“以学生为中心”的“嵌入式Linux 系统及应用”教学改革＊

2022-03-09梁永恩翟敏焕

科技与创新 2022年4期

梁永恩，翟敏焕

（1.广东科贸职业学院信息与自动化学院，广东广州 510430；2.广东白云学院大数据与计算机学院，广东广州 510450）

嵌入式系统是以应用为中心，以现代计算机技术为基础，能够根据用户需求灵活裁剪软硬件模块的专用计算机系统。嵌入式系统的软件系统往往以嵌入式操作系统为核心，外加用户应用程序。如果没有操作系统，所有的功能、驱动代码都需要自己编写，实现难度大且耗时耗力。嵌入式Linux 是将日益流行的Linux 操作系统进行裁剪修改，使之能在嵌入式计算机系统上运行的一种操作系统。既继承了Internet 上无限的开放源代码资源，又具有嵌入式操作系统的特性。其特点是版权费免费，性能优异，软件移植容易，代码开放，有许多应用软件支持，应用产品开发周期短，新产品上市迅速，有许多公开的代码可以参考和移植。“嵌入式Linux 系统及应用”是物联网工程专业的专业核心课程，主要讲授嵌入式Linux 操作系统的内核结构、引导程序、图形库、内核构建和移植技术[1-2]，讲授在嵌入式开发环境下设计开发设备驱动程序、嵌入式应用程序的基本技术[3]，培养学生进行嵌入式设计和开发的应用能力和实践技能，为学生今后学习和从事嵌入式系统研究与开发积累初步的经验。

在信息技术飞速发展的今天，新技术层出不穷，行业竞争加剧，对人才的素质要求越来越高，嵌入式课程传统教学方法暴露出与市场发展无法同步等问题。本文基于“以学生为中心[4-5]，成果为导向”理念，分析当前课程现状，从教学方案、教学手段、教学资源建设、网络课程建设等环节阐述改革实施方案。

1 “嵌入式Linux 系统及应用”教学的现状

“嵌入式Linux 系统及应用”是物联网工程专业的专业核心课程，实践性很强，课程知识点多，包含了Linux 常用命令、嵌入式开发工具、C 语言编程、Makefile 编写方法、根文件系统、Bootloader、驱动程序、嵌入式GUI、嵌入式数据库、网络编程等。当前的教学是理论与实践分离，理论教学以多媒体为主，板书辅助，实验课以验证性实验为主。通过学生调研、学生访谈与教师交流等方式，总结出以下几个课程教学过程中存在的问题：①教学内容较多，知识点分散。让学生对该课程学习有一定的畏难情绪，随着学习的深入，学生的学习热情和积极性也随之下降。②教学方法单一。教学过程以课堂理论讲授为主，实验操作为辅，师生互动较少，学生参与性较差，教学内容上比较注重知识体系的完整，而容易忽略了学生应用能力以及创新能力等综合素质的培养。③实验以验证性为主，实验项目少。学生只能按既定的步骤完成设计好的验证性项目，缺乏综合性、创新性的实验，实验结果只能看到实验现象，很难提高学生的动手能力、设计能力和创新能力。学生被动地学习，学习效果难尽如人意。④考核机制不合理。考核主要以期末笔试考核为主，过程性考核的占比较少。这种传统的量化考核方式很难全面考察学生对专业知识和技能的掌握，也难以体现学生的职业素养、合作精神等综合素质，同时也不利于教师及时了解学生的学习状态。而且期末笔试考核比例过大，容易导致学生过分关注期末考试成绩，出现“为考而学”的现象。

2 课程改革措施

根据当前课程存在的问题，结合当前的嵌入式技术发展，对教学方案、教学手段、教学资源建设、网络课程建设等方面进行了改革和实践，采用“以学生为中心”的教学模式，激发学生的学习兴趣，促进学生主动学习，提高学生灵活运用知识的能力。

2.1 重新设计课程教学方案

结合人才培养方案与课程教学目标，按照“以学生为中心”的课程教学特征设计课程教学大纲，重构课程学习目标，课程学习活动和课程学习评价策略，并形成完整的课程教学方案。根据能力形成构建了嵌入式系统与Linux 编程基础、基于Linux 的嵌入式软件开发、嵌入式应用程序设计、嵌入式Linux 网络编程及综合应用5 个教学模块，如表1 所示。学完1 个模块后，应形成具有一定综合性的学习成果，用于检测目标达成度。大模块划分为若干个教学单元，对于小模块可以不划分单元，学生学完1 个单元后，应掌握完成该模块学习效果所需的知识。对1 个单元设计多个教学活动，用项目承载相应模块的教学内容，设计能有效实现教学目标的活动。

表1 教学模块及目标

表1（续）

以模块“基于Linux 的嵌入式软件开发”为例，其对应4 个单元Bootlaoder、Linux 内核、Linux 文件系统和驱动程序，其中第2 个单元设计了配置Linux内核和移植内核2 个学习活动。如图1 所示。

图1 教学模块分解

以项目2 移植内核为例，其教学设计如表2 所示。

表2 项目2 移植内核教学设计

2.2 引入情景教学方法，实行一体化教学

通过布置课前预习任务及课前5 min 问题式小测的方法，引导学生充分利用课余时间查阅资料，引导探究式学习。课堂上通过创设问题情景的手段组织学生讨论，激发学生的思维意识，提高课堂参与度。

改造实验室机房，增加多媒体投影仪、电子白板、中控台、音响等设备，使机房都具备多媒体教学、学生实验实训、考证训练等多功能教室的功能。将授课地方全部放在实验室机房，教师实行教、学、做一体化的教学模式，将教师的课堂理论讲授、学生的听课学习和实训实验三者融为一体。实践表明，教师边讲授，学生边做，师生共同探索研究有助于提高学生的学习兴趣，有助于提高教学效果。同时，结合超星平台开展线上线下混合式教学，有效拓展教和学的时间和空间。

2.3 建设课程学习资源库

根据课程设计，结合课程实际教学，依据项目化教学特点，以任务为引领，建设课程学习资源库，主要包括以下几个方面：课程教学大纲，课程教学设计方案，教学课件，项目实验指导书、体验式学习方案，课后习题、模拟试题库，课程学习效果评估表。

2.4 建设在线网络课程

在超星平台上上传课程的简介、教学课件、工具软件，视频等资源60 多条，共计1 000 多M。在该平台上发布课前预习通知，进行签到、选人、抢答、主题讨论、随堂练习、分组任务等活动，发布并批改作业，开辟讨论板块进行课前、课后的交流。通过讲练结合的方式，强化学生对知识和技能的掌握，通过投票、抢答等互动方式了解同学对知识的掌握情况，有针对性地进行讲解。

2.5 改进考核方式

嵌入式Linux 原理与应用课程强调学生的动手能力和应用能力，因此，应加大过程考核的比例，从多个方面对学生进行考核。改革后课程总成绩由综合考勤、实践活动和综合考核组成。综合考勤占5%；实践活动占55%，其中课堂表现占5%，章节学习情况占5%，分组任务占10%，平时作业、实训结果占35%；期末综合考核占40%，根据期末作品完成情况以及答辩给分。

3 教学效果

2017—2019 年学院物联网工程专业在“嵌入式Linux 系统及应用”课程实施了上述教学改革，学生一致认为学习收获良多，对教学的满意度有较大幅度的提升，任课教师的学生评教成绩均在90 分以上。学生的动手实践能力和科技创新能力有了较大提高，每年科技节中，物联网专业的嵌入式作品的数量和质量持续提升，学生参加的省级国家级物联网设计竞赛获奖人数也在快速增加。