)品數(shù)字化改造、智能化增值的關(guān)鍵性、最核心技術(shù)。嵌入式產(chǎn)業(yè)已成為當(dāng)前最受歡迎和最有發(fā)展前景的產(chǎn)業(yè)之一。同時，嵌入式開發(fā)工程師在IT領(lǐng)域供不應(yīng)求，具有突出的優(yōu)勢。為了滿足市場對嵌入式開發(fā)人才的需求，國內(nèi)高校專業(yè)學(xué)科建設(shè)和嵌入式教學(xué)改革的步伐越來越快，嵌入式及相關(guān)專業(yè)在高校的普及和發(fā)展達到了前所未有的速度。然而，目前大多數(shù)高校仍沿用傳統(tǒng)的嵌入式人才培養(yǎng)模式，學(xué)生的工程能力與市場需求嚴(yán)重脫節(jié)，無法滿足市場需求。需要積極探索運用新方法對嵌入式系統(tǒng)教學(xué)進行改革，旨在提高學(xué)生的工程實踐能力。

微課程是指通過精心的信息化教學(xué)設(shè)計，以流媒體的形式，使學(xué)習(xí)者的自主學(xué)習(xí)獲得最佳學(xué)習(xí)效果的一種短而完整的教學(xué)活動[1]。微課程的形式為自主學(xué)習(xí)，目的是達到最好的學(xué)習(xí)效果。采用精心化和信息化教學(xué)設(shè)計，形式為流媒體，知識點或教學(xué)環(huán)節(jié)為其核心內(nèi)容，播放時間短，但其實質(zhì)為一個完整的教學(xué)活動。因此，對于教師來說，最重要的是要從學(xué)生的角度做微課，而不是從教師的角度，這體現(xiàn)以學(xué)生為本的教學(xué)理念。

微課必須做到“簡、短、用、新”：既要簡明、有針對性，又要言之有物，還要對用戶產(chǎn)生足夠的吸引力。微課內(nèi)容精煉、學(xué)習(xí)方便、制作周期短，應(yīng)時而需，敏捷、新鮮，又能針對特定應(yīng)用場景，成為人們在傳統(tǒng)學(xué)習(xí)外的一種重要補充。

1 設(shè)計和制作微課的基本指導(dǎo)原則

雖然評價一節(jié)“微課”的標(biāo)準(zhǔn)尺度不一樣，但是一般來說，可以從選題、設(shè)計、呈現(xiàn)、技術(shù)、效果幾方面去評價微課。這涉及到：選題要有針對性，內(nèi)容設(shè)計要科學(xué)合理，內(nèi)容呈現(xiàn)要生動有趣，設(shè)計制作聲音和圖像展現(xiàn)清晰，應(yīng)用效果是否讓人豁然開朗、學(xué)得通透?？傊?，微課必須要集中體現(xiàn)“以學(xué)為本，以學(xué)生為主體”的理念。要做“學(xué)生喜歡的微課”，是一種強調(diào)“用戶體驗設(shè)計”的理念。

設(shè)計和制作做好微課除了技術(shù)手段，還需注意以下幾點[2]。

（1）內(nèi)容必須科學(xué)正確。微課程要提供高質(zhì)量的學(xué)習(xí)內(nèi)容，必須遵守學(xué)科規(guī)律，使內(nèi)容科學(xué)準(zhǔn)確，不能因為內(nèi)容的規(guī)模和形式小而放棄內(nèi)容的科學(xué)性。

（2）專注于一個知識點。由于微課程的內(nèi)容具有精細(xì)化、教學(xué)內(nèi)容聚焦度高的特點，可以更好地體現(xiàn)微課的價值。因此，最好堅持“一個微課，就講透一個點”。

（3）合理控制視頻時間。根據(jù)edx的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計，不管視頻有多長，觀眾的實際觀看時間都不超過6 min，而視頻則持續(xù)6～9 min，這是一個拐點。對于較長的視頻，觀眾的觀看時間實際上不到6 min。因此，建議微課堂的時間控制在5～8 min內(nèi)。

（4）設(shè)計好導(dǎo)學(xué)?！罢毡拘啤钡淖龇ú⒉皇浅尸F(xiàn)微課內(nèi)容的最佳方式。只有在微課中設(shè)計出引人入勝的導(dǎo)學(xué)，才能吸引人，激發(fā)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的積極性。一節(jié)微課導(dǎo)入的常用方法有設(shè)置問題導(dǎo)入、情境導(dǎo)入、實驗導(dǎo)入、故事導(dǎo)入、復(fù)習(xí)導(dǎo)入等。

（5）微課程內(nèi)容要突出重點。特別是要把關(guān)鍵的概念、技巧和步驟講清楚。簡單的內(nèi)容可以簡單扼要講，但重點和難點需要停下來詳細(xì)講。講解一個重要的概念，要明確如何講清楚它;在關(guān)鍵和核心技能的教學(xué)中，要循序漸進地示范;在解疑解惑的教學(xué)中，重點和關(guān)鍵點知識要講清楚和講透。

（6）要做到有始有終。使點題與總結(jié)相對應(yīng)，從點題開始，以重點概括結(jié)束，以幫助學(xué)習(xí)者理清思路，做到首尾呼應(yīng)。

（7）表現(xiàn)形式應(yīng)該提升內(nèi)容價值服務(wù)。做好音、畫、詞的協(xié)調(diào)，配合各種音、圖的比例和節(jié)奏。此外，在微課上適當(dāng)添加各種提示信息。

2 嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計微課

2.1 嵌入式系統(tǒng)教學(xué)與學(xué)習(xí)的特點

嵌入式系統(tǒng)融合了多門學(xué)科，主要內(nèi)容內(nèi)容來源于計算機科學(xué)和電子學(xué)。此外，還涉及控制、通信等學(xué)科的具體應(yīng)用領(lǐng)域。在嵌入式系統(tǒng)的研究學(xué)習(xí)中，知識點多，內(nèi)容復(fù)雜。因此，理論基礎(chǔ)與工程實踐相結(jié)合的方法在“嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計”中具有十分重要的意義。在嵌入式系統(tǒng)理論的學(xué)習(xí)和教學(xué)中，需要保持清晰的知識脈絡(luò)，使各部分知識相對獨立。在嵌入式工程的實踐中，必須采取與理論知識相適應(yīng)的循序漸進的實踐模式，保證學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中逐步掌握相應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用。

“嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計”教學(xué)的根本目的是讓學(xué)生盡快學(xué)會更多、更完整的知識，掌握嵌入式工程中分析和工作的方法，增長工程技術(shù)經(jīng)驗。從嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建構(gòu)建角度將“嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計”知識結(jié)構(gòu)劃分如圖1所示。

2.2 嵌入式系統(tǒng)微課內(nèi)容設(shè)計

對于一個初學(xué)者來說，在學(xué)習(xí)新知識時很難靜下心來閱讀大量的概念性敘述，應(yīng)該從實踐的角度去理解嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的理論基礎(chǔ)知識，突出重點，各個擊破，力爭從實踐的角度去找到與理論的吻合點。從如下兩個方面設(shè)計微課內(nèi)容。

（1）理論與實踐相結(jié)合，在理論夠用，實踐為主的指導(dǎo)下，在講解嵌入式系統(tǒng)實踐開發(fā)所需要的理論知識時，同時適當(dāng)丟棄部分初學(xué)者暫時不需要或很少用到的知識點，其目的是盡量突出學(xué)習(xí)重點。

（2）融合模塊化設(shè)計與系統(tǒng)設(shè)計。將“嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計”的知識點劃分為若干較大的模塊，再將大模塊分成多個小模塊。模塊由簡單到復(fù)雜，并逐步完善。把較小模塊組成一個較大的系統(tǒng)，使學(xué)生能夠直觀地看到模塊化開發(fā)的全過程和實現(xiàn)過程。

嵌入式系統(tǒng)主要是由ARM處理器、嵌入式Linux操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序開發(fā)三大部分構(gòu)成的。嵌入式Linux操作系統(tǒng)主要涉及到嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境構(gòu)建、調(diào)試技術(shù)、構(gòu)建文件系統(tǒng)、內(nèi)核修改與移植和設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計;而應(yīng)用程序開發(fā)根據(jù)具體應(yīng)用領(lǐng)域諸如嵌入式Qt來開發(fā)應(yīng)用程序，ARM處理器開發(fā)詳細(xì)內(nèi)容如圖2所示。

基礎(chǔ)模塊主要涉及ARM核Magicarm270的一小部分理論基礎(chǔ)知識、ADS1.2集成開發(fā)環(huán)境和通用輸入輸出模塊編程[3]。提高模塊主要是對PXA270處理器啟動代碼分析、LCD控制原理進行分析，對每個模塊給出了一個具體的實現(xiàn)方法，并對其代碼進行分析。綜合模塊是由聯(lián)系緊密的基礎(chǔ)模塊和提高模塊構(gòu)成，是基于基礎(chǔ)進行設(shè)計和開發(fā)的。

3 嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計微課制作形式

根據(jù)微課和“嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計”課程的特性，構(gòu)建了以學(xué)生為中心，以學(xué)生的學(xué)習(xí)活動為主線，教師之間互動的嵌入式系統(tǒng)微課程教學(xué)模式框架。只有幫助學(xué)生實現(xiàn)知識的內(nèi)化，才能保證微課教學(xué)模式的實施，才能構(gòu)建與再生和諧學(xué)習(xí)環(huán)境[4]。微課程教學(xué)模式主要分為課前準(zhǔn)備、課內(nèi)強化、課后復(fù)習(xí)和課后實踐4個模塊，目的在于培養(yǎng)和提高學(xué)生的綜合工程實踐能力。嵌入式系統(tǒng)微課教學(xué)模式如圖3所示。

3.1 課前預(yù)習(xí)

通過微視頻教學(xué)資源進行自主學(xué)習(xí)。教師圍繞學(xué)習(xí)任務(wù)進行深入分析，設(shè)計和錄制“嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計”微教學(xué)視頻以及制作課件、案例等相關(guān)素材，將其上傳到微課在線學(xué)習(xí)平臺，為學(xué)生提供有效的學(xué)習(xí)資源，滿足學(xué)生課前預(yù)習(xí)的自主學(xué)習(xí)任務(wù)的需要。在微課網(wǎng)絡(luò)平臺上，收集和整理學(xué)生反饋的問題，并互動討論區(qū)公布發(fā)布，為課堂的答凝解惑做好準(zhǔn)備。學(xué)生根據(jù)自己的實際情況，不斷重復(fù)觀看視頻，然后獨立進行自學(xué)測試，并反饋給老師或提出自己的問題。為了更好、更系統(tǒng)地完成課前自主學(xué)習(xí)的任務(wù)，學(xué)生和教師應(yīng)該在學(xué)習(xí)中進行交流和溝通。

3.2 課中強化

課堂上對嵌入式系統(tǒng)的模塊和對應(yīng)的案例所用到的理論知識講解，對模塊存在的重難點進行重點分析，并對學(xué)生的課前學(xué)習(xí)情況進行反饋。在學(xué)習(xí)ARM處理器裸機編程的時候，不是一開始就講解和學(xué)習(xí)復(fù)雜的地址映射關(guān)系和ARM可執(zhí)行文件的格式，而是學(xué)習(xí)對寄存器編程，控制I/O引腳，點亮LED燈，會使問題簡單化，學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容更容易消化、理解，從而提升教學(xué)效果。

3.3 課后復(fù)習(xí)

教學(xué)主要分為知識傳授和知識內(nèi)化兩個階段。知識傳授主要通過課堂教學(xué)實現(xiàn)，知識內(nèi)化主要依靠學(xué)生自身，通過課外學(xué)習(xí)和實踐。因此，課后鞏固復(fù)習(xí)也是進一步內(nèi)化知識的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3.4 課后實踐

課下加強練習(xí)，通過回放實踐教學(xué)視頻、撰寫實訓(xùn)項目、拓展實訓(xùn)項目等手段，培養(yǎng)和提高學(xué)生的工程實踐能力。例如在講解和做完定時器實驗項目后，可以設(shè)計如下兩個設(shè)計性實驗：

（1）操作系統(tǒng)定時器用于實現(xiàn)一個具有時間、分、秒功能的時鐘。要求每1 s通過串行口向PC機發(fā)送1次時間;

（2）設(shè)計一個定時報警器，在串口設(shè)置定時報警時間。

通過以上項目實踐，學(xué)生不僅能理解和掌握基本理論知識，將理論應(yīng)用于實踐，而且能培養(yǎng)和提高自己的設(shè)計能力和工程實踐能力。

4 結(jié) 語

本文根據(jù)微課的優(yōu)勢，結(jié)合“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與原理”課程特點和設(shè)計原則，并將其應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)教學(xué)進行研究與探討。實踐表明微課應(yīng)用于教學(xué)改革不僅是可行的，而且有效，教師主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體地位得以體現(xiàn)。不僅能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，滿足個人的學(xué)習(xí)需求。

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