嵌入式系统设计课程教学创新策略

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摘要：为了充分调动学员学习的积极性和主动性，增强学员的动手能力和创新意识，将理论知识应用于工程实践，文章论述了嵌入式系统设计课程教学的创新策略，包括加强教学设计，将理论与实验任务相融合；合理安排实验内容，建立分层衔接的内容体系；改进实践教学方法，突出学员主体地位；改革考核方式，重视学员实践能力培养。

关键词：嵌入式系统设计课程教学；实验内容；实践能力

对于军队院校而言，嵌入式系统设计课程是一门将实践性、系统性贯穿始终的高层次电子技术专业基础课程，也是电子技术专业理论课程与专业课程之间的桥梁和纽带。它要求学员能够了解将理论知识应用于工程实践的方法，初步掌握电子技术系统级工程实践技能，进而使学员提高自主学习能力、自信心及实践活动的统筹规划能力，最终提升自身的综合素质。然而，以往嵌入式系统设计课程采用传统的教学方法，即先介绍可编程逻辑器件的结构特点，然后介绍EDA开发环境的使用方法，接着详细讲解硬件描述语言语法结构，最后通过举例进行说明。学员普遍反映教员讲授内容多，枯燥乏味，上课的时候都能听懂，但具体做设计时却无从下手，同时一些学员产生了畏难情绪，甚至有不少学员对该课程产生了强烈的排斥感。另外，传统的教学方法是以教员和教材为中心，实践操作的内容和步骤都已给出，学员按照罗列好的内容和步骤就可以完成实验任务，因此很多学员只是机械地完成教员布置的任务，并不知道自己做了什么。换言之，传统的教学方法忽视了对学员知识获取和运用能力的培养，难以调动学员的学习兴趣和积极性，导致学员理论与实践脱节。究其原因，主要是教员上课过分依赖教材，在教学中理论授课占用时间较多，讲授的知识点多、难、复杂且知识点之间的衔接性不好，同时给学员动手操作、自主实践的时间较少，导致学员被动学习，无法运用理论知识解决实际问题[1-2]。针对嵌入式系统设计课程教学存在的问题，笔者突出课程的实践性、系统性特点，紧跟电子技术发展前沿，紧密联系过程实际，遵循“面向应用、案例驱动”的指导思想，以嵌入式系统的工程应用为主线，以嵌入式系统的组成单元及其运行规律为研究对象，在教学设计、教学内容、教学方法及考核方式等方面提出了创新策略，力求在教学时落实“学员为主体，教员为主导”的理念，营造自主实践的浓厚氛围，以提升学员在实践过程中发现问题、分析问题和解决问题的能力。实践结果表明，学员学习的积极性和主动性明显提高，且创新意识和创新能力得到显著增强。

一、加强教学设计，将理论与实验任务相融合

嵌入式系统设计课程内容涵盖硬件描述语言、EDA设计软件、FPGA内部硬件结构，以及FPGA配置、IP核等。可见，它既包含了语言的学习，又包含了应用软件的使用，还包含了电路的软硬件设计与实现，内容相当广泛。为了解决理论授课枯燥乏味的问题，笔者采用任务驱动教学法将理论知识融入实验任务中，即将教学过程设计成若干个任务模块，以完成任务为驱动，围绕任务展开知识点的讲授与重温，教学效果有了明显提高。例如，将QuartusII开发环境、原理图输入法及实验箱硬件电路的理论学习融入半加器的设计实现任务中。其中，在Verilog硬件描述语言讲解过程中，教员要将语言基本要素和三种建模方式的学习融入半加器和3线-8线译码器的设计过程，具体做法如表1所示。即将行为描述语句与层次化设计方法融入计数器和分频器的设计与实现中，让学员初步掌握组合逻辑电路和时序逻辑电路的设计方法，同时将IP核的知识融入正弦信号发生器的设计中。通过这些实验的讲解和练习，学员能够初步掌握硬件描述语言的语法规则、常用数据类型及建模方法等，且能够结合实验箱实现具体电路设计。这样将理论与实验任务相融合，以任务为明线，把培养学员的知识与技能作为暗线，充分体现了“学员为主体，教员为主导”的理念。教员现场演示任务实现的过程时，可以有意设计一些编程陷阱，加深学员对难点或易错点的理解和记忆。例如，在定义reg型变量后采用assign语句进行赋值，程序运行时会报错，这样可加深学员对寄存器变量和线网型变量的认识。另外，通过编写与调试程序，学员能切身体会到“任何一个小小的疏忽，哪怕是一个标点用错了，整个程序都将无法运行或不能得到正确的结果。因此，在今后的工作岗位上需养成认真、细心和严谨的作风”。将理论知识的讲授与实验任务相结合，教学方式直观，有助于学员掌握知识点，且有一定的趣味性，能吸引学员的注意力，激发学员学习的主动性，同时能促使学员将所学知识运用到具体的任务中，体会到成功的喜悦，学习兴趣也会大幅提高[3-4]。

二、合理安排实验内容，建立分层衔接的内容体系

笔者认真梳理教学内容，将课程内容划分为组合逻辑电路设计、时序逻辑电路设计、PIO端口控制、外围电路设计等八个任务模块，每个任务模块设置由浅入深的基础性、设计性、提高性三个层次内容。如图1所示，以时序逻辑电路设计为例，学员首先完成基础性实验任意进制计数器设计和分频器设计。在这个过程中，学员在熟悉时序逻辑电路设计的方法后，逐步增加难度，完成设计性实验内容数字秒表的设计，即通过小型数字系统设计让学员学习系统设计的方法。此时，提高性内容数字钟设计与制作的难度应进一步加大，且具有一定的综合性。该内容整合了组合逻辑电路设计中的BCD七段显示译码器设计、时序逻辑电路设计中的计数器设计和分频器设计、PIO端口控制模块中的键盘控制等内容。同时，在任务难度设置上分为基本功能和拓展功能两部分，且所有学员都能完成基本功能部分的设计。另外，在能力培养方面，教员要鼓励实践能力强、思维活跃的学员进行拓展创新。实验内容分为必做和选做两个部分。基础性和设计性实验作为必做实验，并要求在创新电子教学实验开发平台完成设计、程序下载及调试。基础性实验阶段，教员边讲授边让学员实践，实验前要强调实验注意事项。对于设计性实验，教员仅做引导性的讲授，要求学员根据实验教程的内容自行设计，当遇到问题时再询问教员。通过基础性和设计性实验环节，能够提高学员运用所学知识解决实际问题的能力，使学员真正从理论走向实践。而提高性实验作为选做实验，实验题目由教员给出，也可以由学员自拟题目，同时教员要鼓励学员在基础性和设计性实验的基础上将所学知识进行整合与扩展，并以2～4人自由组合的团队形式完成设计任务。当设计中出现问题时，教员要鼓励学员讨论解决或自行查阅资料解决，从而培养学员自主学习能力、沟通交流能力、与人合作能力及信息处理能力[5]。将实验内容分为基础性、设计性、提高性三个层次，前一层次是后一层次的基础，同时将熟练掌握开发模式和开发过程作为主线贯穿于理论教学与实验操作过程，可增强课程的层次性和连续性。对于前两个层次引导学员完成设计过程，包括新建文本文件、建立工程项目、选择芯片、编译与综合、引脚分配、硬件连接、器件下载编程、编程后的硬件测试。在第三个层次中，教员要通过深化元器件设计、元器件例化和状态机设计等提升学员综合电路设计能力，让学员理解自顶向下的设计理念。这样内容设置由易到难、循序渐进，学员上手快，能够体会到完成任务的成就感，因此学习积极性会大大提高。

三、改进实践教学方法，突出学员主体地位

根据嵌入式系统设计课程内容的特点及教学对象的特点，教员在教学方法的选择方面需遵循科学、灵活的原则。同时，教员要摒弃“填鸭式”“抱着走”的教学方法，将课堂、实验室交给学员，充分发挥学员的主观能动性及潜力，以增强课程教学的活力和效果。针对学员逻辑思维能力强的特点，教员在教学方法上应该采用启发式引导，以适应课时数量少的实际情况。具体来说，教员应采用演示、指导、调查、发放辅导材料等方式，促使学员做好课前预习和知识准备；在授课和辅导时，灵活选择研究式、案例式、项目驱动式等教学方法。在基础性实验阶段，由于学员尚未熟悉设计方法项目数据流建模方式行为级建模方式门级建模方式Modulehalf_add(sum,cout,a,b)outputsum,cout;inputa,b;wirea,b;wiresum,cout;assignsum=a^b;assigncoutt=a&b;endmodule融入VerilogHDL模块基本结构、语法规则、线网型变量的定义及赋值、算术运算符等内容modulehalf_add(sum,cout,a,b)outputsum,cout;inputa,b;rega,b,sum,cout;always@(aorb)begincase({a,b})2’d00:beignsum=0;cout=0;end2’d01:beignsum=1;cout=0;end2’d10:beignsum=1;cout=0;end2’d11:beignsum=0;cout=1;endendcaseendendmodule融入寄存器类型变量的定义及赋值、case语句结构等内容Modulehalf_add(sum,cout,a,b)outputsum,cout;inputa,b;wirea,b;wiresum,cout;and(cout,a,b);xor(sum,a,b)endmodule融入基本门电路的调用、结构化建模等内容内容方法和技巧，此时可采用指导式教学。即教员通过分析典型案例，引导学员掌握电路设计的一般方法和步骤。启发式教学主要应用在设计性实验阶段，即教员只讲重点内容，学员在教员的启发引导下，独立进行实验，自主分析、解决实验过程中遇到的各种问题。此时，学员头脑中没有过多的条条框框，有充分的时间去思考、动手、讨论，操作的积极性会大大提高。而在提高性实验阶段，教员则采用互动式和探究式教学方法，要求学员自行设计实验方案和步骤，自己解决问题。在这一过程中，教员和学员进行了角色的相互转换，即教员从“演员”转变为“导演”，学员从“观众”转变为“演员”，从而大大激发了学员学习的兴趣和主动性，进而突出了学员在学习中的主体地位，有利于学员的个性发挥及学员创新能力的培养。另外，授课过程中教员要注意优秀学员的表现，适时向他们发布知识延展和学科前沿信息，利用好优秀学员的影响力和感召力，且在辅导过程中，注意培养学员的组织协调能力，促使学员互帮互学、共同研究；教员要对学习困难的学员进行辅导，不但要做课程内容的辅导，还要循循善诱地了解他们的个性和特点，做到不使一人掉队。此外，教员要注意引导学员进行课后的研究、思考和总结，实现教与学的统一，最终提高教学效率[6-8]。比如，教员要引导学员充分利用网络资源学习他人的设计经验和方法，特别是利用“全国大学生电子设计大赛”平台激发学员学习兴趣，同时鼓励学员到实验室做自己感兴趣的设计，从而达到“以点带面”的良性循环效果，增加学员学习该课程的兴趣，最终促进学员创新能力的提升。

四、改革考核方式，重视学员实践能力培养

嵌入式系统设计课程传统考核形式主要通过期末理论考试进行，对学员实践能力缺少有效的考核手段，且考试中侧重对基础原理和方法的检验，实验成绩比重低，导致出现学员为应付考试而“刷题”的现象，从而造成学员“高分低能”的窘境。为引导学员从“单纯理论知识学习”转向“理论与实践相结合学习”，突出学员工程实践能力和综合素质考核，笔者对考核方式进行了改革。嵌入式系统设计课程采用形成性考核和终结性考核相结合的综合考核方式。形成性考核主要考查学员对单元知识的掌握程度，主要根据课堂表现、实验任务完成情况进行评价，占总成绩的40%。其中，课堂表现部分主要考查学员到课率情况、是否认真听课、能否积极回答问题等，占总成绩的15%；实验任务完成情况部分主要考查学员任务完成的速度及完成质量等，占总成绩的25%。同时，教员要注重引导学员通过自主、探究等方式，完成观察、思考、设计实现的学习过程，以提高学员自主学习的能力，使学员养成良好的学习习惯；鼓励学员挑战自我，通过查阅资料，对信息进行加工、取舍、归纳和转化，激发创新热情。例如，教员可将正弦信号发生器实验内容分为三个层次来完成，即“任务一———实现频率和幅度固定的正弦信号发生器设计；任务二———实现频率可调的正弦信号发生器设计；任务三———实现频率和幅度均可调的正弦信号发生器设计”。学员可以根据自身情况选择不同难度的内容完成实验，教员则根据学员实验任务的难易程度及最终完成情况评定实验成绩。终结性考核则由学员自拟题目设计实现一个有一定难度的数字系统，考查学员综合运用所学知识解决具体工程问题的能力。这主要根据设计任务的难易程度和完成情况进行评价，占总成绩的60%，其中设计任务的难易程度占总成绩比重的25%（创新点越多、越新颖，功能越复杂，相应的分值就越高），完成情况占总成绩的35%。通过考核方式的改革，既体现了考核的公平性，也调动了学员创新的积极性[9-12]。总之，本文结合教学实际，充分考虑到嵌入式系统设计课程内容多、应用性强等特点，从教学设计、教学内容、教学方法及考核方式四个方面进行了教学创新，即通过加强教学设计，构建了分层衔接的内容体系，且采用更加灵活多样的教学方法，不断改革和完善考核方式，从而突出了学员的主体地位，调动了学员学习的积极性和主动性，增强了学员的动手能力，提升了学员创新意识和创新思维，最终使得学员能够独立地将理论知识应用到工程实践中，教学效果良好。

作者：濮霞 陶炳坤 黄天辰 马南 单位：陆军工程大学石家庄校区车辆与电气工程系