嵌入式系统课程教学设计研究

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摘要：分析了目前嵌入式课程教学过程中存在的问题，结合我校的实际情况，运用成果导向的教育理念，考虑嵌入式课程的综合性和应用性特点，系统总结了我们在课程教学目标、理论课的内容设置、实验课的组织实施和课程考核方面的成功经验。本论文的内容对其他从事嵌入式教学或者是以应用为目标的课程教学设计具有很好的借鉴意义。

关键词：嵌入式系统；教学设计；成果导向

嵌入式系统是以现代计算机技术为基础，以应用为中心和导向的学科，注定要走上工程化的道路。就教学内容而言，嵌入式系统涉及计算机、电子信息工程、自动控制等相关专业基础课程的知识，集软硬件技术于一体，并有广泛的应用场景，具有强烈的基础性、综合性和实践性特点。课程的特点要求教师具有宽广的基础知识、灵活的教学方法和非常强的实践能力。学生对先行课程的理解程度也不尽相同，水平参差不齐，如何激发学生的学习兴趣、提高动手实践的能力、培养工程创新能力和创新精神是人才培养过程中的关键问题[1]。为满足社会对嵌入式人才的需求，各高校争相开设嵌入式专业或者相关课程。如何能够使学生在本门课程的学习过程中学到知识、提高能力，培养嵌入式工程师，是嵌入式教学过程中需要探讨的问题。本文首先分析了目前在嵌入式系统课程的教学实践过程中存在的问题和不足，然后针对这些问题，以成果导向教育的理念，提出了相应的解决方法。

一、嵌入式课程教学中存在的问题

各高校在开展自己的嵌入式课程时，都会将课程的特点和本校的师资情况、实验条件和人才培养目标等具体的实际情况相结合，制定能够体现专业特色，并服务于人才培养方案的教学目标和教学内容。多数地方性高校受师资水平、实验条件的限制，在理论和实践教学方面存在共同的不足，这些不足主要表现在如下3个方面的矛盾。1.课程的综合性与老师专业背景的单一性的矛盾。嵌入式系统是一项发展迅速的计算机技术，涉及的知识面广、综合性强，这就对任课教师提出了更高的要求。专业的嵌入式系统任课教师缺乏，很多软件背景或者是电子背景的老师，在接受短期培训之后就给学生授课，很难做到软、硬件都精通，对相关基础缺乏全面足够的了解；平时又不从事嵌入式的研究或者开发工作，开发实践经验有限。很多老师直接把其他课程的教学方法搬过来用，未能体现嵌入式教学特点。或者为了完成教学计划而一味的“填鸭式”教学，忽视了嵌入式教学的实践性，只有理论讲解，对实践重视不够。最终导致学生对嵌入式系统有“看不见、摸不着”的感觉[2]。2.教学内容的保守性和技术发展的实时性的矛盾。教材内容陈旧。当前，ARM和Cortex体系架构的微控制器已成为物联网应用、通信等领域产品研发的主流。然而，许多学校的课程设置中还是一成不变地采用MCS-51等单片机的教材，造成了学生所学内容和应用环节的脱轨，学生课堂里学到的技术，在实践环节不能用，需要重新学习，这严重制约了学生课堂学习的积极性，抑制了学生学习兴趣的持久性。学校培养的人才知识结构不能满足社会发展对人才的需求，造成了“学生找不到工作，企业找不到人才”的窘境。实验教学落后于学生社会实践。嵌入式系统是一门综合性、应用性很强的课程，实践教学是重要环节。学习理论，掌握一定的专业知识是基础，但是理论知识需要通过实践来巩固，不通过实践，无法提高学生的动手能力、培养学生的开发和创新能力，无法满足学生成长过程中对新知识的构建需求。嵌入式系统的技术和设备发展很迅速，许多高校缺少相关的实验设施，或者对新的实验技术采购不力，学生实践条件严重落后于社会的需求，导致学生认为，学无所用，失去学习兴趣。3.课程内容设计和嵌入式系统课程特点的矛盾。嵌入式课程的教学内容繁多，既有应用程序开发，又有底层内核移植、驱动程序的开发等。但是大多数学校的教学时间少于48课时，实验课时只有6个实验课，理论与实验教学的安排难以保证课程内容的完整性。理论教学没有重点，内容多而乱，内容不够深入，学生不能有效地掌握所有的知识。基础知识讲授太多，理论课的学习与实验教学联系不紧密，所学知识和实验内容不一致，造成理论知识难以巩固、提高。在实验课程配置方面，受设备、场地、技术等多种因素的限制，更多的是开设一些验证性实验，与实际工程应用相差较远。实验步骤只是简单地连接几条线，运行给定程序，学生自主发挥设计实验的可能性非常小。

二、成果导向教育模式引入的意义

成果导向教育（Outcome-BasedEducation，OBE）是国际上广泛获得好评的先进教育理念之一，代表了专业工程教育改革的主流方向。成果导向教育与其他教育理论不同的地方在于，它强调学习者运用所学知识的能力。在成果导向教育模式中，教育者需要对学生的学习结果有清晰的构想，即学生在完成学业后能够干什么，并通过设计合适的教育结构来促进和保证学生达到这些教育目的[3]。学习知识并不是教育的目的，教育的目的在于是否能使学习者在学习后具有某种感知的能力，即要求学生在完成各项学习任务的过程中将知识、个人理解与技能相结合，最终形成某方面的能力成果。学习者的产出是该教育模式的动力，从这个意义上说，成果导向教育操作理念与教育方式在工程、企业应用型人才培养方面具有十分重要的意义[4]。

三、成果导向教育理念在嵌入式课程中的运用

笔者结合实际的教学经验和平时教学工作对成果导向教育理念运用的总结及对兄弟院校的调研，针对嵌入式教学中存在的问题提出了以下四个方面的对策以供探讨。1.课程培养目标。学习嵌入式课程的最终目标是能够基于单片机有解决复杂工程方面的能力。基于成果导向的教育理念，我们设计了以动手能力和创新能力提高为目标的能力目标。以完成平衡车程序开发和制作为项目目标。以平衡车开发为引领，考虑学生的认知能力，设计的知识目标包括：掌握MDK-ARM软件的开发环境搭建，STM32F107单片机各种常见外设的工作原理和开发流程等，掌握基于STM32F107单片机最小化系统和各个功能模块的连接方式。2.课程教学内容。将项目化案例有机地融入课堂教学，通过工程案例，将理论教学、实践环节串联在一起，实现学生工程能力的训练培养。平衡车的开发既涉及到单片机的大部分功能，又有许多的外设穿插其中。我们以这个项目为引领，具体地讲解了项目开发过程中遇到的基本理论、基础知识。我们的课程教学结合了软、硬件平台，先做效果，再深入理论，激发学生学习欲望。在理论的基础上更注重功能和效果，课程设计由浅入深，例如串口，先学习串口基础代码，接下来扩展到蓝牙串口模块，让学生“知其然知其所以然”，学以致用。其他模块也是如此，每个知识点都有对应的应用举例，并可以看到效果。分模块，分阶段讲解，最后整合。模块间大致相互独立、也互相联系，单个模块内容少上手会容易，最后整合模块提升学生对单个知识模块和项目开发流程的理解。3.课程实验内容。通过实验内容重新布局与修改，开展成果导向教育下的实验教学改革，同时开发基于成果导向教育的嵌入式系统实验教学的装置。通过和学生的充分沟通及教师间的探讨，我们对嵌入式系统实验内容进行了改革。实验内容分成基础篇和综合篇，基础部分是要求学生必须掌握的，例如：开发环境搭建、GPIO控制、STM32外部中断、串口通信、等内容。综合篇以综合性实验为主，实验内容包括外部传感器、wifi模块、摄像头QT安卓环境搭建等与产品应用开发密切相关的实验内容，以及基于本课程的大学生课外实践活动。针对于学生实验的组织，我们在实验的过程中将学生进行分组，基础篇的所有内容要求每个学生必须掌握，而综合篇则要求小组内讨论，个别同学重点实施单个提高篇的实验项目，最终完成整个平衡车的实验内容。根据学生的实际情况，提出了一种差异性的实验方案。针对于基础篇的内容，为使学生易于掌握和理解，我们编写了基础篇实验指导，该指导详细的列出了实验内容、实验原理及实验过程。学生按照该指导自己能够独立完成基础篇的实验。每个学生的能力不同，完成实验的进度也不同，如果在一个实验中固定实验内容，一部分学生会提前完成后而无事可做，另一部分学生发现自己进度缓慢，这部分学生会产生自卑或者采用其他的方法提高实验进度。这不利于学生实验能力的培养。为了提高学生自主思考的主动性和参与度，我们针对每一个基础实验提出了思考问题，要求学生在完成实验之后，根据自己的能力完成提高篇的内容。为完成基础篇的实验内容，充足的实验器材保障是关键。为了使每个学生能够独立自主的完成基础篇的内容，我们准备了远大于学生数的实验器材，并在学生实验过程中安排专人保障学生实验器材的稳定性和可靠性。综合篇实验内容的实施分成两部分。一是老师指导学生讨论的实验课，另一个是学生分组的课外实践。在综合类的实验课中，我们为学生提供了平衡车的实验内容和实验器材，学生进行分组，组员之间分工明确，各自完成自己独立的内容且又存在一定的联系，汇总之后完成一个共同的实验项目。学生完成平衡车的实验项目后，就有了独立开发项目的经验。课外实践部分要求学生以小组为单位，基于学习的单片机，开发一款能够使用的产品，此过程重在学生参与开发的过程。4.教学质量的考核。期末考试，占60%；实验部分（实验内容完成情况、实验报告和课外实践部分），占30%；平时表现（课堂和实验教学中的表现、作业情况等），占10%。（1）期末考试注重考查基础知识和基本的工作原理，兼顾考查程序内容以及项目的规划和设计。（2）实验内容的考查以实验过程的评分为准，对于基础实验课，完成基本的实验给定一个基本的成绩，完成提高部分实验相应的给定成绩，所有的评分标准在实验前已确定。实验过程中实验老师严格控制学生独立完成实验。对于综合实验和课外实践内容部分的成绩评定，以小组成员在实验中的贡献大小评定，由老师确定等级，小组成员民主评定。（3）平时的表现分为学生随堂表现和课后作业两部分组成。（4）特殊情况的评定。对于以课程实验单片机为主参加大学生科技文化活动获奖的成员，实验部分评定为满分。

四、结语

随着嵌入式系统的理论与技术的飞速发展，教学团队在成果导向教育理论的指导下，积极、主动地开展嵌入式系统的教学改革与实践模式的探索，全面总结多年来嵌入式教学经验，思考提高嵌入式课程支撑人才培养的方法，挖掘这类应用为主课程教学的规律性，促进了我们自身教学工作水平的提高。也期望我们的经验总结能起到抛砖引玉的作用，通过与广大一线教师、学者的交流，凝聚共识，共同推动形成科学的、先进的嵌入式系统教学模式。

参考文献：

[1]张晓东,鲁可,李秀娟,“嵌入式系统”课程教学研究[J].计算机教育,2011,(8):76-79.

[2]李宁,宋薇,库少平项目化嵌入式教学方法研究[J].单片机与嵌入式系统应用,2010,10(2):5-8.

[3]巩建闽,实施基于成果教育OBE的原因及策略[J].国家教育行政学院学报,2016,(6):48-53.

[4]巩建闽,马应心,萧蓓蕾,基于成果的教育:学习成果设计探析[J].高等工程教育研究,2016,(2):174-179.

作者:扈国栋 栗 军 刘汉平 单位:德州学院