智能家居開發(fā)項目的《嵌入式系統(tǒng)》實驗課程教學(xué)

廣東海洋大學(xué)寸金學(xué)院 彭小松 韋發(fā)清

當(dāng)前，國家正處于科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵階段，隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)的日漸成熟，在國家政策的支持以及市場的需求下，應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才的需求量將急劇上升。嵌入式技術(shù)作為信息技術(shù)的基礎(chǔ)學(xué)科，學(xué)生掌握并且能夠熟練對嵌入式系統(tǒng)進行開發(fā)顯得尤為重要。嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)過程中，學(xué)生經(jīng)常是通過一個現(xiàn)成項目進行學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識和程序設(shè)計，這會造成當(dāng)離開現(xiàn)成項目，學(xué)生進行獨立開發(fā)的時候，便不知不知所措、毫無頭緒的困境。本文針對這一現(xiàn)象對《嵌入系系統(tǒng)》實驗課教學(xué)方法、教學(xué)設(shè)計進行探究，旨在提高學(xué)生脫離教師案例以后獨立思考、獨立開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的能力。

1 課程基本情況

《嵌入式系統(tǒng)》實驗課程是電氣、電子專業(yè)的一門重要的專業(yè)必修課，課程的主要目的是在理論課的基礎(chǔ)上，鍛煉學(xué)生獨立開發(fā)一個嵌入式系統(tǒng)項目的綜合能力。本文以開發(fā)一個智能家居項目為主線，對教學(xué)過程進行中存在的問題進行優(yōu)化，以提高學(xué)生的獨立開發(fā)能力。該課程是對《C語言程序基礎(chǔ)》、《Linux操作系統(tǒng)》以及《ARM嵌入式處理器原理》三門課程知識的綜合應(yīng)用。

2 當(dāng)前項目式教學(xué)存在的問題

2.1 學(xué)生的編程開發(fā)環(huán)境過于“舒適”

當(dāng)前《嵌入式系統(tǒng)》實驗課程，通常在學(xué)生進入實驗室之前，教師已經(jīng)提前幫學(xué)生準(zhǔn)備好相應(yīng)的開發(fā)環(huán)境的配置，如Linux虛擬機的安裝與環(huán)境配置，交叉編譯環(huán)境等。學(xué)生對開發(fā)環(huán)境和開發(fā)框架的構(gòu)建并不熟悉，對獨立開發(fā)缺乏自信。

2.2 基礎(chǔ)知識儲備參差不齊

實驗課涉及到多門課程知識的綜合應(yīng)用。由于每個同學(xué)的知識基礎(chǔ)不同，不同學(xué)生的感受到難度是不一樣的。使得學(xué)習(xí)進度不一致。

2.3 理論與實踐分離

對于嵌入式程序開發(fā)，理論知識通常在理論課上講解，實驗時學(xué)生無法將現(xiàn)象與理論聯(lián)系起來。

2.4 只看不做或者“臨摹”學(xué)習(xí)

《嵌入式系統(tǒng)》程序設(shè)計由教師演示，演示完畢后，學(xué)生不動手親自實現(xiàn)，停留在看懂的層面上。或者把教師演示的源碼共享給學(xué)生，讓學(xué)生實現(xiàn)，學(xué)生進行“臨摹”，學(xué)生無法形成對知識的深刻記憶。

2.5 沒有教學(xué)筆記或筆記簡略

2.6 教學(xué)節(jié)奏把握不當(dāng)

教學(xué)過程中，教師通常將把簡單的基礎(chǔ)知識三言兩語、一筆帶過，使基礎(chǔ)薄弱的同學(xué)跟不上。

3 增加學(xué)生獨立開發(fā)的實驗課教學(xué)設(shè)計方法

針對以上問題，本文以“基于ARM-A53平臺的智能家居項目”為依托，提出以下教學(xué)設(shè)計的改革路線，如圖1所示。

圖1 《嵌入式系統(tǒng)》實驗課教學(xué)改革路線

改革路線分為實驗前，實驗中和實驗后。

3.1 實驗前

實驗前教師應(yīng)該梳理出實驗中可能用到的理論知識體系，給出知識體系的邊界，合理配置教學(xué)時長，注重基礎(chǔ)知識鞏固，由易到難，循序漸進的課程推進。如表1所示。

建立實踐與理論之間的映射關(guān)系，做好理論的插入點。此處以C語言基本常識的講解為例，演示如何通過實際例程將相應(yīng)的理論知識點落實，如下例程1所示：

例程1：C語言基礎(chǔ)知識復(fù)習(xí)例程

#include ＜stdio.h>

表1 智能家具項目基礎(chǔ)知識邊界

3.2 實驗中

教師演示開發(fā)過程需要以實際項目開發(fā)過程為主線，以具體實例為依托，進行演示。讓學(xué)生看到實例現(xiàn)象或程序運行結(jié)果，在此基礎(chǔ)上，在合適的位置進行對應(yīng)的理論講解與補充，從而讓學(xué)生建立對理論的感性認識和認知結(jié)構(gòu)，對理論知識有更深刻的理解。

學(xué)生實踐，教師演示時，教師是主要的邏輯思考者，學(xué)生處于被動接受狀態(tài)。程序編碼的過程需要學(xué)生自己去構(gòu)建編碼框架和編碼邏輯。因此教師演示完畢后，應(yīng)先將演示的代碼和筆記關(guān)閉，給足夠的時間讓學(xué)生以第一作者的角度進行思考、復(fù)盤以及重現(xiàn)原碼。只有這樣反復(fù)實踐，學(xué)生才能擺脫“一看就懂，一做茫然”的尷尬狀態(tài)，學(xué)生才能真正掌握一門技術(shù)的實際使用方法，建立相應(yīng)的技能自信。

由于嵌入式開發(fā)過程細節(jié)多且瑣碎，步驟之間環(huán)環(huán)相扣，因此教師的演示的時候，應(yīng)該有記錄詳細的步驟筆記，可采用屏幕錄制軟件錄屏，抑或者可以采用截圖與文檔說明的方式，為學(xué)生的無憂回顧復(fù)習(xí)做好準(zhǔn)備。

3.3 實驗后

僅僅是重復(fù)老師的邏輯是不行的，現(xiàn)實中嵌入式系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能各不相同。因此舉一反三的應(yīng)用操作是學(xué)生必會的技能。因此實驗后，老師給出實當(dāng)?shù)木毩?xí)，根據(jù)實際問題，要學(xué)生實現(xiàn)相應(yīng)的功能需求，發(fā)揮學(xué)生對知識的應(yīng)用擴展能力。學(xué)生根據(jù)詳盡的復(fù)習(xí)資料，掌握基本操作方法，在此基礎(chǔ)上，完成教師的擴展任務(wù)，進一步落實實踐過程。

學(xué)生完成教師課后布置的擴展項目后，根據(jù)最終實現(xiàn)的功能完備性和代碼的抗干擾能力，對不同組的學(xué)生進行綜合評分。此外，評價的目的是為了不同組之間能互相學(xué)習(xí)，對于實現(xiàn)相同的功能，不同組的實現(xiàn)方法各不相同，分享每組的實現(xiàn)路徑和思考模式，可以讓學(xué)生反思自己實現(xiàn)方法的不足，自己處理方式的缺點，掌握更靈活、更簡潔、更便捷、更完備的程序設(shè)計方式。

程序設(shè)計過程不同組會遇到各種各樣的錯誤提示和警告提示，對錯誤和警告的處理學(xué)生進步的階梯。分享開發(fā)過程中的遇到的錯誤與警告，以及相應(yīng)的處理方式，匯總形成“問題-方案”備忘錄集，有助于所有開發(fā)者的提高。

總結(jié)：本文針對學(xué)生在《嵌入式開發(fā)》實驗課上出現(xiàn)的無法學(xué)以致用、獨立開發(fā)的問題進行了深層次的解析，重新對開發(fā)實踐課程進行教學(xué)設(shè)計。說明了實驗課基礎(chǔ)知識補充鋪墊的重要性，強調(diào)了理論知識的傳授應(yīng)該置于在實踐結(jié)果之后的教學(xué)思路，論述了學(xué)生“閉卷”實踐思考的必要性，提出了課后擴展項目驗收、評價以及提升方法。在新的教學(xué)設(shè)計指導(dǎo)下，學(xué)生期末完成綜合項目的成功率和獨創(chuàng)性大大增加，參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目的團隊增加。