基于目标驱动法的嵌入式技术课程教学改革探索

聂雄　陈华　黎相成

【摘 要】本文分析嵌入式技术课程传统教学存在的问题，探索基于目标驱动法、培养本科工程应用型人才为主要目标的嵌入式技术课程教学改革。

【关键词】嵌入式技术课程 教学改革 目标驱动法

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2016）11C-0070-03

随着信息技术的发展，各高校的电子信息工程、通信工程、电子科学技术等专业都开设了嵌入式技术课程，目的是为了使学生掌握嵌入式系统的硬件和软件设计技术，具备一定的实践经验，为毕业后从事嵌入式技术相关工作打下基础。嵌入式技术课程传统的教学方法大多侧重于基础知识、基本原理学习，经典的教材都是从基本原理到处理器内部结构，再到指令系统，再到内部接口及功能电路，按照这一模式进行学习，学生把大量的时间花在原理的学习上，实践的内容比较少，导致学完课程后可能连最简单的程序都不会调试，无法学于致用。

近年来，我国越来越重视本科生实践能力的培养，提出培养工程型本科人才目标，嵌入式技术课程作为电子信息类专业一门实践性较强的课程，若还采用传统的理论教学为主的教学方式，培养出来的学生很难适应社会的需求，因此课程的教学改革势在必行。我们采用目标驱动的教学方法，缩减理论教学学时，增加实践教学学时，教学过程制定一些具有一定难度的小设计题目，作为目标让学生选择，促使学生在完成小课题的过程中遇到问题、分析问题和解决问题，在实践过程中学习和掌握嵌入式技术相关的知识。

一、嵌入式技术课程传统教学存在的问题

嵌入式技术课程以往的教学中，理论课时36学时，实验课时9学时，以老师在课堂授课为主、学生实验为辅。理论课教师教授时，学生还没有机会接触实物，学生听课往往无法把理论和实际应用联系起来，听课积极性、学习的主动性都不高，随后虽然安排有实验，但9个学时的实验内容是统一安排在实验室并限定时间内完成的，通常以验证性实验为主，这种模式学生参照讲义内容，虽然能完成实验，但没有机会和时间对实验内容和软件设计方法等进行更深入的研究和思考，学习效果不好，收效不大，与实际应用脱节。

二、基于目标驱动法的嵌入式技术课程教学改革实践

所谓目标驱动，就是在学生对课程内容有一定了解的前提下，由老师拟定一些小设计题目供学生选择，学生可2-3人为一组，根据自己的兴趣选择一个题目来完成。为实现这一教学改革目标，我们从嵌入式芯片选型、教材选择、实验板选择、小设计题目拟定、学生分组形式、时间安排、中期考核、期终考核验收等多个环节进行了改革。

（一）嵌入式处理器的选型及教材的选择。嵌入式处理器有ARM、PowerPC、MIPS、ColdFire和386EX等多种不同系列的产品，其中以ARM系列的占的市场份额最大，因此嵌入式技术的学习通常是以ARM为基础的。而ARM系列又可分为ARM7、ARM9、ARM11、Cortex等众多不同的子系列，作为初学者面对众多的、不同的类型嵌入式处理器，一般只能选择其中一个系列来进行学习和研究，在掌握某一系列的相关技术后，如果实际工作需要，再去研究或使用其他系列的嵌入式系统也是比较容易上手的。

传统的嵌入式技术课程一般基于ARM7系列嵌入式处理来开展教学，典型的教材有周立功编写的《ARM嵌入式系统基础教程》，以LPC2100系列的微控制器为核心，介绍嵌入式系统的基本概念、ARM7的体系结构、指令系统、LPC2100内部结构和外围接口等，虽然内容翔实，但教材侧重于基础知识和基本功能模块的学习，没有太多应用实例，与目前社会上主流的技术也有所脱节。也有部分高校基于ARM9系列嵌入式处理来开展教学，典型的教材有袁志勇编写的《嵌入式系统原理与应用技术》，以S3C2410嵌入式处理器为核心，介绍嵌入式系统硬件工作原理与接口应用技术、嵌入式程序设计及嵌入式Linux基础应用，学习门槛比较高，涉及比较复杂硬件内部结构和Linux操作系统，作为电子信息工程专业而言，不太合适。

针对传统教材及嵌入式处理器选择存在的不足，结合电子信息工作专业特点，我们对嵌入式技术课程的教材进行了调整，选用目前流行的Cortex-M3系列ARM处理器进行介绍，教材则选择张洋、刘军等编写的《原子教你玩STM32（库函数版）》。其中Cortex-M3系列为微控制类嵌入式芯片，内部集成了CPU、IO接口和众多功能模块，也可称之为高性能的单片机，体积小、功耗低、成本低，且具有较高性能和可靠性的特点。我们所选的教材，其内容分为硬件篇、软件篇和实战篇等共三大部分，特别是实战篇部分，设置了近40个实例（实验）内容，由简单到复杂，循序渐进，引导学生从实践出发，慢慢掌握STM32为核心的嵌入式系统开发方法，同时配套光盘包含所有实例的完整源码，方便学生自主学习时进行实验验证及研究。

（二）实验板的选择。嵌入式技术课程是一门实践性很强的课程，与实际应用结合较为紧密，单纯的理论学习不利于学生对知识的理解和掌握，学生必须在实验、课程设计等过程中学会分析问题、解决问题的方法，在编程实践中掌握嵌入式技术的实际应用技能，才能在毕业后较快地适应嵌入式技术研究与开发工作。在课程时间安排上，学生动手实验的课时可以占总课时的2/3，可见实践环节的重要性。

实验板是实验或课程设计题目工作开展的硬件基础，选择一块合适的实验板，有助于学生理解和掌握嵌入式系统基本开发流程，并能在该硬件平台上完成更多的应用开发。

在进行教学改革之前，我们一直使用周立功公司ARM7系列的LPC2104实验板，该实验板ARM芯片的片内资源较少，引出的IO接口也比较少，实验板上扩展的外部电路也比较少，能设计的实验内容也相对较少。针对原有实验板存在的种种不足，我们选择了教材配套的“STM32战舰开发实验板”作为实验平台。该实验板以STM32F103ZET处理器为核心，具有超过100个可编程的GPIO供用户使用，板上还配置有外部Flash、外部RAM、TFT型LCD接口、触摸屏接口、摄像头接口、红外接口、键盘、LED等待数量众多的外部接口及电路，与教材内容完全配套，可对教材中近40个例程进行下载和验证，非常方便学生进行实验或设计。

（三）设计题目的拟定。如何制定设计题目是目标驱动法中很重要的一个环节，考虑到各个学生实际学习能力和水平会的差异，任课教师对所选的题目的难度要仔细斟酌、拿捏好尺度。如果拟定的题目难度过高，对于学习能力较差的学生而言，可能会不知道从何处下手，找不到思路，很难完成；如果拟定的题目难度过低，则对于学习能力较强的学生，可能不需要太多的努力，很轻松就完成了，学生的潜力没有得到充分的发挥，不利于他们学习能力的培养和实践水平提高，也不利于今后参加实际的项目研究与开发。为适应不同层次学生学习的需要，我们拟定的设计选题分为三个难度级别，每个级别1-2个题目，且不同难度级别的设计题目最高得分不相同，比如一级难度最高得分低于75分，二级难度最高得分低于85分，三级难度最高得分可达到95分，如果实际完成得很好的，可以超过95分。另外，对于第三级难度的题目，参考全国大学电子设计竞赛出题的形式，把题目要求分为基本部分和发挥部分，如果只选择完成基本部分时，相当二级难度，按二级难度来考核和评定成绩，如果同时完成了基本部分和发挥部分，则按三级难度来考核和评定成绩。这样学生就可以根据自己个人的实际情况，选择合适的难度级别的设计题目来完成，从而避免出现力不从心或者轻而易举的极端现象，每个学生都能在这门课上掌握一定的嵌入式技术知识，学习能力和实践水平获得一定的提高。

（四）学生分组形式。在开始进行题目设计工作之前，一般要将选课学生按2-3人一组进行分组，以便开展后续的设计工作。学生分组形式也会影响学生对于课程的学习效果，好的分组方式，同组同学之间可以相互促进，形成良好的氛围；不好的分组形式，可能不能很好地合作，不利于任务的完成。我们采用学生自由组合的方式来进行分组，所有选课同学以2-3人为一组进行组合，每组同学配发一块ARM开发板，开发板由各组的组长负责签领及保管。学生自由组合的分组形式的优点是：通常每个学生都会选择自己较为要好的、爱好兴趣相投的，或者认为学习能力比自己好一点的同学来进行组合，这样可以确保小组成员之间能够团结协作，相互促进，顺利完成老师下达的课程设计任务。

（五）时间安排。选课的学生中，除了个别学生提前接触或自学了ARM相关知识，大部分的学生都是刚开始接触ARM，对课程内容和学习方法不甚了解，所以课程学习分为三个阶段，分别是教师授课、实验验证、完成设计选题任务。第一阶段为教师授课，教师利用课程教学计划安排的理论课时，给学生讲解嵌入式技术的基础知识、ARM处理器的体系结构、嵌入式系统基本开发方法，并以较为简单的GPIO接口编程作为例子，介绍ARM的编程方法及开发工作软件的使用方法。通过第一阶段的学习，学生能够对嵌入式技术及实际设计有基本的认识。第二阶段为实验验证阶段，我们所选择的正点原子STM32教材的第三篇提供了数量众多的例程，且教材配套的光盘具有全部例程的完整源码，这些例程为学生实习和实践提供了很好的学习和参考，学生通过研究教材中实践部分内容中的例程，就可以了解ARM软件的框架结构和初步的软件设计方法。教材提供的实验例程多达40个，我们不可能要求学生全部都理解和掌握，在第二阶段，只要求学生选择其中的2个例程来研究，理解和掌握这个2个例程，并进行实验验证。第三阶段是完成小组选定题目的设计工作。

（六）中期考核。中期考核就是在学生完成了第一阶段和第二阶段的学习后，进行阶段性考核，中期考核的成绩占总评成绩的30%。以下是我们实际教学过程中，有关中期考核的要求和安排。

1.考核内容：每一组同学选择教材实践篇中的两个实验来进行验证（光盘中已经有参考例程），然后根据自己的理解，制作一个PPT，该PPT的内容包括实验名称、实验的内容、实现原理、关键代码、实验结果等。

2.考核方法：现场操作，完成实验验证；利用PPT讲解实验原理及方法。

3.考核时间：开课后第5-6周。

通过中期考核，学生建立了教材上的理论知识与实际应用的相互关系，基本掌握了基于STM32的嵌入式系统开发流程和方法。

（七）期终考核验收。考核环节必须严格把关，确保考核出学生实际的水平，才能倒逼学生平时用心去研究并完成所选题目的设计工作。中期考核和期终考核环节至关重要，是否能严格把关，直接关系到课程教学改革的成效。

学生根据第三阶段选定的目标，即设计题目，每个小组同学制订自己的工作计划，从分析设计题目开始，通过自觉、老师定时指导答疑等环节，学生掌握相关准备知识，然后制订设计方案。以正点原子的STM32实验为基础，外加适当的外部电路，从硬件设计、软件设计到基本功能模块调试，系统联调实现，最终综合合作完成设计题目。并在课程结束周，安排时间，集中进行考核验收。验收时要求提交课程设计作品1份和课程设计报告1份；每个同学独立演示（展示）设计作品，回答老师或同学的现场提问，教师根据完成情况进行评分，期终考核成绩占总评成绩的70%。

三、成效

2015年广西大学计算机与电子信息学院与广西广播电视技术中心开展嵌入式技术课程共建，邀请企业导师参加课程教学过程。在教学过程中，安排3个学时时间让企业工程技术人员给学生授课，介绍应用嵌入式技术的实际应用，以及广电中心基于嵌入式技术的研发课题。并请企业导师参与设计题目的拟订，结合企业需求，提供若干设计题目供学生选题。下一步计划将企业课题的开展带入毕业设计，拓展合作范围。企业的参与，更为有效地避免了理论与实践脱节，提高了学生的工程实践意识和学习热情与兴趣。

采用目标驱动教学方法后，每个小组拥有一块实验板，以完成设计题目为目标，加上具有丰富的例程，学生不需要等到实验课才有机会接触实物，而是随时都可以利用实验板进行设计题目的研究工作，学生参与的积极性高。同时，通过优秀同学的带动，绝大部分同学都能掌握嵌入式系统设计和应用的相关知识和基本技能，初步掌握基于STM32的嵌入式系统的硬件设计和软件开发方法，在参加全国大学生电子设计大赛、广西大学生电子设计大赛过程中，很多学生都能自觉地使用STM32来实现自己的赛题设计任务。

【参考文献】

[1]朱天元.浅谈嵌入式实验教学改革[J].教育科学，2009（24）

[2]胡威，郭宏，蒋旻，等.面向嵌入式系统的本科/研究生连续式课程建设研究[J].现代企教育，2014（22）

[3]黄福莹，黎相成，何华光.嵌入式技术课程的教学探讨[J].广西大学学报（哲学社会科学版，2007（S1）

[4]贺德强，刘旗扬，王勇.“微机原理与接口技术”课程教学改革方法研究[J].广西大学学报（哲学社会科学版），2009（S1）

[5]黄勇.计算机专业嵌入式技术方向课程体系的探索[J].农业网络信息，2010（11）

【教改项目】广西高等教育本科教学改革工程项目（2015JGA126）；广西高等教育本科教学改革工程项目（2015JGB123）

【作者简介】聂 雄，广西大学计算机与电子信息学院副教授，研究生学历，研究方向：嵌入式系统及应用技术。

（责编 卢 雯）