《嵌入式系统技术与应用》优质课程设计与实践

刘莫尘，宋月鹏，娄 伟，闫银发，刘 平

(山东农业大学机械与电子工程学院，山东 泰安 271018)

0 引言

《嵌入式系统技术及应用》是山东农业大学机械工程学科学术型硕士研究生的一门专业课，是培养研究生嵌入式系统设计与开发的重要课程[1-3]。通过对该课程的学习，使学生全面掌握嵌入式系统的开发与设计方法。本课程以应用问题为驱动力，结合科研项目，运用嵌入式系统知识解决实际问题，是培养学生实践能力、创新精神和综合理论应用能力的重要课程，它可为专业课的学习和进一步深造奠定基础。

1 课程设计理念和体系

《嵌入式系统技术与应用》重点讲授嵌入式系统的研究进展、最新研究成果及当前主流软硬件开发设计方法(图1)，在专业课程体系中起到重要的承上启下作用，对于培养学生的基本理论素养、工程实践能力、综合素质及创新能力具有重要的作用[4]。本课程的设计理念：内容上注重知识的系统性和先进性，注重理论与实践的联系，突出应用基础理论、先进技术和设计理念解决实际问题的方法，培养研究生分析和解决嵌入式系统问题的能力，以“理论-方法-实现”为主线，开拓解决实际问题的思路；在教学方法上倡导“以学生为本，理论结合实践，重在学生参与”，突出理论应用与实践相结合的教学特色，构建以“多媒体教学-网络教学-实践教学”为主体的多元化教学模式[5-6]。

2 课程结构设计

2.1 知识构成与能力构成

2.1.1知识体系结构

(1)嵌入式系统设计流程。主要讲授嵌入式系统的开发理念、设计方法等。

(2)硬件设计。主要包括基本的时序逻辑电路、硬件资源、常用的总线(IIC、SPI、USB、CAN)、主流的I/O设备功能特点及接口设计等。

(3)软件设计。主要包括嵌入式系统开发语言的特点、嵌入式软件设计结构与方法、异常处理及中断机制等。

(4)嵌入式操作系统。主要包括典型嵌入式操作系统的文件管理、内存管理、基于嵌入式操作系统的软件设计方法、嵌入式操作系统的内核裁剪及嵌入式操作系统的移植等。

2.1.2培养学生能力

(1)专业知识能力。典型嵌入式系统的设计方案规划与开发能力、工程实践问题分析能力及优化改进嵌入式系统的能力等。

(2)学生设计方法能力。主要包括典型常用硬件(传感器、人机接口、存储器、通信模块)的设计能力、软件开发能力和嵌入式操作系统的裁剪移植开发能力等。

(3)学生社会能力。主要包括良好的嵌入式系统设计开发的基本素养，较好的团队协作能力、合作交流意识和沟通表达能力，一定的独立观察、思考、分析概括和创新能力等。

2.2 讲述内容与自修内容

本课程主要包括课堂讲授和实验实习两个主要教学环节。课堂教学普及了嵌入式系统的基本知识及设计方法，通过对本课程的学习，学生应了解嵌入式系统的基本特点与设计方法，熟悉并掌握嵌入式系统硬件、软件和嵌入式操作系统的设计方法。实验实习主要讲授嵌入式硬件设计与开发、嵌入式软件设计与开发、嵌入式操作系统的裁剪移植与开发等，培养学生的创新设计能力和分析问题能力，为本课程的教学奠定实践基础。同时还结合国内外嵌入系统典型案例、仿真设计等现代化教学手段，使学生了解和掌握国内外嵌入式系统的现状和发展趋势。教材中的部分内容还可以让学生自学或结合实际问题进行课堂讨论，或针对嵌入式系统的最新研究动态开展专题讲座，以培养学生独立分析问题与解决问题的能力[7-8]。

本课程要求学生利用课余时间进行广泛阅读。除了教材之外，教师在授课过程中还使用一些补充资料：一是教师在课堂上所要讲授的内容，而教材上没有的或者教材上内容不够的，如国内外更新的功能硬件、计算机仿真设计方法和典型案例等；二是选择一些参考教材、学术期刊等指定学生课后阅读；三是向学生提供专业技术网站，学习并补充本领域最新研究和发展动态。

3 课程教学方法与手段

3.1 主要教学方法

(1)科学合理地使用多媒体与传统教学方法。采用多媒体授课加强学习进度，提高教学效率。减少重复劳动，调动学生积极性。纲要概括简明，重在提纲携领，激发潜能灵感，刺激学习兴趣，解决重点难点，增进心灵沟通，创造平行交流，营造融洽空间。授课过程中并不完全依赖多媒体，而是把握好多媒体教学使用的“度”，在教学过程中应用多媒体课件时，教师应起主导作用，而多媒体只是教学辅助手段。

(2)采用启发式、讨论式教学。主讲教师坚持讲清思路、引导启发、精讲多练和培养能力的原则，采用讲课、讨论、练习和实验等多个环节配合，在教学中体现教师的主导作用与学生的主体作用。教师运用逻辑手段，启发、引导学生对问题的提出、解决方法和思路的深层次思考，加强师生互动和学生主动参与，以提高学生灵活运用所学知识分析问题、解决问题的能力。

(3)理论课与实践课结合与渗透，培养学生解决实际问题的综合能力。针对本课程理论性强的特点，教学中始终坚持理论与实践统一，二者相互渗透。一方面，在学时安排上，理论课与实践课衔接，实验内容与教学内容互相渗透。另一方面，采用分层次教学，即采用验证型、设计型及综合型3层次教学，尤其是一些综合开发实验，不仅延伸了教学内容，而且对理论知识进行综合应用[5]。鼓励和引导大学生结合课程学习内容，有针对性地进行课外科技活动、科技创新和各种科技竞赛，加强学生科研能力、创新能力的培养。将学生在参加科技活动中对知识的渴求转化为内在的学习动力，激发学生课程学习的热情。

3.2 多样化教学手段的运用

采用“网络+现实、传统+现代、讲授+讨论”相结合的多样化教学手段。紧密结合科研中的实际问题，增强对理论知识的感性认识。

(1)利用网络条件开展课程教学活动。根据本课程及其各部分内容的特点，教学团队开发了“嵌入式系统技术及应用”学习网站，网站提供在线学习、在线答疑、问题证解、动画演示、在线自测和例题详解等功能。将教学资源上网，教师可以在任何一个节点使用教学资源，学生可以在校园网上任何一个节点学习。进一步丰富了教学内容，改进了教学手段和方法[9-10]。

(2)采用多种形式的考试方法和成绩评定方式。成绩评定由理论考试、能力考查、课外科技活动和平时表现多种方式综合评定，引导学生在掌握基础知识的同时，更加注重实践应用能力的培养和训练。

(3)将科研成果引入教学，展示学科前沿技术。学生对新技术、新方法总是怀有浓厚的兴趣，教学团队教师结合自己的科研课题，将科研成果和科研体会融入教学，理论联系实际，及时将嵌入式系统最前沿成果介绍给学生，激发学生对知识应用的关注，引导学生的学习兴趣。

(4)健全教学评价机制。除了严格执行学校有关教学评价制度外，课题组还定期进行学生评价、同行评价和教师自评评价教学效果，定期组织学生对教学方法、教学内容、教学手段及实验教学等情况进行座谈交流，采取互相听课、观摩教学对发现的问题及时进行完善，设法提高理论教学和实验教学水平。

3.3 教学风格创新与探索

(1)以基础软件为核心，以嵌入式软件工程思想为指导，通过实践强化软硬件综合能力，建立以“嵌入式系统技术与应用”为核心的课程体系。在保证基础理论知识扎实的基础上，完善实践教学体系，着力提高学生的实践技能，从项目、实验、课程设计3个层面加强实践环节，不断强化和反复训练，以达到学生掌握知识的要求。同时，增大实践环节在课程考核中的比例，突出课程实践性较强的特点。在实验环节上转变观念、更新实验内容，通过基础实验、设计性实验和综合实验相结合的多层次教学，加强实验的实用性、综合性和创造性。在原有实验、课程设计的基础上，通过增加课外项目制作，鼓励学生参加课外科技竞赛，促进理论和实践紧密结合，严格考核过程。在课程设计上体现课程体系的基础性、完整性和先进性，强化工程综合应用意识，培养学生对嵌入式系统的把握，以及创新能力和团队精神。

(2)采用多维度教学方法，改革传统教学手段。采用“提问式”“启发式”“对比式”“探究式”和“讨论式”等多种教学方法，教学过程以“基础→综合→系统→创新”为主线，包含基于问题的学习、基于项目的学习、基于资源的学习、探究性学习和开放式学习等多种形式，灵活、恰当地利用多种方法组织实施教学，遵循“实践—理论—实践”的教学模式，最大程度地提高学生的学习效率和学习积极性。

(3)嵌入式系统设计与应用创新集成方法研究。将课程目标分解为基础准备阶段、应用开发阶段、低层开发阶段和项目实践阶段，学生在各阶段中不断加深各个知识的理解，逐步将分散的知识点系统化、将理论知识变为实践能力(图2)。理论教学中，以“知其然，知其所以然”为目的，深入浅出地讲解嵌入式系统的硬件基础、软件编程等内容，并作好基础理论、原理和实际应用相呼应，使得学生对该课程的学习能够知微见著，触类旁通，强化学生的理论功底。实践教学中，通过多元化实践教学模式，使学生更好地掌握本课程要求的实践技能，提高学生的学习兴趣、思考能力、观察能力、动手能力和数据处理能力。学生首先掌握嵌入式操作系统的基础知识，如键盘、通讯和显示等常用模块的开发使用；进而熟悉ARM处理器的体系结构与开发环境，能够完成诸如多任务间的互斥、同步与通信等复杂任务；最终能够构建基于Android/Linux等不同操作系统的嵌入式系统，完成面向对象的程序设计和硬件调试。

图2 “嵌入式系统设计与应用”的学习阶段设计Fig.2 Learning design of“Embedded System Technology and Application”

4 自主创新能力培养与实践

研究生自主创新能力培养是研究生教育的根本目标之一，也是我国高等教育赶超国际一流大学人才培养能力和水平的一个重要方面。充分考虑不同学习阶段研究生的知识结构、创新基础和群体环境等要素，本文提出了团队模式下渐进深化的自主创新能力培养模式，并开展了相关的探索和实践[11]。如图3所示，经学生自由组合组建创新团队，每一个创新团队由1名指导教师及4～6名学生组成。选择并设置在研究生知识和能力范畴内并且具有较大想象空间的教学课题，这些教学课题是指导教师从其从事的科研项目中挖掘创新思维的种子后根据学生的具体情况设计形成的，教学课题不仅需要用到学生正在学习的专业基础课的知识，还离不开专业课及相关领域内的知识。通过完成这些课题提高团队成员主动获取、加工知识的能力，培养成员的自主创新精神、激发其创造力，培养学生的创造性思维能力，使学生具备动手实践能力。在完成课题的过程中，必然离不开团队成员的密切协作，因而可以培养学生的团队意识、团队协作精神及团队创新能力。

图3 研究生自主创新能力培养方法Fig.3 Training method of independent innovation ability for postgraduate

5 结论

“嵌入式系统技术与应用”是机械工程专业重要的学位专业课，根据研究生的学习特点和本课程内容特点，本文优化了课程的教学设计，并进行实践，主要结论如下。

(1)突出特色，强调基本理论和实践方法，变抽象为形象，变枯燥为兴趣，极大调动了学生学习的积极性和主动性。

(2)实践支撑理论，科研助推教学，以科研实践的素材将理论的内涵表达清晰，使理论学习更加牢靠，使记忆更加深刻。

(3)改革教学环节，注重实践教学，启发式、探讨式、参与试验式教学模式深受学生欢迎和肯定。