嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)改革探索論文

時(shí)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(jì)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(xué)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(xué)中存在的課程內(nèi)容陳舊、教學(xué)模式單一、考核方式固化等問題，圍繞教學(xué)策略實(shí)施、教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)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(xué)改革探索論文

　　【關(guān)鍵詞】嵌入式系統(tǒng)；教學(xué)改革；新工科

　　引言

　　當(dāng)前，國家“創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展”“互聯(lián)網(wǎng)+”等系列戰(zhàn)略的實(shí)施，使以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟(jì)受到廣泛關(guān)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(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具有國際競爭力并能適應(yīng)未來發(fā)展的高素質(zhì)復(fù)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(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》，提出了以“新工科”建設(shè)為主題的高等學(xué)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(xiàng)綜合多個(gè)領(lǐng)域知識的工程應(yīng)用技術(shù)，也是物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)行業(yè)等新興領(lǐng)域的重要組成部分[4]。因此，如何能適應(yīng)“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(xué)，對提高嵌入式系統(tǒng)技術(shù)工程人才的培養(yǎng)質(zhì)量具有重要的意義。

　　1“嵌入式系統(tǒng)”教學(xué)存在的問題

　　近年來，隨著嵌入式系統(tǒng)技術(shù)在智能交通、工業(yè)控制、日常生活等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為應(yīng)對市場需求，培養(yǎng)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程人才，國內(nèi)眾多高校開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用的相關(guān)課程�！扒度胧较到y(tǒng)”課程具有綜合性強(qiáng)、內(nèi)容寬廣、軟硬件結(jié)合、實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)[5]，而在實(shí)際教學(xué)中常常存在課程內(nèi)容陳舊、教學(xué)模式單一、考核方式固化等問題，無法滿足新經(jīng)濟(jì)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(shù)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(yīng)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(shè)計(jì)方法的總結(jié)與研究，從而造成了學(xué)生針對嵌入式系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)差、分析解決問題能力弱[6]；另一方面，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)及其微處理器技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)，如ARM處理器早已發(fā)展到Cortex系列，導(dǎo)致已有的基于特定處理器芯片的課程內(nèi)容嚴(yán)重滯后于快速發(fā)展的行業(yè)技術(shù)應(yīng)用。

　　1.2教學(xué)模式單一，學(xué)習(xí)主動性差

　　傳統(tǒng)“嵌入式系統(tǒng)”課程教學(xué)多以基于PPT的固定教學(xué)方式為主，由于課程內(nèi)容多而課時(shí)少，教師往往容易從自身角度出發(fā)，專注于講解知識點(diǎn)，急于在有限的課時(shí)內(nèi)完成課程的教學(xué)任務(wù)，且常常沒有結(jié)合系統(tǒng)在實(shí)際設(shè)計(jì)中的工程問題來引導(dǎo)學(xué)生。這種以教師講解為主的教學(xué)模式，一方面不能很好地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀學(xué)習(xí)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(xué)生的創(chuàng)新性思維能力。

　　1.3考核方式固化，綜合素質(zhì)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(shí)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(zhì)試卷考試。這種傳統(tǒng)的考核方式結(jié)構(gòu)僵化，忽略了學(xué)生對知識的掌握及綜合應(yīng)用能力的評價(jià)反饋，不利于提高學(xué)生解決工程問題的能力。

　　2“嵌入式系統(tǒng)”教學(xué)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(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量、新體系，以工程教育為目標(biāo)對“嵌入式系統(tǒng)”課程教學(xué)進(jìn)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(xué)生綜合能力提升為目標(biāo)，通過教學(xué)策略（教學(xué)模式）實(shí)施、教學(xué)內(nèi)容（理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)）重構(gòu)及評價(jià)反饋（考核方式）改革等手段，圍繞“以學(xué)生為中心”的理念與宗旨，最終實(shí)現(xiàn)本課程在人才培養(yǎng)中所發(fā)揮的實(shí)際效用，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力。

　　2.2課程內(nèi)容與課程資源建設(shè)

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

　　（1）在理論課程內(nèi)容方面，強(qiáng)調(diào)對嵌入式系統(tǒng)理論和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行介紹。課程設(shè)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(jī)、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(yàn)證方法，實(shí)時(shí)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(gè)方面。①從設(shè)計(jì)方法學(xué)的角度，講解對嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)格定義與建模、性能測試驗(yàn)證的方法，要求學(xué)生掌握從獲知嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用需求到完成應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)、系統(tǒng)測試驗(yàn)證的完整設(shè)計(jì)流程與分析方法，培養(yǎng)學(xué)生面向不同領(lǐng)域的不同應(yīng)用進(jìn)行工程設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)調(diào)度策略等）進(jìn)行系統(tǒng)的介紹，強(qiáng)調(diào)各組成部件的特性及在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要關(guān)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(yīng)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(bǔ)充材料在課程網(wǎng)絡(luò)平臺上公開，學(xué)生可以在課外自行閱讀。③針對每個(gè)類別的講授內(nèi)容，根據(jù)最新的技術(shù)發(fā)展進(jìn)行知識補(bǔ)充和擴(kuò)展。比如，在講授嵌入式處理器的時(shí)候，會讓學(xué)生預(yù)先結(jié)合身邊的應(yīng)用（手機(jī)等）了解其中核心處理器的發(fā)展趨勢，在課堂上先安排學(xué)生進(jìn)行小組討論和陳述，教師再進(jìn)行總結(jié)。如此安排既體現(xiàn)了基礎(chǔ)性，又體現(xiàn)了先進(jìn)性。

　�。�2）在實(shí)踐課程內(nèi)容方面，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為硬件接口實(shí)驗(yàn)、程序設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)及綜合型實(shí)驗(yàn)3個(gè)層次。①硬件接口實(shí)驗(yàn)基于微處理器指令系統(tǒng)直接對嵌入式系統(tǒng)接口進(jìn)行操作，要求學(xué)生熟悉典型微處理器的組成結(jié)構(gòu)及寄存器的讀寫/方法、基本指令集及基本總線標(biāo)準(zhǔn)等基礎(chǔ)知識。②程序設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)要求學(xué)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(gè)簡單的應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如可調(diào)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示系統(tǒng)、MP3音樂播放器，讓學(xué)生掌握“系統(tǒng)”的概念，熟悉嵌入式系統(tǒng)完整的設(shè)計(jì)流程。③綜合型實(shí)驗(yàn)側(cè)重于一些創(chuàng)新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以來自教師的科研項(xiàng)目或者一些嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)競賽的案例，如智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)、便攜式心電監(jiān)測儀設(shè)計(jì)、智能小車設(shè)計(jì)等。通過“案例/項(xiàng)目”驅(qū)動的實(shí)踐教學(xué)，使學(xué)生了解所學(xué)的理論方法和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)知識在實(shí)際中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)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(luò)平臺，用于發(fā)布與課程內(nèi)容相關(guān)的視頻、文檔等資源。課程資源建設(shè)列表如表1所示，主要包括3大部分。基礎(chǔ)資源：授課內(nèi)容涉及教案、課件、習(xí)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(shè)計(jì)創(chuàng)新理念和產(chǎn)品資訊，如相關(guān)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(jiǎng)設(shè)計(jì)案例及教師科研團(tuán)隊(duì)的相關(guān)成果。通過這些課程資源的建設(shè)，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣，拓寬學(xué)生視野，進(jìn)一步鞏固對課程內(nèi)容的掌握。

　　2.3教學(xué)模式及教學(xué)策略改革

　　“新工科”背景下工程能力培養(yǎng)不是單一知識點(diǎn)的疊加，而是全面的綜合能力培養(yǎng)，是對創(chuàng)新、實(shí)現(xiàn)、合作和問題解決能力的綜合素質(zhì)培養(yǎng)，原有的培養(yǎng)模式難以達(dá)到“新工科”背景下的人才培養(yǎng)目標(biāo)[4]。因此，課程教學(xué)模式改革旨在探索以工程案例為核心的問題導(dǎo)向式、發(fā)現(xiàn)式、啟發(fā)式、討論式及翻轉(zhuǎn)課堂式教學(xué)方法，致力于培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的能力，形成“以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)”的教與學(xué)模式，提高學(xué)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(xué)中，圍繞“嵌入式系統(tǒng)”課程內(nèi)容中涉及的工作原理，結(jié)合具體案例設(shè)計(jì)，有重點(diǎn)分層次地進(jìn)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(shí)，結(jié)合智能家居系統(tǒng)中溫濕度數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)要求，重點(diǎn)講述如何采用中斷技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)倪^程方法，包括中斷響應(yīng)、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(shè)置、中斷程序編寫、中斷信號電路設(shè)計(jì)等方面分層次講解中斷傳輸方式的軟硬件設(shè)計(jì)方法。此外，在課堂內(nèi)容講授過程中，結(jié)合具體案例設(shè)計(jì)適時(shí)向?qū)W生提出問題，啟發(fā)學(xué)生思考和討論。比如，在講解協(xié)同工作的飛行機(jī)器人案例時(shí)，可以提出飛行器如何獲知周圍環(huán)境狀態(tài)信息實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作的問題，并讓學(xué)生以分組的形式進(jìn)行方案討論，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與，提出不同的想法，教師再根據(jù)學(xué)生討論方案提出具有典型性的可行方案進(jìn)行講解，最終由學(xué)生自行完成驗(yàn)證。

　　2.4考核方式改革

　　傳統(tǒng)的考核方式不注重學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中解決問題的方法與思維方式，這種方式不再適應(yīng)“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(xué)生自學(xué)能力、應(yīng)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(qiáng)形成性評價(jià)，從課堂練習(xí)、課堂討論陳述、課下作業(yè)、項(xiàng)目設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作等多個(gè)環(huán)節(jié)對學(xué)生進(jìn)行綜合考核，實(shí)現(xiàn)對學(xué)生知識綜合運(yùn)用能力的考核，并根據(jù)考核結(jié)果對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行反饋調(diào)整，最終形成一套完善的課程教學(xué)考核評價(jià)體系。針對“嵌入式系統(tǒng)”課程內(nèi)容安排，設(shè)置課程的考核方式可由“平時(shí)成績+實(shí)驗(yàn)成績+期末成績”組成。其中“平時(shí)成績”占總成績的30%，包括課堂練習(xí)、課下作業(yè)的完成情況，以及每一次課堂討論中學(xué)生的參與度和表現(xiàn)情況。“實(shí)驗(yàn)成績”占總成績的40%，考查學(xué)生每次實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)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(xué)生項(xiàng)目設(shè)計(jì)完成情況代之。具體來說，可在整個(gè)課程期間，根據(jù)教師提出的選題或者結(jié)合學(xué)生自己的科創(chuàng)活動，要求學(xué)生按小組完成一個(gè)嵌入式系統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)，如基于Zynq的便攜式心電監(jiān)測儀設(shè)計(jì)，在課程結(jié)束之前，每個(gè)小組完成總結(jié)報(bào)告，并以PPT答辯的形式參與考核評價(jià)，獲得“期末成績”，這種形式重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生學(xué)到的方法與思維方式。

　　3結(jié)語

　　本文針對“嵌入式系統(tǒng)”課程改革與建設(shè)進(jìn)行探討，提出了“新工科”建設(shè)背景下“嵌入式系統(tǒng)”課程改革的理念和思路，并重點(diǎn)在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)評價(jià)等方面開展課程改革與建設(shè)，以適應(yīng)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(biāo)。

　　【參考文獻(xiàn)】

　　[1]李培根．工科何以而新[J]．高等工程教育研究，2017（4）：1-4，15．

　　[2]鐘登華．新工科建設(shè)的內(nèi)涵與行動[J]．高等工程教育研究，2017（3）：1-6．

　　[3]教育部．教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知[EB/OL]．（2017-2-20）[2018-5-30]．

　　[4]李磊，鄧洪波，王云，等．新工科理念下實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與探索——以嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)改革為例[J]．實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2018（7）：1-5．

　　[5]孫偉，李嚴(yán)，崔曉晗，等．面向應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革與探索[J]．工業(yè)和信息化教育，2016（1）：32-35．

　　[6]池濤，陳明，沈曉晶，等．國際化模式結(jié)合本土案例實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)[J]．教學(xué)研究，2018，41（1）：75-79．

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