嵌入式系統(tǒng)教學方法探索與實踐

馬賓 劉權

摘要：對當前嵌入式系統(tǒng)教學過程中問題的原因進行了分析，提出了一種基于需求為導向的教學方法，結(jié)合學生競賽與具體項目，在一定范圍內(nèi)進行了試驗推廣。實踐證明，該方法能夠激發(fā)學生自主學習的積極性與求知欲，提高學生的創(chuàng)新能力。

關鍵詞：嵌入式教學;課程改革;教學方法;自主學習

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）02-0144-02

隨著社會信息化和物聯(lián)網(wǎng)進程的加速，嵌入式系統(tǒng)已廣泛應用于航空航天，軍事，醫(yī)療，工業(yè)，商業(yè)，汽車，以及生活各個方面。在全球范圍內(nèi)嵌入式系統(tǒng)工業(yè)年產(chǎn)值已突破萬億美元，呈爆炸式增長趨勢。社會對嵌入式系統(tǒng)人才需求量激增，各高校相繼開設嵌入式系統(tǒng)方面相關課程，為科研機構和企業(yè)培養(yǎng)相關人才。

從嵌入式系統(tǒng)定義出發(fā)，以計算技術為基礎、滿足需要、軟硬件定制的系統(tǒng)都可以歸納為嵌入式系統(tǒng)。因此，相關的課程涉及較多，有硬件電路方面的知識、有軟件方面的編程知識，有算法和控制理論等方面的知識，如何將這些知識有機結(jié)合起來，培養(yǎng)學生實踐能力與創(chuàng)新能力，提升教學效果與學生培養(yǎng)質(zhì)量，對教學組織者和實施者來說是首要考慮的問題，只有質(zhì)量的教學才是有意義的教學。

1 嵌入式系統(tǒng)教學中存在的問題

一般認為有智能器件參與的系統(tǒng)都可以認為是嵌入式系統(tǒng)，而智能器件包括單片機、PLC、FPGA、DSP等多種類型，但一般高校在教學實施過程中所提及的嵌入式課程大多指的是ARM類單片機相關課程，本文主要所述的嵌入式系統(tǒng)教學也是以當前主流的STM32單片機應用教學為核心。

一般情況下，信息社會的發(fā)展，物物互聯(lián)的趨勢，使學生在課程開始時有較濃厚學習興趣與學習意愿。傳統(tǒng)的教學方法課程講解和課程實驗分階段實施，局限于某門課程理論知識的教學。而嵌入式系統(tǒng)涉及的課程較多，在教學實施過程中，教師要講解多方面內(nèi)容，就STM32教學來說，要講解時鐘系統(tǒng)、各種外設驅(qū)動與協(xié)議、人機接口、操作系統(tǒng)等方面的知識，偏重功能實現(xiàn)。如果課堂教學和實驗不同步進行，時間一長學生就會對教師提供的大量信息感到迷茫、枯燥、找不到學習的樂趣，會嚴重打擊學生信心，進而導致學生學習興趣的喪失。因此如何激發(fā)學生的求知欲，引導學生主動自主學習，是必須解決的問題。另外傳統(tǒng)的課程考核方式為卷面考試，很難考查學生的綜合素質(zhì)做全面衡量。教學進程設計得不合理與考核方式的不合理，都直接導致了教學質(zhì)量的低下。為提升教學效果，筆者結(jié)合各種學生競賽、實際項目，對嵌入式系統(tǒng)教學方式做了一系列有益嘗試，并逐漸將這些成果應用于課堂教學中。

2 結(jié)合競賽與項目的嵌入式系統(tǒng)教學方法探索與實踐

筆者對自己在嵌入式系統(tǒng)方面的學習方法上進行了反思，STM32是近些年來才逐漸流行起來，筆者在學校并沒有學習過這方面的課程，而是為了項目開發(fā)需要，才開始對其應用方法進行自主學習，實際上很多工程技術人員也是為了解決某個問題而作有針對性的快速自主學習。那么能不能在學校的教學過程中，也引入這種以產(chǎn)品開發(fā)為目的，教師引導與自主學習相結(jié)合的高效的學習方法呢？為驗證其可行性，筆者近幾年來結(jié)合學生競賽，對嵌入式系統(tǒng)教學方法進行了相關探索。

從謹慎的角度出發(fā)，這種教學方法未驗證其有效性之前，不宜在課堂教學中直接試點，但可以在部分有興趣并有參加愿意的同學中先試驗，取得一定成果后再在課堂教學中推廣?？紤]到很多學生競賽時需要嵌入式系統(tǒng)方面的知識，因此在這部分同學中開展相關教學方法探索與實踐較為適宜。實際的小范圍教學試驗工作近年來利用暑期展開，每年參加的學生控制在約五十人左右，學生來源主要為電氣、機制、農(nóng)機、車輛等專業(yè)的大一、大二、大三學生。為培養(yǎng)學生自主學習能力，引入工程技術人員在項目開發(fā)中以解決問題為目的的學習理念，培訓與競賽、項目密切結(jié)合，其實施過程主要分為三個階段，一是培訓階段，二是實訓階段，三是參賽與項目階段。

2.1組隊與培訓

培訓前讓學生自由組隊，建議學生按“1、2、2”的方式組隊，即1位大三的同學，2位大二的同學，2位大一的同學為一組。大三的同學暑期一過馬上面臨保研、考研、找工作等方面的問題，因此參加的意愿不是太高，為形成“高年級帶低年級”的良好傳承，我們和學生先期約定，暑期教育是相關教師免費的付出，在掌握相關技能后，高年級的同學有義務幫助低年級的同學提升能力。但考慮大三同學實際情況，每組的大三同學定為1人;2位大二的同學在教師和大三同學的帶動下，后期作為競賽主力;大一的同學剛學完一年的基礎課程，各方面的能力稍有欠缺，每組2位大一同學能在高年級同學的帶動下，重點結(jié)合需要開展有針對性的學習，培養(yǎng)自主學習理念。

從產(chǎn)品研發(fā)的角度出發(fā)，培訓工作不再局限于某門課程。因為學生來源于不同專業(yè)、不同年級，這給培訓工作帶來了較大的難度。在具體的實施過程中，第一階段為低年級、非電類專業(yè)同學的基礎知識的掃盲，高年級強化階段，主要涉及模數(shù)電與STM32應用方面的教學。第二個階段為實訓階段，教師布置一些具體的實際小項目，讓各隊在教師在引導下組織實戰(zhàn)，在實戰(zhàn)過程中重點鍛煉學生電路板繪制與制板、程序編寫和軟硬件調(diào)試方面的能力。暑期時間約為兩個月，這兩個階段一般各占一個月的時間，有時候也糅合在一起，如在理論學習的時候不再布置書面作業(yè)，而是要求學生搭建電路或編寫、調(diào)試程序，形式相對靈活多變。

2.2競賽與項目

為充分調(diào)動學生的積極性與主動性，打造學習的必要性和迫切性，培養(yǎng)以解決問題為目的的自主學習理念，競賽與項目的參與是必不可少的且是重點環(huán)節(jié)。首先要引導學生積極參加各種級別、各種類型的相關競賽，原則上為每位參與培訓的同學創(chuàng)造機會，使之都能參與競賽，保護每位同學來之不易的動手激情。具體某個競賽，為保證競賽的效果，根據(jù)教師掌握的實際情況，也要進行隊伍刪減和隊員調(diào)整方面的工作，同時做好學生的思想工作，讓同學們了解自身的不足與努力方向，積極為下一個競賽做準備。

對部分能力較強的同學，在學生自愿的情況下，組織這部分同學對教師正在開展的項目進行研究與學習，參與到項目中來，讓同學們看到自己參與的項目成為實際產(chǎn)品，并在某個領域得到應用，能夠很好地調(diào)整同學們的自豪感，進一步激發(fā)自主學習的熱情。

一個實際的嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品都是為了解決某種實際需求，不僅僅是單純的電子學方面的知識就能解決問題，因此跨專業(yè)的組隊方式是必要的，更能培養(yǎng)同學們的解決工程問題的理念，鍛煉協(xié)調(diào)、溝通能力。對電子類同學來說，不管是電子學方面的還是電磁學方面的知識都非常抽象，看不見摸不著或不能摸，只有在實踐的過程中將理論應用于實踐，在設計和調(diào)試過程中，功能的實現(xiàn)才能將抽象的理論具體化。結(jié)合實際研發(fā)過程和應用過程中出現(xiàn)的問題，才能最好地體會理論知識與元器件參數(shù)意義。

3 嵌入式系統(tǒng)課堂教學改革的思考

結(jié)合前期的與競賽、項目結(jié)合的實踐經(jīng)驗，提升學生的綜合能力、培養(yǎng)的自主學習意識方法上的探索，并逐步將其理念引入到嵌入式系統(tǒng)課堂教學中，改革嵌入式系統(tǒng)教學現(xiàn)狀，讓整體同學受益。

3.1教學與實驗

我校以前的教學計劃，電氣類同學的嵌入式系統(tǒng)專業(yè)課程安排在大四上作為選修課，而學生競賽往往又需要用到這方面的知識，因此該課程可以適當提前。結(jié)合暑期的STM32培訓經(jīng)驗，不少非電類同學也能很好地掌握STM32的應用開發(fā)知識，因此在C語言課程開設后，就可以進行嵌入式方面的教學。從暑期的經(jīng)驗出發(fā)，嵌入式教學應該從兩方面改革：1）積木式教學;2）不嚴格區(qū)分課程學習與實驗。

在教學過程中，對同學們的要求是集中精力于功能的實現(xiàn)。軟件上采取現(xiàn)場寫代碼的方式實現(xiàn)相關功能，并提供給對同學們，修改相關參數(shù)要求后作為課后練習，要求以照葫蘆畫瓢的方式來實現(xiàn)。因為在實際的項目中針對某種具體功能實現(xiàn)，代碼大多類同，往往是在以前的工程代碼上修改來實現(xiàn)。照葫蘆畫瓢地累積經(jīng)驗，積木式地實現(xiàn)功能，更能體現(xiàn)工程思想，也能更快速地實現(xiàn)相關功能，激發(fā)同學們的興趣，抓住重點。另一方面課堂教學和課后練習都是實驗相關內(nèi)容，不再嚴格區(qū)分理論課與實驗課，為每位同學提供開發(fā)板。在教學過程中直接將課堂搬到實驗室授課，同學們上課的時候有計算機可以用，隨時可以進行調(diào)試，相比較以前傳統(tǒng)的教學方式，同學們的積極主動性更高。

3.2考核方法

實際的教學中往往會出現(xiàn)高分低能的同學，也會出現(xiàn)成績一般但實踐能力很強的同學。考試成績很好但實踐能力低下是考核方法導向性引發(fā)的問題。嵌入式系統(tǒng)需要的是同學們強大的動手能力，因此考核方法也亟須改革。

在新的考核方法中，試運行以項目為導向的考核方法，即教師擬定一些相對易于實現(xiàn)的小項目，要求學生組隊，制作電路板、編寫程序、撰寫報告，然后采用答辯的方式考核。在實施過程中能培養(yǎng)學生的動手能力和團隊協(xié)作精神。但若完全以項目開發(fā)的方式考核，考核成績不再以個人能力區(qū)分，而是以團隊整體打分的方式，對每個同學而言并不是很公平，而且期末由于各項考試，學生也很難集中精力于項目，從謹慎的角度出發(fā)，當前以課程考試與項目考核加權的方式進行。

4 結(jié)論與展望

得益于相關教師的支持與無私奉獻，暑期的以工程思想為導向，培養(yǎng)自主學習能力的教學探索實踐進展比較順利。近幾年參加培訓的同學自主學習的積極性得到了極大的增強，令人感動的是為了解決相關問題，不少同學經(jīng)常通宵達旦地奮斗，這更進一步堅定了我們對于嵌入式教學改革的信心。參與的同學無論是保研、考研還是工作，都能從競賽成果與項目經(jīng)驗中受益。從競賽的結(jié)果看，整體情況也比較理想，本年度以筆者為指導教師參賽的同學獲一等獎、二等獎、三等獎各一項，實用新型專利一篇。

引入工程化導向思想的教學方法，可以培養(yǎng)學生自主學習意識，為企業(yè)培養(yǎng)高水平的應用類人才。但也由此帶來了一系列問題，主要體現(xiàn)在以下三個方面。

1）理論課還是實踐課？這種教學改革不再對其嚴格區(qū)分，也難于對其進行一個很好的定義。2）教學損耗、器材管理，開放實驗室等方面的問題。從前期情況看，STM32開發(fā)板損失率較高，近兩年購置近百塊開發(fā)板，損失率高達三分之二，因為教學過程中需要同學們制作電路，所以還涉及開放實驗室管理、器件管理與經(jīng)費來源問題。3）對教師要求高，付出大。在暑期的實踐中，指導教師全程陪同學生。在改革后的教學方法中，需要多位教師參與進來為學生指導、答疑并對作品進行考核。而無論是暑期培訓還是日常教學過程中的額外工作量，考驗的是教師的責任心與教師的考評體系。

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【通聯(lián)編輯：梁書】