以实际应用为导向的嵌入式系统教学改革探索

谢家祖 张翠萍 张宝菊

摘  要：本文在总结嵌入式系统课程教学过程中存在问题的基础上，探索以实际应用为导向的嵌入式系统教学改革手段，提出面向实际应用的嵌入式系统教学改革方案，并在本科生实际教学过程中进行试用。一系列的教学改革手段，有效增强了学生对嵌入式系统课程的学习兴趣，激发了学生学习的主动性和创新性，提升了嵌入式系统课程的教学效果，同时也使得学生的嵌入式系统开发能力与企业需求实现良好匹配，体现出高校人才培养与社会需求的良好契合度。

关键词：实际应用;嵌入式系统教学;创新性;企业需求

中图分类号：G642    文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2020）44-0121-03

随着半导体技术的快速发展，各类新技术层出不穷，新需求也不断涌现，社会对嵌入式系统方面的人才需求也在不断增加，对嵌入式系统人才的能力要求也发生了改变。目前在开设“嵌入式系统”课程的内容设置、教学方式方法、课程考核方法与教学指导思想等方面，国内众多高校未能及时跟上新技术的发展步伐，人才培养未能满足社会发展需求，需要企业开展二次培训，这既增加了社会和企业的用人成本，也束缚了企业的创新能力。因此，高校有责任开展市场调研，并根据反馈结果对课程进行改革创新，以适应社会需求，服务社会。

一、当前嵌入式系统教学的问题

目前，国内众多高校电类相关专业都开设了嵌入式系统相关课程，嵌入式系统课程是一门多学科交叉课程，课程内容涉及计算机组成原理、计算机操作系统、C语言程序设计、ARM体系结构、数字电路、模拟电路、单片机及接口技术等课程。基于嵌入式系统本身涉及的课程众多、知识点的讲解需要综合多门专业课程的特点 [1]，目前国内高校在嵌入式系统课程教学过程中普遍存在以下问题。

（一）学生学习积极性不高

首先，嵌入式系统是一门综合性课程，需要学习多门专业基础课程，例如C语言程序设计、计算机组成原理、数字电路等。由于涉及基础课程较多，知识面分布较广，部分学生基础较为薄弱，或者知识点关联能力弱，导致基础知识不系统，在学习嵌入式课程时就自然而然存在畏难情绪，极大削弱了学习兴趣 [2]。其次，课程设置不合理，课程间衔接欠妥，例如，基础课程后置，导致开设嵌入式课程时，一些基础课程还未开设，使学生认为嵌入式系统课程难度较大。再次，教学过程中，部分教师的实践教学能力不足，工程实践能力欠缺，导致嵌入式课程教学偏重于理论讲解，学生未能顺利开展实验练习。最后，一些专业基础课程并不注重基础知识的实践应用，导致学生在嵌入式课程学习过程中难以熟练应用课程基础知识，尤其是在实践环节，很难运用学过的知识分析并解决实际问题，从而产生嵌入式课程难以理解的印象，学习积极性因此被削弱。

（二）教学内容老旧

嵌入式系统教学内容更新不能与新技术发展相适应，现行教材讲授的内容较为老旧，近年涌现出来的新技术很难纳入现行教学内容。究其原因，一方面，嵌入式系统实验教学平台、设备陈旧，大多基于C51系列单片机或ARM9 核的嵌入式微处理器，导致所学的内容不能满足实际工程应用开发的技术要求 [3];另一方面，嵌入式系统教学配套使用的实验设备一般较为昂贵，更新淘汰需要一定周期，难以做到大面积、高频率淘汰更新，导致教学内容更新较慢;再者，大部分授课教师与社会接触较少，对嵌入式新技术发展不敏感。嵌入式系统课程设计的新技术发展迅速，在教学过程中，教师需要把握前沿技术，适当对教学内容做出调整，例如，淘汰某些汇编语言编程的篇幅，引入嵌入式操作系统相关知识点。

涉及嵌入式系统的一些基础课程，也应对教学内容加以更新。根据行业发展的前沿应用场景，应适当做出调整，不斷增加现有知识点在新应用场景下的实践应用教学。教师可在教学内容中引入一些新知识点，并联系实际应用进行讲解，提高新知识点的趣味性，以增强学生的学习兴趣，同时也要适当删减传统知识点所占的课时比例，保证课时分配合理均衡。

（三）重理论轻实践

嵌入式系统是一门偏重实践的课程，但目前大多数学校理论课时是实验课时的两倍，理论课时明显重于实践。在理论课中，嵌入式系统的概念相对抽象，学生理解起来相对困难。在实验课上，学生能亲自动手验证理论课上难度较大的知识点。大部分学校嵌入式系统实验教学使用的是现成实验箱开设实验课程，学生做实验的过程，大多是对现成例程的验证过程，缺少自主编写程序、自主调试电路的环节，这也是学生不能深入学习嵌入式课程的原因之一。

使用实验箱系统，能方便教师教学，且配套有相应的例程和实验指导书。但是对于学生来说，会导致实验过程过于简单，达不到实验应有的效果，且实验箱系统不便于实时更新内容。若授课教师形成自己的嵌入式系统实验方案，一方面可以随时更新内容;另一方面也能较好地把控例程等实验材料，达到良好的实验效果。

二、以实际应用为导向的嵌入式系统课程改革方式

基于上述嵌入式系统教学现状存在的诸多问题，从实际应用出发，引入近年涌现的嵌入式新技术，对嵌入式系统课程进行改革创新，并以功能模块的形式导入嵌入式系统教学中，让学生在学习中直观接触新技术，增强学生学习兴趣，激发学习主动性，新技术的模块化可以屏蔽模块底层具体实现的复杂度 [4]，降低学习应用难度，嵌入式系统课程的改革可从以下几点入手。

（一）改革课程内容

高校应摈弃老旧型号的嵌入式处理器，选择目前广泛流行使用的ARM Cortex-M3嵌入式处理器作为课程讲解的核心，该处理器架构较新、参数性能较高、学习资料丰富，并以具体型号STM32F103处理器为核心设计实验板，核心板扩展所有IO资源，集成ISP电路，仅使用USB接口就能够进行嵌入式系统开发。在学校实验经费有限的前提下免费提供给学生，进而淘汰昂贵且不便更新的嵌入式系统实验箱，同时也方便学生在课堂之外进行自主实验，极大降低开发门槛，方便学生随时随地进行嵌入式系统学习，为学生创造良好学习环境和条件。同时为了增强学生兴趣，结合实际应用提供系列新技术扩展实验电路模块，例如：GPS定位实验、WIFI组网实验、蓝牙通信实验、LORA通信实验、TFT显示实验、图像获取处理实验、IOT物联等。学生能在完成嵌入式课程学习的基础上，参加挑战杯等学生课外竞赛活动。

（二）改革教学形式

基于嵌入式系统课程偏实践应用的特点，应改变以往教学步骤，以实例应用为导向。首先让学生直观接触并感受教学内容，激发学生好奇心和学习兴趣。再逐步引导学生理解实验的具体实现原理、实现步骤，让学生掌握教学内容的具体实现方法，并要求学生在模板例程的基础上进行修改和扩展，完成自己设定的实验扩展功能，做到根据例程实现举一反三，进而对实验程序进一步理解和掌握，即做到“知其然，然后知其所以然”。

（三）改革考核手段

课程考核上，应以实现预期实验现象作为掌握课程内容的评判依据。在实验的基础上，学生自我设计扩展实验效果，增加自我设计实验项目考核环节。每次实验过程中，要求学生提出自己设计的预期效果，并在基础例程上完成代码修改，实现预期实验效果，提高学生自我设计及创新实验的能力。以基础实验和设计自主实验作为课程考核的重要内容。在课程期末考核上，要求每位学生完成具有一定功能的实践项目，并计入考核成绩。例如：实践项目的复杂程度、设计构思的新颖性和可行性、模块电路的功能考虑及选择、实际测试效果等。摒弃传统的卷面考试，以实践项目实验演示和答辩解说的方式开展考核，并结合平时实验扩展效果给出课程评价分数。

（四）改革教学指导思想

嵌入式系统知识面广，涉及的學科众多。应在考虑学生专业特点的基础上，以专业若干技术应用实验为主线，直观展现实验的具体过程，让学生能清晰地感知实现方法及实施步骤，把学习真正落到实处，并扎实掌握课上讲解的知识点。

作为嵌入式系统课程的授课教师，应该不断学习嵌入式系统前沿技术，时刻保持学习热情，实时把握嵌入式系统主流的发展方向，适时更新教学内容，改革教学指导思想，并将教学内容与科研紧密相连，做到科研反哺教学，教学促进科研，使学生更加契合社会需求。例如，在教学过程可引入横向项目的案例，通过实际案例讲解晦涩难懂的知识点。

三、结语

本文总结了现行嵌入式系统教学过程中存在的若干问题，在此基础上，针对教学的各个环节提出了改革措施，引入学生感兴趣的新技术应用内容，提升课程吸引力，激发学生参与实践环节的主动性和积极性，同时针对嵌入式系统课程实践性强的特点，更新教学方式方法，革新教学指导思想，通过上述措施能有效提升嵌入式系统课程的教学效果。

参考文献：

[1] 孙伟，李严，等. 面向应用的嵌入式系统教学改革与探索[J]. 工业和信息化教育，2016（01）：32-35.

[2] 池涛，陈明，等. 国际化模式结合本土案例实现嵌入式系统教学[J]. 教学研究，2018，41（01）：75-79.

[3] 刘威，常瑞，谢耀滨. 面向系统能力培养的嵌入式系统课程教学模式改革与实践[J]. 计算机教育，2019（01）：39-43+47.

[4] 王立新，蒋烈辉，等. 以嵌入式为核心的计算机课程体系建设[J]. 计算机教育，2016（02）：66-68.

（责任编辑：胡甜甜）