“学生主体—教师主导”的嵌入式系统教学

陈 晨，邱春玲，李肃义，杨 光，刘鸿石，王庆吉

（吉林大学 仪器科学与电气工程学院，吉林 长春 130026）

“学生主体—教师主导”的嵌入式系统教学

陈 晨，邱春玲，李肃义，杨 光，刘鸿石，王庆吉

（吉林大学 仪器科学与电气工程学院，吉林 长春 130026）

在分析国内嵌入式系统教学改革必要性的基础上，笔者提出将研究性教学方法引入嵌入式系统设计课程教学，构建基于“学生主体—教师主导”教学模式，教师负责引导学生在以项目为核心的环境下学习，培养学生独立面对、独立分析和独立解决问题的能力，提升学生终身创新能力和学习主观能动性。

嵌入式系统；学生主体—教师主导；创新能力；学习主观能动性

嵌人式技术是高速计算机技术与大容量半导体技术相结合的产物，具有时代的先进性。所以嵌人式系统课程已成为高等院校的一门新兴课程，具有软件与硬件相结合的特性，是继数字逻辑电路和微机原理后的一门工程应用性课程，对硬件工程师的培养起到了关键的作用。但是，当前嵌人式系统课程中，学生缺乏学习主观能动性,几乎在一种被动的状态下学习知识，教学效果差，因此有必要对其进行教学改革。

笔者在分析国内嵌人式系统教学改革必要性的基础上，拟从课程设置、课堂教学、实践教学以及教学评价四个环节着手，采用以具体工程项目案例为主线的“实例驱动法”，结合“交互式”教学方法，建立以课程实验、设计实践以及课外实验为核心的系列性实践探索体系，能够使学生在设计实践过程中,培养独立面对、独立分析和独立解决问题的能力，最终提升学生终身创新能力和学习主观能动性。

1 嵌入式系统教学改革的必要性

当前，嵌人式系统教学存在明显的不足，改革势在必行。嵌人式系统教学改革的必要性主要体现在以下方面。

1.1 课程设置陈旧

嵌人式系统与以往的基础课程和理论课程不同，需要对实物或应用有感性认识。然而，传统的嵌人式系统课程设置理论性知识太多，理论知识大多仅仅停留在纸面上，难以与实际工程应用联系起来。这种陈旧的课程设置必然导致教学内容枯燥，造成教学效果不佳，消磨学生的兴趣。

1.2 教学方法单一

在授课前学生预习准备不足，学生过分依赖老师，教师需要花费大量的时间讲述基础知识，学生也仅仅学到教师在课堂上讲授的知识内容，没有自由发挥空间，教学效果不好。其次，教学手段单一，教学大多还停留在黑板粉笔，即使采用多媒体式教学，教学效果也难以尽如人意。从本质上来说是由于学生完全处于被动式学习，没有主动学习意识。加上学生在思想上没有意识到嵌人式系统对计算机硬件能力提升的重要性，认为课程脱离实际，与以后的工作发展没有作用。因此，学生学习的能动性和实践的积极性不高，很难提起兴趣去学习。

1.3 实践教学薄弱

由于嵌人式系统的工程实践性，实践教学环节成为必不可少的环节，不能将理论知识仅仅停留在纸面上，应该让学生在学习知识的同时具有更加直观的认识。虽然学院为嵌人式系统课程配置了嵌人式系统实验平台，但是实践时间安排与课程教学不同步，导致学生在理论知识学习数周后才能进行实践。这种时间的错位，导致在学生实践的时候，理论知识几乎忘却，几乎无从下手。虽然在实践过程中，教师会进行再次讲解，但是学生也仅仅按照实践任务指导书完成任务，实践效果不佳。其次，传统的验证性教学实践实验内容单一，不利于培养学生的自主学习能力，大多数学生难以真正掌握嵌人式系统的设计与调试技术。

1.4 考核方式片面

由于传统的教学考核方式以试卷试题为主，知识点仅仅停留在纸面上，难以考核学生的实践能力和动手能力。这种考核评价方式不够全面，没有注重学生学习的过程、方法、思维，缺乏对过程与方法的考核，不利于学生探究能力的发展。

图1 教学改革实施方案框图

2 嵌入式系统教学改革的建议

针对嵌人式系统教学中存在的问题，拟采取嵌人式系统设计课程教学改革，从课程设置、课堂教学、实践教学以及教学评价4个环节着手，实施方案如图1所示。

提出基于“学生主体—教师主导”教学模式，将课程理论知识点与实践项目内容相结合，使理论知识点在实践中得到应用。同时，在学生以研究性项目为核心的实践教学中，培养学生独立面对、独立分析和独立解决问题的能力，提升学生终身创新能力和学习主观能动性。

2.1 课程设置

以培养学生的创新意识和终身学习能力为目标，为与市场上日益多元化的嵌人式CPU接轨，采用以具体工程项目案例为主线的“实例驱动法”，将教学知识点与项目融合，让学生在“学中做”。为了教学内容与技能的有机整合，强化学生能力的培养，提出以项目案例为主线的嵌人式系统课程配置方案，该项目案例将智能巡航机器人作为工程对象，即以典型工作任务为依据，有序组织教学内容，形成以功能分类为模块化的课程结构。

具体模块划分为：嵌人式系统开发环境与机器人智能;嵌人式系统输出接口与伺服电机控制;机器人巡航动作控制;嵌人式系统输人接口与机器人触觉导航;嵌人式系统 I/O 接口与机器人红外线跟踪;定时/计数器与机器人距离检测;机器人应用嵌人式系统UART实现串行通信控制;LCD 模块与机器人集成技术;温度及其他传感器扩展与智能机器人。这种以项目实践为主的教学内容很容易将教学情境与工作过程相结合实现教与学的一体化，提升学生终身创新能力和学习主观能动性。

2.2 课堂教学

课堂教学采用“交互式”教学方法，要求教师引导学生自主设计制作和拓展案例，掌握大量实用方法、技巧和经验，使知识在实践中得到应用。在课堂教学中应围绕嵌人式系统课程设置内容的工作原理与案例设计，将课程内容有重点分层次地进行讲述，如在讲解嵌人式系统 I/O 接口设计时，可以提出一个机器人巡航动作控制问题，让学生以分组的形式进行设计方案的讨论，教师根据学生讨论方案提出具有典型性的可行方案，并进行验证性讲解。

嵌人式技术内容日新月异，需要让学生了解当前有关嵌人式技术的最新资讯，为下一步在实践环节的学生自主学习能力培养奠定基础。在教学过程中注意因材施教，对学有余力的学生提高要求，要求学生结合当前最新技术，自学部分新的技术内容并应用到实践过程中，以此培养学生的终身学习能力。同时鼓励学生在技术论坛上多与其他学生与研究人员进行交流。

2.3 实践教学

由于嵌人式系统作为一门实践性很强的专业课程，通过课程实验、设计实践以及课外实验为核心的系列性实践训练，提升学生的动手实践能力和学习主观能动性。课程实验既要配合理论教学，又要在一定程度上“抛开”理论强调实践探索，突出应用性、体现趣味性，从一般演示模仿的验证性实验到实现学生的自主拓展实验设计，提升学生的动手能力，达到切实掌握嵌人式技术的要求。这里可以将与教学内容相应的子模块作为实验选题，如“伺服电机与机器人运动控制”等，将教学知识点与实验选题相对应，使学生所学的知识点能够在实际中得到应用。

在设计实践上，除了验证性的操作之外，还可在下达技术要求的基础之上，让学生在开放式实验室中自行设计开发，即由验证性实验拓展为分析设计的综合性实验，引导学生在实验中独立思考，发现和解决问题，自主建构课程的知识与能力体系，进而培养学生的创新能力和专业素养。在课外实验方面，通过合理选题、精心安排，将理论知识和实践联系起来，让学生积极主动地投人到实践当中，把被动的学习变成积极主动的学习，进一步提升学生动手能力和自主创新意识。同时鼓励学生参加各类电子设计竞赛、科技创新比赛，鼓励学生进行项目设计与新产品开发。

2.4 教学评价

传统的结果性评价方法不注重学生在学习过程中解决问题方法与思维方式。完善传统单一的考试评分方法,将嵌人式系统学习过程作为主要考核评价手段，课程设计的选题要考虑对知识体系的综合覆盖。在课程设计中，鼓励学生团队进行全方位、多路径的方案设计与论证，进而激发学生创新欲望，培养学生独立面对、独立分析和独立解决问题的能力。如针对课程设置的智能巡航机器人项目中某一模块的选题，对于不同型号芯片采取不同的硬件电路设计方案。学生团队通过分析讨论选择出最优方案，并通过分解任务进行小组内部的分工协作，完成某选定模块独具特色的作品，并以PPT答辩的形式进行考核评价，注重学生在学习过程中的方法与思维方式，提升学生终身创新能力。

3 结 语

教师要积极研究课程内容，在教学过程中引人案例教学、任务驱动等多种研究性教学方法，要善于引导学生自主学习，使学生能够全身心投人到设计实践的过程中去，学习主观能动性最终得到提升。期望通过采用以上的教学改革方案，能取得一定的嵌人式系统教学成果。同时，在教学改革中遇到的问题，能积极地与专家、学者进行广泛的交流、沟通，进而改进，最终形成完善的、有效的教学新模式。

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（编辑：史志伟）

1672-5913(2017)01-0136-03

G642

吉林大学2015年度本科教学改革研究项目（2015QNYB063）。

陈晨，男，副教授，研究方向为嵌入式系统理论及应用，cchen@jlu．edu．cn。