国际化模式结合本土案例实现嵌入式系统教学

池涛 陈明 沈晓晶 周汝雁

[摘要]以嵌入式系统课程教学入手，探讨了国际化教学模式和本土案例驱动相结合的课程建设。通过引入国际化教学模式，将嵌入式系统原理及设计方法付诸于设计实践，并在关键设计中加强本土案例的设计实践，从而为学生提供了最先进技术的指导及对照。同时，借助网络上海量的教学资源，结合课堂设计理论教学构成混合学习模式，探讨一种适合于外国留学生嵌入式课程教学的新模式。特别是针对嵌入式系统全英语教学过程中出现的问题及不同的学生对象，以建构主义教学理论为依据，建立课堂教学和学生实践相互融合的教学体系。

[关键词]国际化教学；混合学习；建构主义学习理论；教学模式；嵌入式系统

[中图分类号]G642.0[文献标识码]A[文章编号]1005-4634（2018）01-0075-05

0引言

随着嵌入式系统的应用范围越来越成熟，人才需要量也越来越大，国内各大高校及科研院所都积极开设了嵌入式课程。不同于计算机专业传统课程，嵌入式课程作为一个新兴课程体系，存在的问题已经引起了教育工作者广泛的关注[1，2]，一方面，国内大部分院校仅将其作为一门普通应用技术型课程，没有意识到嵌入式技术已经引领了后PC时代，该课程在国外已经形成了一个课程群。在国内，由于该课程的内容多、课程少的特点，教师教授内容基本是基于具体特定的芯片（如ARM7）以及与其对应的软件开发环境，放弃了嵌入式系统理论和嵌入式设计方法的研究，从而造成了学生针对嵌入式系统的理论基础差、分析解决问题能力弱。另一方面，嵌入式系统作为专业必修或专业选修课程，开设该课程的国内各大院校普遍不重视实践环节，考核单一，学生选取该课程也多为了学分。脱离嵌入式设计技术的嵌入式系统课程造成了国内学生缺乏动手能力，更无创新意识，得不到企业的青睐。

嵌入式系统最早源于英国，发展于美国，目前最先进的嵌入式技术都掌握在美国等发达国家手中，成型的设计理论及产品几乎都来自国外。嵌入式系统的前沿技术几乎都是由英语进行描述。国外嵌入式课程更注重学生嵌入式系统设计理论和技术方法的讲授，培养的学生更受企业的重视和欢迎[3]。而我国的嵌入式系统研究及教学多直接生搬硬套国外的教育理论和案例，包括课程设计及相关教材，这就使同一门课程不同学校培养的学生差异巨大[4]。笔者以嵌入式系统设计原理为牵引，分析并研究国外嵌入式课程教学过程和对象，结合本土科研项目案例构建嵌入式系统设计的全英语教学环境[5，6]。同时，借助网络上海量的教学资源，结合课堂设计理论教学构成混合学习模式，探讨一种适合对外国留学生进行嵌入式课程教学的新模式，特别是针对嵌入式系统全英语教学过程中出现的问题及不同的学生对象，以建构主义教学理论为依据，建立课堂教学和学生实践相互融合的教学体系模式[7]。

1国外嵌入式教学模式的本土化构建与实践

1.1UTD嵌入式教学模式

德克萨斯大学达拉斯分校（The University of Texas at Dallas，簡称UTD）的Erik Jonsson工程学院的前身是世界三大芯片生产商德州仪器（Texas Instrument）的一个研究所，目前每年都收到Texas Instrument公司大量科研项目和资助。学院在其下设的计算机科学系、电子工程系、计算机工程系均开设了嵌入式系统相关课程，课程包括“Micro-electromechonical System”“Semiconductor Design and Manufacturing”“Systems Engineering”等。课程教学内容大部分来自于已经完成的研究项目和科研成果，是对相关实际项目的提炼、总结和归纳。虽然所有项目涉及不同的应用领域、不同技术，但是课程讲解并不是散乱成每个技术报告，而是凝聚在嵌入式系统设计原理及方法中。课程通过建模方法将所用到的项目进行提炼，建立精确的数学模型，将设计过程进行规一化处理，具体如图1所示。

UTD嵌入式课程教学非常注重实践教学，实践教学过程包括模型设计、整体功能描述、软硬件协同设计、系统级合成、系统测试，具体如图2所示。课程实践从纯软件设计过渡到硬/软件结合设计，特别强调创新的重要性，注重基本训练与创新能力的培养。

1.2本土化构建与实践

自2015年将嵌入式系统设计作为上海市全英语授课示范进行建设以来，笔者开展了国际教学模式本土化实践与研究，取得了一些经验和成果。UTD嵌入式课程教学模式的实质是将科研与教学相融合，对科研项目和成果进行归纳总结，运用建模方法进行嵌入式设计理论和方法提炼，再运用到实际项目设计中，整个教学过程强化了“基本原理、方法、建模、案例”4个要素的统一。

嵌入式课程改革本着UTD的“基本原理、方法、建模、案例”4要素合一的教学模式，借助上海海洋大学计算机硬件教学团队建设，引入模块式一体化教学，进行了嵌入式系统课程本土化实施，具体如图3所示。首先，教学内容的构建。考虑到计算机硬件系列课程构成了计算机系统知识中物理结构及体系结构的完整知识模块，从全局角度按照知识单元和知识点进行更深程度的细化和分类，并逐一整合，以知识点为最小知识粒度，构建整个计算机硬件体系结构及教学内容，课程群包括《数字逻辑与数字系统实践》《计算机组成原理》《单片机与接口技术》《计算机体系结构》《嵌入式系统设计》。可以按照知识单元进行细化和分类，并逐一整合。这样既可以更好地协调教学中的各门课程，又保证了硬件课程体系的整体性和系统性。为确保硬件课程教学内容不过时，通过专题讲座、小组讨论形式，动员学生极积参与，主要让学生了解硬件系统的新技术和新进展，增加学生的学习兴趣，开阔视野。其次，课程是组织教学最主要的手段，UTD本土化课程建设就是以体系结构为导向，建立以本土化项目和成果为基础的嵌入式系统课程案例。UTD教学模式注重学生主动学习的过程，强调教师教授嵌入式设计方法重于传授嵌入式知识，促使学生在原有的知识上发展出新知识，并把新知识转化成自身技能。通过引入UTD教学模式，建立了嵌入式系统课程反转课堂教学模式。教师在课程中以学生为中心，鼓励对同一问题作不同解答，并与学生一起探索问题的不同假设，由学生完成实验验证，鼓励学生做真正的设计者。再次，笔者所在教学团队提出一种新的混合教学模式，即“课堂教学+线上复习”混合教学模式，具体如图4所示。课堂教学采用多种教学方式。除采用案例式教学方式外，还采用了启发式教学方式，通过设置疑点、提出悬念来激发学生探求知识的欲望，培养学生敢于提出问题、积极思考问题的良好习惯。此外，还借助网络上海量的教学资源，完善了混合教学全过程。为了保证混合教学不流于形式，在课程前导期，教师将整个课程的教学计划、教学目标告知学生，学生在助教指导下完成各自的嵌入式设计方案，借助线上教学资源进行自主学习，完成自己的设计报告。为充实实践项目的教学内容，结合历年上海市大学生创新大赛的设计方案，建立相关备用芯片的资料库，用嵌入式系统设计案例的形式供学生分析，强化学生实践设计能力。最后，改变单一考核方式，从阶段实验、结课实践、理论考试三方面对学生进行综合考核。

2典型本土化案例

经调研发现，上海市各高校的全英语教学示范课程对全英语教学能力的重视远远高于本土化案例建设。然而，必须清楚地认识到本土化案例建设才是课程关键所在，才是外国学生学习该课程的原始驱动。课程案例虽然来自于科研项目，但是完全不同于项目设计，需要经过提炼、建模、总结等大量工作。为了体现嵌入式系统的设计原理，笔者及所在教学团队采用“打碎重装”“抽像化设计”分析提炼教学案例。

如“温室控制节点设计实例”，其来源于已经完成的国家863项目“温室无线测控网络关键技术研究与系统集成”。笔者及团队选取其中控制节点设计作为研究对象，具体如图5所示，在项目设计过程中，强调嵌入式系统整体设计，包括处理器选型及设计、传感器选型及设计、输出控制选型及设计等。然而，作为教学案例，这些远远不够，需要增加许多设计环节，包括运用建模工具进行数据建模、设计控制模型、运用具体控制器建立温室控制系统等。

具体设计包括四步：第一步，确定被控对象，包括控制器、执行器和温室植物三部分。第二步，模型设计，包括控制目标函数、植物模型等，控制目标函数可以根据温室中不同的植物进行自行设定，植物模型作为控制参数调整控制策略；执行器包括控制温室温度的各项控制单元，包括控制帘幕的开闭、控制温室侧窗的开闭、控制加热装置的开闭、控制制冷装置的开闭等。第三步，控制器的具体设计，包括：（1）开发一个温室控制模型（develop a model of the plant）；（2）开发一个控制器（develop a controller）；（3）分析控制器参数（analyze the controller）；（4）权衡系统扰动（consider disturbance）；（5）判定系统性能（determine performance）。在这个案例中，控制模型、控制器和扰动是决定系统性能的重要因素。整个设计的重点和难点是控制器设计。通过数学建模，设计一个简单线性函数，采用线性比例控制器作为控制核心。第四步，基于时间序列进行系统扰动和时延的分析。通过对输入、输出及比例系数分析，给出系统稳定的临界点，避免系统振荡。

类似的本土案例有7个，都是由具体项目总结形成，并以建模的方法提炼，使得所有案例既能反映嵌入式系统设计理论，又能体现具体的解决方案。

3结束语

嵌入式系统课程国际化教学模式本土化，本质上就是吸收国外先进教学思想，不断丰富先进的嵌入式系统理论和技术。在嵌入式系统设计教学期间，通过科研带动教学实践，可以增加许多较为实用的设计案例，特别是针对研究生的教学，通过将研究生的研究方向与嵌入式系统设计有机融合，加强科研能力、科学思维的培养。经过几轮教学，笔者发现实验教学对学生的理论基础和实践能力要求非常高，不但需要学生掌握多种编程语言（C语言、HDL语言等）、计算机组成原理、操作系统等课程，而且要有探索精神、解决问题的能力和动手能力。同时，也对教师提出了更高的要求，教师不仅需要娴熟的焊接技术，还需要精通项目开发，以引导学生完成项目。从实验效果来看，这种教学模式改观了学生对嵌入式系统的认知，使学生学会了将理论知识应用到实际当中，在大量自己动手的过程也提高了学生的学习积极性。與传统的嵌入式系统教学相比，学生各方面的提升都是巨大的。

参考文献

[1] 杨晓.国外教学思想本土化：背景、特征与理路[J].山西师范大学学报（社会科学版），2012，39（4）：152-156.

[2] 陈乃金，周鸣争.“嵌入式系统”课程教学的设计[J].合肥学院学报（自然科学版），2008，18（4）：82-89.

[3] 汪沛.嵌入式系统教学的改革与实践[J].实验室科学，2011（12）：70-73.

[4] 陈威.项目化教学模式在嵌入式系统开发实验中的应用[J].实验室科学，2011（6）：162-165.

[5] 俞建新.略论嵌入式系统的实验教学[J].实验室研究与探索，2006（7）：739-745.

[6] 池涛.西部地区计算机组成原理实验教学的困境与改进[J].教学研究，2015，38（5）：92-95.

[7] 池涛.全英语嵌入式系统教学改革. 2017年发展报告[M].上海：上海人民出版社，2017：112-115.