培养实践动手能力的嵌入式系统教学方法改革

李亚兰，陈 淼，李 翔，曹菊英，陆汝华，姚 敏

（1.湘南学院 电子信息与电气工程学院，湖南 郴州 423000；2.湘南学院 软件通信工程学院，湖南 郴州 423000）

0 引 言

嵌入式系统广泛应用于工业控制、移动设备、通信、汽车和游戏等众多领域，是电气工程及其自动化、电子信息科学与技术、计算机科学与技术和光电信息科学与工程等专业的一门重要专业课。嵌入式系统课程具有很强的工程性、系统性和应用性，该课程将操作系统原理、应用程序开发与调试、硬件结构和接口驱动设计等多部分内容融为一体，课程难度大。嵌入式系统需要结合有强大计算能力的微处理芯片（如ARM）和针对这些微处理芯片伴生的各类综合开发平台（如MDK、Keil、ADS、RVDS 等），需要进行操作系统移植（LINUX 的移植）和用户应用程序的开发，并完成应用程序的编译、仿真、下载、调试等一系列的操作，涉及的知识点非常广泛，实践性强[1]。

1 嵌入式系统教学现状

1.1 内容丰富但学时受限

嵌入式系统包括的内容非常广泛，既包括理论，又包括实践，涵盖了软件、硬件以及系统开发技术等内容，而当前嵌入式系统普遍被作为一门课程，学时十分有限。学生没有经过一系列先后有序的嵌入式系统相关课程的学习，如嵌入式系统导论、ARM 处理器体系结构、现代嵌入式操作系统、嵌入式软件分析设计、嵌入式系统应用开发等，会直接导致大部分学生在学习完嵌入式系统课程后只能获得笼统的表层理解，实际动手操作显得十分困难[2]。

1.2 重理论、轻实践

目前，嵌入式系统课程开设的理论与实践学时比重普遍为2：1 或更高，理论学时明显超出实践学时。另一方面，开展以讲授为主的理论教学所需要的条件相对简单，而实践操作涉及更多的硬件平台，特别是在教学资源紧缺的情况下，实践教学难以开展，且得不到重视。当前教师处在重视理论学术研究的氛围当中，部分教师对嵌入式相关理论掌握得较为深入，对于实践环节的研究相对较少，使得实践教学的师资不足。

1.3 理论与操作分离

嵌入式系统理论教学通常在教室进行，主要以教师讲授、黑板板书和PPT 展示等方式呈现。实践教学通常独立地在实验室进行。由于嵌入式系统课程具有很强的应用性、综合性特征，理论与实践的分离增加了理解的困难，打击了学生的自信心，抑制了学生的学习积极性。

1.4 缺少工程性实验

嵌入式系统实验多在实验箱上完成，学生在没有了解整个系统运作的基础上，仅仅是按照实验指导书的操作一步步进行，最终验证一下结果，整个过程缺乏主动性和探究性。实验内容呈现出单一分立、知识关联性不强的特征。系统的工程性综合性实验内容较少，不利用于培养学生综合开发的实践能力。

2 培养实践能力的教学方法改革

2.1 采用翻转课堂增加隐性操作学时

嵌入式系统涉及的知识体系庞大，为了在有限的学时中快速理清知识点的主要脉络，充分利用宝贵的面对面课堂时间培养学生的实践动手能力。嵌入式课程教学结合了视频录制软件camstudio9、超星尔雅和雨课堂等相关的信息技术手段，采用线上线下的混合教学方法。将传统课堂中的知识点讲授移到课前，传统课堂的课外练习移到课中[3]。学生课前通过手机、电脑等终端设备，可以随时随地登录超星尔雅平台观看微视频，快速了解该节知识点的整体概貌和基本要素，并完成相应的测试题目，达到知识点简单复现和应用的目的。对于不明白的要点和问题，学生可以通过网络平台进行线上交流讨论。有能力有兴趣的学生还可以选择扩展阅读，以了解嵌入式系统相关前沿技术和发展动态。对于有遗忘或理解不深的知识点，学生可以反复观看视频进行巩固和深入理解。在线下课堂，教师根据学生线上学习情况，先对本节知识点做简短的总结梳理，然后抛出有针对性的问题，引导学生进行探究活动。采取学生独立探究与分组合作的形式来寻找问题解决方法，注重培养学生的批判性思维与合作精神，根据问题的解决方法指导实践操作过程。由于嵌入式系统课程的特殊性，多数问题需要动手操作。本课程的学习时间均要求学生自带笔记本电脑，利用全校覆盖的WIFI 网络，及时查询问题解决方案，下载源码等相关资料。通过具体的动手实践环节内化本节知识点和提升学生综合应用能力，培养学生开发工程项目的科学素养。比如，Linux 系统的安装，学生通过制作安装盘或在线安装的方式，完成Linux 系统的安装过程。在操作中进一步理解Linux 系统下的分区和挂载，体验Linux 系统与Window 系统对文件、硬盘和外部接口设备的不同管理方式。要求学生对实践过程中遇到的问题和解决问题的思路与方法进行总结，反馈没有解决的问题，并在教师的引导和学生间的集体讨论中进一步完善解决。最后，教师对课堂活动进行总结，布置课外任务为下一次课做准备。

2.2 以项目组织教学，提高综合实践能力

项目制教学是“知行合一”的教学，具有很强的综合性、实践性[4]。嵌入式系统课程具有内容涵盖广泛、应用性强的特点。以往的教学过程仅仅能够完成对嵌入式系的部分知识点的讲解，没有形成整体效应，没有与操作相结合，以至于学生不明白当前所学内容与嵌入式系统的哪个步骤环节相关，有什么用处，实践起来思路不清楚，动手能力得不到提高。为解决这些问题，本课程采用具备完整环节的项目来组织教学，一个项目通常需要几周时间来完成。项目的选择以简单为主、复杂为辅助。通过一个简单的项目将各类知识点串联系起来，形成清晰的知识点脉络，快速建立学生的成就感，整个项目实施过程体现了工程教育的理念[5]；复杂的项目主要和科研前沿相结合，以拓展视野、提高能力为主要目的。开发贪吃蛇小游戏的项目如图1 所示，最终目标是在开发板上实现小蛇吃食物的不断循环的过程，直至蛇头碰到蛇身或墙壁后结束游戏。该项目整合了嵌入式系统开发流程中涉及的各个环节相关知识点，包括硬件电路原理图的设计讲解、处理器以及接口芯片性能特征、Linux 操作系统原理、系统定制与移植、驱动安装、应用程序开发与交叉编译、仿真和下载调试等。通过该项目的实现，学生可以快速了解到整套嵌入式系统开发流程，并对每个环节的知识点有个大概的了解，清楚了解课堂所学知识点处在开发流程中哪个部位，发挥了什么样的作用。做学相结合的环境，增进了学生的沉浸感，提高了学生理论结合实践的能力，极大激发了学生的学习兴趣。

图1 项目知识点示例

2.3 注重过程的成绩评定机制

课程的成绩评定规则对学生的学习活动起着导向作用，嵌入式系统课程的成绩来源分配如图2 所示，主要由线上学习任务包括视频观看、线上测验等。线下课堂表现包括到勤、答题、实践操作和线下课堂的合作表现，完成指定的工作数量和质量，主动合作意愿表现等，合作表现得分由小组成员互评。课外作业包括项目报告、调研综述、部分教材习题等。期末考试，从整体层面考查学生对嵌入式系统地掌握情况，可以为开放的课程设计或闭卷考试。嵌入式系统的评定规则意在鼓励学生积极参与动手实践活动、主动思考问题，增强学习和合作能力等。

图2 课程成绩分配

3 教学效果分析

嵌入式系统课程在湘南学院2015 级电子信息科学与技术专业和2016 级光电子信息科学与工程专业，分别采取传统黑板加PPT 的教学方法和线上线下混合教学加项目制的教学方法。2个年级学生上课表现区别明显，2016 级学生上课时积极性更高，学习兴趣更浓，参与答题的数量和质量更高，学生提问的深度增加。从图3 所示的2 个年级的最终成绩对比分析图中可见，2016级学生的整体学习效果有所好转，2016 级学生期末总成绩在90～100 分和80～90 分之间人数比例分为9%和25%，比2015 级分别高出5%和7%；2016 级不及格的人数比例为4%，比2015 级降低了4%。这说明改革后的教学方法能够对大多数学生的学习活动起到积极的作用。

图3 两个年级学生成绩对比

对2016 级学生进行嵌入式系统课程教学方法改革的部分问卷调查统计结果见表1。从中可见，64%的学生认为嵌入式系统课程学习的最大难点在于具体操作难以实现，23%的学生则认为最大难点在于知识体系太复杂；78%的学生认为线上线下混合教学能够帮助他们学习嵌入式系统相关知识，13%的学生认为帮助非常大；64%的学生认为嵌入式系统项目制教学能够帮助他们增强实践动手能力，29%的学生认为帮助非常大；小部分学生在开放性话题“对嵌入式系统教学方法改革的建议”中表示学习任务重，没有时间提前看线上视频，觉得操作太难了，跟不上老师和小组的进度，希望能多留些时间和空间给自己。大部分学生觉得混合教学方便了自己的学习，项目制教学形式给自己提供了操作的机会，增强了操作能力，提高了学习兴趣。

表1 调查的代表性问题结果统计

4 结 语

嵌入式系统课程涉及知识体系复杂，实际操作难度大，为此，对该课程教学方法进行了改革，采用了线上线下混合教学和项目制教学的方法。通过改革前后2 个年级的对比，发现改革后学生的操作能力、学习兴趣和学习成绩均有一定程度提高，但该方法的实施一定程度上需要学生主动配合，学生按质按量地完成线上学习是后续实践顺利进行的重要前提。有效管理和促进学生主动学习的内外机制还需要更进一步的完善和研究。