“嵌入式系统”教学生态环境的构建探索与实践

窦亚玲 周 龙 蔡美玲

（[1]湖南师范大学信息科学与工程学院 湖南·长沙 410081；[2]广州粤嵌通信科技股份有限公司湖南分公司 湖南·长沙 410000）

0 引言

2017 年，教育部推动了“新工科”发展战略。《国务院办公厅关于深化产教融合的若干意见》提出，要“适应新一轮科技革命和产业变革及新经济发展，促进学科专业交叉融合，加快推进新工科建设”。[1]“一方面设置和发展一批新兴工科专业，加强建设和提升质量；另一方面要推动现有工科专业的改革创新，探索符合工程教育规律和时代特征的新培养模式”。[2]对现有的教学课程体系与教学模式进行改革，构建可持续发展的教学生态环境成为重要环节。创新创业教育与产学合作协同育人项目的实施为构建多元主体协同育人的机制，促进产教深度融合、学校与企业联合发力培养具有创新精神、创业意识、创造能力与实践能力的人才提供了机遇与强有力的保障。

近年来，嵌入式系统技术在新信息领域飞速发展，嵌入式系统涉及的内涵与外延知识在不断迭代更新，多学科跨领域结构在逐步形成、多样化应用模式日新月异。新技术与新经济发展使得“嵌入式系统”课程的教学改革迫在眉睫。为培养具有可持续竞争力的创新人才，建立可持续的教学生态环境，重构课程体系与课程内容，升级考核标准。

1 嵌入式系统课程教学生态环境的构建方法

《教育信息化2.0 行动计划》指出，要推动新技术支持下教育的模式变革和生态重构，推进信息技术和智能技术深度融入教育教学全过程。[3]作者近六年一线教学实践中以计算机、软件等工科专业的教学计划与实施实际情况为切入点，将原有的理论与实践教学有机融合，构建出有机的教学生态环境模型，即从教材处理、课时重组、课程内容重构、教学体系同步工程体系、量化考核升级等不同点切入，画线成面构建可持续的教学生态环境。

1.1 可持续性教学资源生态环境构建

“嵌入式系统”是一门实践程度要求很高的课程，[4,5]技术日新月异，传统教材具有时间和空间的多重局限性。2015-2017我们采用的是ARM 920T系列芯片，当时市面教材仅仅只有讲原理没有针对性具体芯片模块的实操方案与程序代码，全部实操方案都是本文作者测试调试完成，费时费力。2018 年嵌入式工程师培训主流芯片升级换代成Cortex A系列，与此同时市场上STM32 成为轻量级嵌入式教学的首选。针对上述现状，我们结合企业实际开发环境的操作模式，教学中采用了官方数据手册取代传统教材，运用官方提供的固件库作为编程指南和案例工具，对于保障基础性知识、系统性原理、技术实时性进展以及操作技能类的知识由课程老师制作成视频与图文手册分享给学生。通过这些措施，传统的教材模式被动态的可持续发展的满足教学要求全覆盖的多元化教学资源信息生态环境取代。

1.2 通过课时重组的方法重构教学过程生态

校内课程多数以两课时为基本单元，而对于嵌入式这种实操性的课程，理论与实践是融合的，很难简单区分理论几个课时，实践几个课时。从2015-2019 五年线下教学到2020 线上教学，我们在一线教学过程中不断优化方案。六年实践表明，较优的课时安排是以4 学时为一个单元，其中每个单元设立一个独立的开发小项目，通过1 课时分析项目如何实施，涉及的理论知识点是什么，通过2 课时引导学生利用数据手册找到解决方案，最后1 学时以学生为主体编写代码在开发板上实现。4 学时连续单元的学习是连贯紧凑的，过程思维逻辑是严密流畅的。

涉及较为复杂的综合项目，比如智能小车、无人机、平衡车、智能医疗等项目，教学过程需要整合8 节或16 节的学时，利用1～2 个整天集中完成此类综合项目。传统的一周分散时间段的两学时的课时方案是无法做到保持学生学习兴趣完成实训项目的。

将教学计划中的理论与实验学时重组，促进了课内课外学习、作业、实验、实训、研讨、报告等多项学习任务时间上重组优化，构建出一种新的教学过程生态。

1.3 课程内容重构，同步工程化课程体系

嵌入式工程师课程体系通常涉及4 大进阶模块，从C 语言、数据结构、数据库等专业基础到Linux 操作系统的核心，再到主流ARM 芯片开发，最后是万物互联的智能工业控制、医疗、农业、娱乐等领域的经典项目实操。作为在大学三年级阶段的一门专业限选课，在庞大的嵌入式工程人才培养课程体系中需要重新定位第三模块也就是主流ARM 芯片开发。2018之后我们选用轻量化更经济的 ARM Cortex M4 系列STM32F4**芯片作为教学开发主流开发板，作为合作方粤嵌湖南分公司免费支持了3 年的设备。三年教学实践中我们对课程内容不断调整，做到与培养工程化人才的课程体系的同步，形成可持续发展的教学内容及更新体系。

1.4 校内常规模式与企业工程培训考核模式相结合构建立体考核生态

课程考核依然是最有力的学生学习促进手段，近年来，平时成绩与期末成绩的配比已经变成4：6。嵌入式课程的考核升级的基础是夯实的课程教学内容，满满干货。基于这个基础，提高课程考核标准升级课程考核生态：课程终结考试、实训报告、项目讨论、小组报告、实操演示等有机结合的多层次考核，每个考核环节引入了企业工程培训考核的指标，有的还邀请企业工程培训工程师参与考核。

2 嵌入式系统课程教学生态环境中关键实践方案

2.1 课程内容重构具体实施方案

（1）自主学习类：嵌入式发展概况类课程内容，老师给出关键词，学生查阅收集文字、视频、音频资料完成。课程学习群分享，不占用课上内容。

（2）ARM汇编学习类：软件工程与计算机专业培养计划中是没有汇编课程的，而对于底层开发工程人员汇编尤其是ARM汇编是必修，所以课程内容中这部分需要从基础语法规则到ARM 指令系统最后落脚在企业面试选拔编程要求，此部分占据30%理论课程内容。

（3）STM32 开发类：这个部分的内容分为两个阶段：一是直接对寄存器编程，二是进阶到基于固件库编程。第一个阶段是为了让学生理解底层寄存器工作方式，第二个阶段是让学生完全按照工程规范进行编程，固件库的使用，规范编程工具的SI 的使用，这些都是全面按照工程标准实施。课程内容被分装在LED流水灯、按键点灯、时延函数、蜂鸣器演奏、测距传感器、温控测量……直观容易激发兴趣的小项目中。此部分占据70%理论课程内容。

（4）综合项目类：这个部分以小组为单位每一届学生根据不同市场热点选用不同综合项目，比如2018 年我们采用智能小车利用红外感知自动循迹。2019 年我们加入手机蓝牙模块控制小车行驶，2020 年线上环境限制了我们的综合项目实施，2021 年我们将实施智能医疗或智慧交通类综合类项目。占据100%课程实践内容。

2.2 课程考核升级具体实践方案

日常打卡式考勤不再纳入课程考核分值，升级为4 学时基本教学单元必须提交一份实训日志，包括设计方案、实施步骤、效果视频、结果分析。发布在CSDN 或博客园，视频分享到主流视频学习网站如B 站学习区。占比20%。

综合类项目考核分小组，项目期间严格考勤；项目结果要求演示、竞技、答辩；评委由资深行业类工程师担任，现场打分。占比30%。

笔试考核参考企业面试标准，灌水无效。占比50%。

3 教学总结

“嵌入式系统”课程教改关键问题在于“与时俱进”，技术更新迭代太快，一块芯片板还不到物理损坏年限就已经被应用市场淘汰。因此，构建以学校为教学主体、融入上下游企业的新型可持续发展的教学生态环境，是保持这门课程生命力和优良教学效果的关键。2014-2020 六学年的教学一线实践中我们得到学生不同方面的优良反馈，取得了不错的教学效果。与此同时，提高了学生学习兴趣和热情，积累了大量的项目视频资料用于分享和评估，学生实操能力得到切实提高。有统计数据表明学生升学就业选择嵌入式系统方向的人数逐年上升。