嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)改革探索論文

Word第第頁(yè)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(guó)家“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)進(jìn)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)注并得到快速進(jìn)展。新形勢(shì)與新戰(zhàn)略對(duì)我國(guó)傳統(tǒng)的工程人才培育提出了挑戰(zhàn)，迫切需要大量工程實(shí)踐力量強(qiáng)、創(chuàng)新力量強(qiáng)、具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力并能適應(yīng)將來進(jìn)展的高素養(yǎng)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)于開展新工科討論與實(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?qū)W問的工程應(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(duì)提高嵌入式系統(tǒng)技術(shù)工程人才的培育質(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)掌握、日常生活等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為應(yīng)對(duì)市場(chǎng)需求，培育嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程人才，國(guó)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。“嵌入式系統(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)中經(jīng)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，無法滿意新經(jīng)濟(jì)的進(jìn)展要求，詳細(xì)狀況如下。

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)容基本是基于詳細(xì)特定的微處理器芯片〔如ARM7〕及與其對(duì)應(yīng)的指令系統(tǒng)、軟件開發(fā)環(huán)境綻開，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)與討論，從而造成了同學(xué)針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)差、分析解決問題力量弱[6]；另一方面，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)及其微處理器技術(shù)進(jìn)展快速，新的微處理器、接口、總線等不斷消失新的產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn)，如ARM處理器早已進(jìn)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)峻滯后于快速進(jìn)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(dòng)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，老師往往簡(jiǎn)單從自身角度動(dòng)身，專注于講解學(xué)問點(diǎn)，急于在有限的課時(shí)內(nèi)完成課程的`教學(xué)任務(wù)，且經(jīng)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)同學(xué)。這種以老師講解為主的教學(xué)模式，一方面不能很好地調(diào)動(dòng)同學(xué)的學(xué)習(xí)愛好和主觀學(xué)習(xí)動(dòng)力；另一方面老師的講解簡(jiǎn)單流于程式化，使課堂氣氛缺乏活力，難以在授課的過程中真正熬煉同學(xué)的創(chuàng)新性思維力量。

1.3考核方式固化，綜合素養(yǎng)培育缺乏

目前“嵌入式系統(tǒng)”課程的考核方式普遍為“平常成果+期末考試成果”的方式，而占有較大比例的期末考試一般實(shí)行紙質(zhì)試卷考試。這種傳統(tǒng)的考核方式結(jié)構(gòu)僵化，忽視了同學(xué)對(duì)學(xué)問的把握及綜合應(yīng)用力量的評(píng)價(jià)反饋，不利于提高同學(xué)解決工程問題的力量。

2“嵌入式系統(tǒng)”教學(xué)改革與探討

針對(duì)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(duì)“嵌入式系統(tǒng)”課程教學(xué)進(jìn)行改革，詳細(xì)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。面對(duì)“新工科”人才培育，以同學(xué)綜合力量提升為目標(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(píng)價(jià)反饋〔考核方式〕改革等手段，圍繞“以同學(xué)為中心”的理念與宗旨，最終實(shí)現(xiàn)本課程在人才培育中所發(fā)揮的實(shí)際效用，提高同學(xué)的工程實(shí)踐力量及創(chuàng)新力量。

2.2課程內(nèi)容與課程資源建設(shè)

面對(duì)“新工科”人才工程實(shí)踐力量、創(chuàng)新力量所對(duì)應(yīng)的學(xué)問體系，梳理“嵌入式系統(tǒng)”課程的學(xué)問點(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(duì)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(píng)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?gòu)脑O(shè)計(jì)方法學(xué)的角度，講解對(duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)格定義與建模、性能測(cè)試驗(yàn)證的方法，要求同學(xué)把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(cè)試驗(yàn)證的完好設(shè)計(jì)流程與分析方法，培育同學(xué)面對(duì)不同領(lǐng)域的不同應(yīng)用進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的力量。②根據(jù)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(duì)詳細(xì)特定的芯片及軟件開發(fā)環(huán)境綻開。例如，處理單元的介紹將會(huì)從ASIC、通用途理器、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(shì)綻開，詳細(xì)的微處理器芯片〔ARM7〕的手冊(cè)會(huì)作為課程補(bǔ)充材料在課程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上公開，同學(xué)可以在課外自行閱讀。③針對(duì)每個(gè)類別的講授內(nèi)容，依據(jù)最新的技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行學(xué)問補(bǔ)充和擴(kuò)展。比方，在講授嵌入式處理器的時(shí)候，會(huì)讓同學(xué)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進(jìn)展趨勢(shì)，在課堂上先支配同學(xué)進(jìn)行小組商量和陳述，老師再進(jìn)行總結(jié)。如此支配既表達(dá)了基礎(chǔ)性，又表達(dá)了先進(jìn)性。

〔2〕在實(shí)踐課程內(nèi)容方面，將試驗(yàn)內(nèi)容分為硬件接口試驗(yàn)、程序設(shè)計(jì)型試驗(yàn)及綜合型試驗(yàn)3個(gè)層次。①硬件接口試驗(yàn)基于微處理器指令系統(tǒng)直接對(duì)嵌入式系統(tǒng)接口進(jìn)行操作，要求同學(xué)熟識(shí)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)學(xué)問。②程序設(shè)計(jì)型試驗(yàn)要求同學(xué)在加載了嵌入式操作系統(tǒng)的環(huán)境下，采納高級(jí)語(yǔ)言對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)潔的應(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，讓同學(xué)把握“系統(tǒng)”的概念，熟識(shí)嵌入式系統(tǒng)完好的設(shè)計(jì)流程。③綜合型試驗(yàn)側(cè)重于一些創(chuàng)新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)內(nèi)容可以來自老師的科研項(xiàng)目或者一些嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的案例，如智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)、便攜式心電監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)、智能小車設(shè)計(jì)等。通過“案例/項(xiàng)目”驅(qū)動(dòng)的實(shí)踐教學(xué)，使同學(xué)了解所學(xué)的理論方法和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)學(xué)問在實(shí)際中的應(yīng)用，培育同學(xué)分析和解決實(shí)際問題的力量和創(chuàng)新意識(shí)。在課程資源方面，開發(fā)課程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，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?；A(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(cè)，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(kù)：歷年嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)新大賽的獲獎(jiǎng)設(shè)計(jì)案例及老師科研團(tuán)隊(duì)的相關(guān)成果。通過這些課程資源的建設(shè)，激發(fā)同學(xué)主動(dòng)學(xué)習(xí)的愛好，拓寬同學(xué)視野，進(jìn)一步穩(wěn)固對(duì)課程內(nèi)容的把握。

2.3教學(xué)模式及教學(xué)策略改革

“新工科”背景下工程力量培育不是單一學(xué)問點(diǎn)的疊加，而是全面的綜合力量培育，是對(duì)創(chuàng)新、實(shí)現(xiàn)、合作和問題解決力量的綜合素養(yǎng)培育，原有的培育模式難以到達(dá)“新工科”背景下的人才培育目標(biāo)[4]。因此，課程教學(xué)模式改革旨在探究以工程案例為核心的問題導(dǎo)向式、發(fā)覺式、啟發(fā)式、商量式及翻轉(zhuǎn)課堂式教學(xué)方法，致力于培育同學(xué)主動(dòng)學(xué)習(xí)的力量，形成“以同學(xué)為主體，老師為主導(dǎo)”的教與學(xué)模式，提高同學(xué)發(fā)覺問題、分析問題、解決問題的力量。詳細(xì)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)合詳細(xì)案例設(shè)計(jì)，有重點(diǎn)分層次地進(jìn)行講解并描述。比方，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)講解并描述如何采納中斷技術(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?gòu)闹袛嗾莆掌骷拇嫫髋渲谩⒅袛嘞蛄吭O(shè)置、中斷程序編寫、中斷信號(hào)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)合詳細(xì)案例設(shè)計(jì)適時(shí)向同學(xué)提出問題，啟發(fā)同學(xué)思索和商量。比方，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四周環(huán)境狀態(tài)信息實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作的問題，并讓同學(xué)以分組的形式進(jìn)行方案商量，鼓舞同學(xué)主動(dòng)參加，提出不同的想法，老師再依據(jù)同學(xué)商量方案提出具有典型性的可行方案進(jìn)行講解，最終由同學(xué)自行完成驗(yàn)證。

2.4考核方式改革

傳統(tǒng)的考核方式不注意同學(xué)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(duì)工程人才培育的要求。因此，在課程考核方式改革中突出對(duì)同學(xué)自學(xué)力量、應(yīng)用力量和制造力量的考核，完善傳統(tǒng)單一的考試評(píng)分方法，加強(qiáng)形成性評(píng)價(jià)，從課堂練習(xí)、課堂商量陳述、課下作業(yè)、項(xiàng)目設(shè)計(jì)、試驗(yàn)操作等多個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)同學(xué)進(jìn)行綜合考核，實(shí)現(xiàn)對(duì)同學(xué)學(xué)問綜合運(yùn)用力量的考核，并依據(jù)考核結(jié)果對(duì)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(píng)價(jià)體系。針對(duì)“嵌入式系統(tǒng)”課程內(nèi)容支配，設(shè)置課程的考核方式可由“平常成果+試驗(yàn)成果+期末成果”組成。其中“平常成果”占總成果的30%，包括課堂練習(xí)、課下作業(yè)的完成狀況，以及每一次課堂商量中同學(xué)的參加度和表現(xiàn)狀況。“試驗(yàn)成果”占總成果的40%，考查同學(xué)每次試驗(yàn)操作和試驗(yàn)報(bào)告完成狀況?！捌谀┏晒闭伎偝晒?0%，取消傳統(tǒng)的期末筆試，采納考查同學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)完成狀況代之。詳細(xì)來說，可在整個(gè)課程期間，依據(jù)老師提出的選題或者結(jié)合同學(xué)自己的科創(chuàng)活動(dòng)，要求同學(xué)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)