嵌入式系统课程教学方法的改革与实践

嵌入式系统课程教学方法的改革与实践

作者：李传娣 赵常松

来源：《理论观察》2019年第01期

摘 要：嵌入式系统是一门理论与实践并重的学科，在分析传统嵌入式系统教学中普遍存在问题的基础上，立足于独立本科院校应用型人才培养的教学目标，针对嵌入式课程的教学设计，本文从教学内容的选择、实践环节以及考核方式等多方面对嵌入式系统课程的改革进行了详细的阐述。从课改实施效果来看，该课程提高了嵌入式课程的教学质量，加深了学生对嵌入式系统的理解，培养学生具有较好嵌入式软硬件设计能力，达到了预期的目标。

关键词：嵌入式;教学方法;课程改革

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1009 — 2234（2019）01 — 0144 — 03

一、传统嵌入式课程教学中普遍存在的弊端

传统的嵌入式课程教学以微处理器体系结构和指令系统为主，教学内容与实际应用的联系不紧密，学生在学习相关理论过程中经常会感到抽象和不易理解，面对实际应用问题，无法把所学内容与应用实际联系起来，学习积极性下降，效果不好，更谈不上对学生创新思维能力的培养。教学内容与企业的开发需求匹配度不好，造成学校培养的大量相关专业毕业生无法适应市场需求，同时就业市场又缺乏相关专业人才的矛盾局面。传统的嵌入式课程的实验教学不能真正培养学生动手能力，其主要以ARM教学实验箱为主要教具，无法让学生参与到硬件设计及制作的实践过程中。传统的嵌入式课程考核主要是试卷的形式，无法体现学生的实际动手能力〔1〕。

二、嵌入式课程的教学方法改革

（一）如何选择嵌入式系统课程教学内容

嵌入式系统综合了多门学科及课程。从工程的角度分析，它涉及了电子、机械、计算机、传感器等多个课程及学科，学生很难在短时间内学习到嵌入式系统开发的全部技能。因此，各个学科的嵌入式系统课程所侧重的知识面是不同的〔2〕。目前市场上有多种嵌入式微处理器类型、嵌入式实时操作系统及其开发工具，如何选择合适的教学内容是课程改革首先需要解决的问题。

传统教学模式以传授基本概念、原理为主，随着课程的深入，有很多学生觉得嵌入式技术高深莫测，需要有广泛的专业知识——尤其是需要掌握大量硬件相关知识——才能学习。在《嵌入式原理及应用设计》的教学内容选择上，经多方面的分析和比较，最终确定了把“ARM

硬件平台+嵌入式Linux开源操作系统”作为课程教学的主要内容。经过授课实践，此内容的选择降低了嵌入式课程的学习门槛，减小了学生对嵌入式课程的神秘感和惧怕心理，使嵌入式技术被更多学生所掌握，可以系统的学习嵌入式软件和硬件知识。

本课程把“ARM11（S3C6410）硬件平台+嵌入式Linux开源操作系统”作为主要的课程教学内容。选择ARM11作为硬件平台，是因为目前广泛使用的嵌入式CPU中90%的产品是以ARM作为IP核的，具有广阔的应用前景。在操作系统平台选择方面，嵌入式Linux是当前最具有发展潜力的操作系统，这使学生更加充分地理解嵌入式系统的开发流程和设计思路。另外，在教学中，教师也可以讲解一些基于嵌入式的科研项目相关知识，保证了教学内容能够和嵌入式技术发展的新方向和新趋势密切联系。

（二）启发式教学方法

在嵌入式课改中，我们要改变和转换传统教学理念下教师和学生的角色，让教师从知识的传播者变为指导者，学生从知识的被动学习者变为知识的主动构建者。嵌入式课改教学过程中，在讲解微处理器的软件技术和硬件平台时，我们强调了嵌入式软硬件系统和通用计算机系统的相似及不同之处，启发学生把已掌握的通用计算机系统的理论知识，应用到嵌入式的使用场景中，从而可以更加高效地学习嵌入式系统的应用和设计。这样的授课方式能让学生更好地理解嵌入式技术并应用。

（三）加强实践训练教学环节

在教学过程中引入项目应用的教学理念，采取以学生为主的教育方式，充分发挥学生学习的积极主动性，把平时上课学到的基本理论和网上自主学习的知识和项目（可选自于企业职业技能培训项目）充分应用起来，解决实际应用问题，进一步加强学生在嵌入式系统中的软硬件编程能力的培养。

对于嵌入式系统这么课程，很多学生掌握一般的入门知识，无法达到研发的程度，因此，本课改选择了项目式教学法，其核心理念就是將学生组织起来，以学习小组的形式共同学习、共同探讨，即在掌握了嵌入式基础知识的前提下共同研发，在软硬件开发过程中深入学习，教师给予指导和帮助。学生们可以互相交流，例如有的学生擅长ARM微处理器硬件设计，有的学生擅长ARM嵌入式软件设计，学生们一起合作，建立主动的学习方式，培养学生的ARM嵌入式设计能力、编程能力和创新能力。

本课程开始之前，教师会根据每个学生的理论基础、研发能力将学生分为几个小组，以小组为基本单位进行嵌入式的实验开发。教师讲解ARM嵌入式系统的开发流程，力求为全体学生建立相对完整的嵌入式硬件平台和软件平台的理论框架以及开发思路。随后的学习过程中，引导学生上机实践、查阅资料，分析问题、解决问题，在实践中获取知识。具体的嵌入式实验内容，采取小组成员分工实践、定时总结汇报、互动交流协助的模式，让学生了解实验的

每个方面。这个过程可以锻炼学生的分析、表达、总结问题、讨论问题以及最终解决问题的能力。总之，教师是教学的引导者，并将合作学习和探索的责任也由教师为主转向学生为主，最终要让学生达到独立开发初级嵌入式系统的程度。之后，教师逐步加强学生在研发中自主学习和解决遇到的实際问题的能力。选题一般为具有实际应用背景的项目课题，由教师指导学生小组详细分析硬件、软件设计方案、开发进度安排等。学生不再是传统教学中受外部刺激的被动接受者和被灌输的对象，本教学法以学生为中心，充分发挥学生的主动性、积极性和创新精神。

项目举例：智能农业监测系统

智能农业监测系统可应用于大棚、果园等场所，布设在果园或大棚中的无线传感器节点实时采集农作物生长所需的空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度、光照强度、二氧化碳浓度等环境参数，并采用低功耗自组网的短程无线通讯技术实现传感器数据的传输，所有数据汇集到中心节点，采用一个无线网关连接到互联网，通过远程计算机或手机可以实时查询农作物生长的环境参数，专家系统根据环境参数诊断、预测农作物的生长状况与病虫害状况。在环境参数超标的情况下，系统可以远程控制遮阳网、风机、加热、加湿或灌溉装置等，实现农业生产的智能化监测与管理。

系统组成：本系统由嵌入式微处理器、温度传感器、空气湿度、土壤湿度、光照等传感器组成，数据采集后，经无线模块传输到后台服务器中;

系统功能：

（1）温度控制：当温室大棚内温度高于设定上限值时，控制器发出指令关闭加热器，之后开启通风设备;当温室大棚内温度低于设定下限值时，控制器发出指令关闭通风设备，之后开启加热器，从而保证温室大棚内的温度在设定范围内。

（2）空气/土壤湿度控制：当温室大棚内空气/土壤湿度高于设定上限值时，控制器发出指令关闭喷淋灌溉设备，之后开启通风设备;当温室大棚内空气/土壤湿度低于设定下限值时，控制器发出指令关闭通风设备，之后开启喷淋灌溉设备，保证空气及土壤的湿度恒定。

（3）光照强度控制：当温室大棚内光照强度高于设定上限值时，控制器发出指令关闭光照器;当温室大棚内光照强度低于设定下限值时，控制器发出指令开启光照器，使得农作物达到最佳的光合作用状态。

系统仿真效果图：

以这种实践项目开发式的教学方式，教师的核心职责是帮助学生小组，如何进行一个完整的嵌入式项目的开发、如何发现软硬件调试过程中出现的各种问题以及如何解决问题的方法。教师不再像传统教学中，把自己的看法及课本知识直接教给学生，而是改变自己的教学方式以适应学生的学习。教师不再是单纯地知识灌输者，而是指导者和组织者，是学生的实践顾问，教师在教学过程中应与学生积极互動，共同发展。

（四）嵌入式课程的考核方式改进

嵌入式系统是一门实践性很强的课程，学生在学习了硬件结构的之后再参考相关英文资料后才能进行系统整体设计。为此，本课程将对学生能力的培养和考核贯穿于整个教学过程中，提高学生的嵌入式软硬件的设计能力。

我们对考核方式进行了改进，改革措施如下：

1.平时成绩占25%。包括出勤、作业等。

2.期末成绩占30%。考试为闭卷，主要目的为考察学生对嵌入式知识点的掌握程度。考试题型除了填空、选择、判断外，以自主编程为主，考察学生的嵌入式综合运用能力。

3.综合实验成绩占45%。在项目法教学过程中，学生要参加一次综合实验测试，除必考题目外，让具有硬件设计及编程能力较强的学生有自主发挥部分，可现场讲解编程思路，并回答老师提出的问题，最后根据题目难易程度及实际完成情况进行评分。

三、嵌入式课程教学方法改革的实践效果

（一）调动了学生学习积极性，培养了学生的创新能力。

通过对本课程教学方法的改革，学生的学习嵌入式的积极性得到提高，真正使学生做到在学习中思考、在思考中巩固、在巩固中提高，通过激发学生的内在学习兴趣，挖掘学生的学习潜能，着重培养他们的创新意识。在该教学改革中，我们设置了课后实践项目训练，可有效地激发学习兴趣，锻炼软硬件设计能力，同时也培养了他们的创新能力。

（二）学会了合作，培养了团队精神。

随着各学科的发展和细化，建立团队、合作是必然趋势，这就要求学生具有团队精神。因此，我们在教学改革中更加注重培养学生的合作精神，着力培养学生团队学习以及课题实践的能力。这种项目实践教学方法激发了学生的学习兴趣和创造能力，取得了非常好的成果。

（三）教学相长，师生共同提高。

在实践中，作为教师，对学生实践时遇到的各种问题作出解答或给出相应的指导方案;作为学生，在参与硬件设计、软件设计、整体调试的过程后，学生的积极性和创造力得到了提高。因此学生在导师的指导下完成一个项目，实际上是一个共同合作、相互学习的过程。在这个课程改革的过程中，提高了学生的创新能力，锻炼了导师的科研能力〔5〕。

（四）促进学生个性化发展。

通过嵌入式课程改革，教师可以根据学生对嵌入式的兴趣和综合素质，进行项目分工，分别侧重培养学生的理论水平、软硬件设计能力和创新能力，达到个性化发展。

四、结束语

嵌入式系统是一门侧重应用性的课程。为实现我校应用型人才培养的目标，有必要对该课程进行一系列改革。本课程从教学内容的选择、实践环节以及考核方式等多方面进行了改革，教学效率得到提高，锻炼了学生理论与实践相结合的能力，培养了学生的硬件设计能力、软件编程能力、创新能力，有利于培养高素质专业人才，为独立院校进一步培养应用型人才提供参考。然而嵌入式课程的教学改革是需要坚持不懈的探索的，本课程会继续改进教学方法，争取在更大程度上提升学生进行嵌入式系统开发的能力，以适应嵌入式开发行业的需求。

〔参 考 文 献〕

〔1〕聶晓文，肖堃，陆庆.嵌入式课程实验教学体系教学改革探讨〔J〕.实验科学与技术，2010，（04）：78-80.

〔2〕许强，徐凯.强化工程素质培养的嵌入式系统实验教学改革〔J〕.中国电力教育，2009，（02）：148-149.

〔3〕袁辉.基于学术与科研能力培养的研究生课程改革设计〔J〕.农业图书情报学刊，2014，26（10）：130-134.

〔4〕徐薇薇，吴建成，蒋必彪等.高校教师教学质量评价体系的研究与实践〔J〕.高等教育研究，2011，（01）：104-107.

〔5〕高东怀，裴立妍.基于网络课程的教学模式构建与应用〔J〕.现代教育技术，2013，（01）：80-83.

〔责任编辑：侯庆海〕