嵌入式系統(tǒng)課程教學改革探索論文

時間：2024-05-04 08:50:18 其他類論文我要投稿

　　【摘要】新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟發(fā)展所提出的“新工科”理念給工程人才的培養(yǎng)及課程教學與改革帶來了很大挑戰(zhàn)。本文針對“嵌入式系統(tǒng)”課程教學中存在的課程內(nèi)容陳舊、教學模式單一、考核方式固化等問題，圍繞教學策略實施、教學內(nèi)容重構及考核方式改革等內(nèi)容，提出“嵌入式系統(tǒng)”課程改革的理念與思路。

嵌入式系統(tǒng)課程教學改革探索論文

　　【關鍵詞】嵌入式系統(tǒng)；教學改革；新工科

　　引言

　　當前，國家“創(chuàng)新驅動發(fā)展”“互聯(lián)網(wǎng)+”等系列戰(zhàn)略的實施，使以新技術、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟受到廣泛關注并得到快速發(fā)展。新形勢與新戰(zhàn)略對我國傳統(tǒng)的工程人才培養(yǎng)提出了挑戰(zhàn)，迫切需要大量工程實踐能力強、創(chuàng)新能力強、具有國際競爭力并能適應未來發(fā)展的高素質復合型的“新工科”人才[1,2]。為此，教育部發(fā)布了《教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知》，提出了以“新工科”建設為主題的高等學校工程類專業(yè)教育改革的新概念[3]。而嵌入式系統(tǒng)不僅是一項綜合多個領域知識的工程應用技術，也是物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)行業(yè)等新興領域的重要組成部分[4]。因此，如何能適應“新工科”背景，以新理念、新模式更好地開展“嵌入式系統(tǒng)”課程教學，對提高嵌入式系統(tǒng)技術工程人才的培養(yǎng)質量具有重要的意義。

　　1“嵌入式系統(tǒng)”教學存在的問題

　　近年來，隨著嵌入式系統(tǒng)技術在智能交通、工業(yè)控制、日常生活等領域的廣泛應用，為應對市場需求，培養(yǎng)嵌入式系統(tǒng)設計工程人才，國內(nèi)眾多高校開設了嵌入式系統(tǒng)設計及應用的相關課程。“嵌入式系統(tǒng)”課程具有綜合性強、內(nèi)容寬廣、軟硬件結合、實踐性強等特點[5]，而在實際教學中常常存在課程內(nèi)容陳舊、教學模式單一、考核方式固化等問題，無法滿足新經(jīng)濟的發(fā)展要求，具體情況如下。

　　1.1課程內(nèi)容陳舊，理論技術性弱

　　目前，一方面，“嵌入式系統(tǒng)”課程內(nèi)容基本是基于具體特定的微處理器芯片（如ARM7）及與其對應的指令系統(tǒng)、軟件開發(fā)環(huán)境展開，而缺少嵌入式系統(tǒng)理論和嵌入式設計方法的總結與研究，從而造成了學生針對嵌入式系統(tǒng)的理論基礎差、分析解決問題能力弱[6]；另一方面，嵌入式系統(tǒng)技術及其微處理器技術發(fā)展迅速，新的微處理器、接口、總線等不斷出現(xiàn)新的產(chǎn)品和標準，如ARM處理器早已發(fā)展到Cortex系列，導致已有的基于特定處理器芯片的課程內(nèi)容嚴重滯后于快速發(fā)展的行業(yè)技術應用。

　　1.2教學模式單一，學習主動性差

　　傳統(tǒng)“嵌入式系統(tǒng)”課程教學多以基于PPT的固定教學方式為主，由于課程內(nèi)容多而課時少，教師往往容易從自身角度出發(fā)，專注于講解知識點，急于在有限的課時內(nèi)完成課程的教學任務，且常常沒有結合系統(tǒng)在實際設計中的工程問題來引導學生。這種以教師講解為主的教學模式，一方面不能很好地調(diào)動學生的學習興趣和主觀學習動力；另一方面教師的講解容易流于程式化，使課堂氛圍缺乏活力，難以在授課的過程中真正鍛煉學生的創(chuàng)新性思維能力。

　　1.3考核方式固化，綜合素質培養(yǎng)缺乏

　　目前“嵌入式系統(tǒng)”課程的考核方式普遍為“平時成績+期末考試成績”的方式，而占有較大比例的期末考試一般采取紙質試卷考試。這種傳統(tǒng)的考核方式結構僵化，忽略了學生對知識的掌握及綜合應用能力的評價反饋，不利于提高學生解決工程問題的能力。

　　2“嵌入式系統(tǒng)”教學改革與探討

　　針對上述問題，圍繞“新工科”工程教育改革的新理念、新結構、新模式、新質量、新體系，以工程教育為目標對“嵌入式系統(tǒng)”課程教學進行改革，具體內(nèi)容如下。

　　2.1課程改革的基本思路

　　“嵌入式系統(tǒng)”課程改革的基本思路如圖1所示。面向“新工科”人才培養(yǎng)，以學生綜合能力提升為目標，通過教學策略（教學模式）實施、教學內(nèi)容（理論教學與實踐教學）重構及評價反饋（考核方式）改革等手段，圍繞“以學生為中心”的理念與宗旨，最終實現(xiàn)本課程在人才培養(yǎng)中所發(fā)揮的實際效用，提高學生的工程實踐能力及創(chuàng)新能力。

　　2.2課程內(nèi)容與課程資源建設

　　面向“新工科”人才工程實踐能力、創(chuàng)新能力所對應的知識體系，梳理“嵌入式系統(tǒng)”課程的知識點，修訂教學大綱和重構教學內(nèi)容。課程內(nèi)容包括理論課程與實踐課程兩大部分。

　　（1）在理論課程內(nèi)容方面，強調(diào)對嵌入式系統(tǒng)理論和設計方法進行介紹。課程設置內(nèi)容包括嵌入式系統(tǒng)規(guī)范與建模方法（通信有限狀態(tài)機、數(shù)據(jù)流等），嵌入式硬件組成（傳感器輸入部件、處理單元、內(nèi)存、通信協(xié)議、執(zhí)行器輸出等），系統(tǒng)軟件（嵌入式操作系統(tǒng)、硬件抽象層等），系統(tǒng)性能評估與驗證方法，實時系統(tǒng)調(diào)度策略等。課程內(nèi)容講授的思路與要求包括3個方面。①從設計方法學的角度，講解對嵌入式系統(tǒng)進行規(guī)格定義與建模、性能測試驗證的方法，要求學生掌握從獲知嵌入式系統(tǒng)應用需求到完成應用系統(tǒng)架構設計、關鍵模塊設計、系統(tǒng)測試驗證的完整設計流程與分析方法，培養(yǎng)學生面向不同領域的不同應用進行工程設計的能力。②按照嵌入式系統(tǒng)的組成部件類別，從硬件（處理單元、內(nèi)存、輸入/輸出部件等）到軟件（實時操作系統(tǒng)、實時系統(tǒng)調(diào)度策略等）進行系統(tǒng)的介紹，強調(diào)各組成部件的特性及在嵌入式系統(tǒng)設計中需要關注的核心功能，而不針對具體特定的芯片及軟件開發(fā)環(huán)境展開。例如，處理單元的介紹將會從ASIC、通用處理器、可編程器件這樣不同類型的處理單元在嵌入式系統(tǒng)中應用的特性和優(yōu)勢展開，具體的微處理器芯片（ARM7）的手冊會作為課程補充材料在課程網(wǎng)絡平臺上公開，學生可以在課外自行閱讀。③針對每個類別的講授內(nèi)容，根據(jù)最新的技術發(fā)展進行知識補充和擴展。比如，在講授嵌入式處理器的時候，會讓學生預先結合身邊的應用（手機等）了解其中核心處理器的發(fā)展趨勢，在課堂上先安排學生進行小組討論和陳述，教師再進行總結。如此安排既體現(xiàn)了基礎性，又體現(xiàn)了先進性。

　�。�2）在實踐課程內(nèi)容方面，將實驗內(nèi)容分為硬件接口實驗、程序設計型實驗及綜合型實驗3個層次。①硬件接口實驗基于微處理器指令系統(tǒng)直接對嵌入式系統(tǒng)接口進行操作，要求學生熟悉典型微處理器的組成結構及寄存器的讀寫/方法、基本指令集及基本總線標準等基礎知識。②程序設計型實驗要求學生在加載了嵌入式操作系統(tǒng)的環(huán)境下，采用高級語言對一個簡單的應用系統(tǒng)進行設計，如可調(diào)直流電機轉速顯示系統(tǒng)、MP3音樂播放器，讓學生掌握“系統(tǒng)”的概念，熟悉嵌入式系統(tǒng)完整的設計流程。③綜合型實驗側重于一些創(chuàng)新的系統(tǒng)設計，實驗內(nèi)容可以來自教師的科研項目或者一些嵌入式系統(tǒng)設計競賽的案例，如智能家居系統(tǒng)設計、便攜式心電監(jiān)測儀設計、智能小車設計等。通過“案例/項目”驅動的實踐教學，使學生了解所學的理論方法和基礎設計知識在實際中的應用，培養(yǎng)學生分析和解決實際問題的能力和創(chuàng)新意識。在課程資源方面，開發(fā)課程網(wǎng)絡平臺，用于發(fā)布與課程內(nèi)容相關的視頻、文檔等資源。課程資源建設列表如表1所示，主要包括3大部分�；A資源：授課內(nèi)容涉及教案、課件、習題、經(jīng)典微處理器的芯片手冊，以及嵌入式軟件開發(fā)工具包等；拓展資源：介紹最新嵌入式系統(tǒng)設計創(chuàng)新理念和產(chǎn)品資訊，如相關視頻、前沿論文等；工程案例庫：歷年嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)新大賽的獲獎設計案例及教師科研團隊的相關成果。通過這些課程資源的建設，激發(fā)學生主動學習的興趣，拓寬學生視野，進一步鞏固對課程內(nèi)容的掌握。

　　2.3教學模式及教學策略改革

　　“新工科”背景下工程能力培養(yǎng)不是單一知識點的疊加，而是全面的綜合能力培養(yǎng)，是對創(chuàng)新、實現(xiàn)、合作和問題解決能力的綜合素質培養(yǎng)，原有的培養(yǎng)模式難以達到“新工科”背景下的人才培養(yǎng)目標[4]。因此，課程教學模式改革旨在探索以工程案例為核心的問題導向式、發(fā)現(xiàn)式、啟發(fā)式、討論式及翻轉課堂式教學方法，致力于培養(yǎng)學生主動學習的能力，形成“以學生為主體，教師為主導”的教與學模式，提高學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。具體在課堂教學中，圍繞“嵌入式系統(tǒng)”課程內(nèi)容中涉及的工作原理，結合具體案例設計，有重點分層次地進行講述。比如，在講解嵌入式系統(tǒng)中斷傳輸方式的工作原理時，結合智能家居系統(tǒng)中溫濕度數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)脑O計要求，重點講述如何采用中斷技術進行數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)倪^程方法，包括中斷響應、中斷處理、中斷返回等，再從中斷控制器寄存器配置、中斷向量設置、中斷程序編寫、中斷信號電路設計等方面分層次講解中斷傳輸方式的軟硬件設計方法。此外，在課堂內(nèi)容講授過程中，結合具體案例設計適時向學生提出問題，啟發(fā)學生思考和討論。比如，在講解協(xié)同工作的飛行機器人案例時，可以提出飛行器如何獲知周圍環(huán)境狀態(tài)信息實現(xiàn)協(xié)同工作的問題，并讓學生以分組的形式進行方案討論，鼓勵學生積極參與，提出不同的想法，教師再根據(jù)學生討論方案提出具有典型性的可行方案進行講解，最終由學生自行完成驗證。

　　2.4考核方式改革

　　傳統(tǒng)的考核方式不注重學生在學習過程中解決問題的方法與思維方式，這種方式不再適應“新工科”背景下“嵌入式系統(tǒng)”課程對工程人才培養(yǎng)的要求。因此，在課程考核方式改革中突出對學生自學能力、應用能力和創(chuàng)造能力的考核，完善傳統(tǒng)單一的考試評分方法，加強形成性評價，從課堂練習、課堂討論陳述、課下作業(yè)、項目設計、實驗操作等多個環(huán)節(jié)對學生進行綜合考核，實現(xiàn)對學生知識綜合運用能力的考核，并根據(jù)考核結果對教學內(nèi)容進行反饋調(diào)整，最終形成一套完善的課程教學考核評價體系。針對“嵌入式系統(tǒng)”課程內(nèi)容安排，設置課程的考核方式可由“平時成績+實驗成績+期末成績”組成。其中“平時成績”占總成績的30%，包括課堂練習、課下作業(yè)的完成情況，以及每一次課堂討論中學生的參與度和表現(xiàn)情況�！皩嶒灣煽儭闭伎偝煽兊�40%，考查學生每次實驗操作和實驗報告完成情況�！捌谀┏煽儭闭伎偝煽兊�30%，取消傳統(tǒng)的期末筆試，采用考查學生項目設計完成情況代之。具體來說，可在整個課程期間，根據(jù)教師提出的選題或者結合學生自己的科創(chuàng)活動，要求學生按小組完成一個嵌入式系統(tǒng)項目設計，如基于Zynq的便攜式心電監(jiān)測儀設計，在課程結束之前，每個小組完成總結報告，并以PPT答辯的形式參與考核評價，獲得“期末成績”，這種形式重點關注學生學到的方法與思維方式。

　　3結語

　　本文針對“嵌入式系統(tǒng)”課程改革與建設進行探討，提出了“新工科”建設背景下“嵌入式系統(tǒng)”課程改革的理念和思路，并重點在教學內(nèi)容、教學模式、教學評價等方面開展課程改革與建設，以適應培養(yǎng)具有可持續(xù)競爭力的創(chuàng)新型卓越工程人才的目標。

　　【參考文獻】

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