仿真技术辅助于嵌入式系统在线教学的探讨

陈彦明，周芃

（安徽大学 计算机科学与技术学院，安徽 合肥 246110）

1 研究背景

在疫情防控背景下，教育部呼吁大中小学开展“停课不停学”网络在线教学[1]，使得在线教学空前发展。仅2020年，参与在线的教学的教师达到数百万，总计参与学生已超过亿万人次[2]。如此众多的师生参与海量课程除了需要传统的教与学之外，还需要有强大的课程平台和技术平台作为支撑。现有主流在线课程平台包括腾讯课堂、中国大学MOOC、学堂在线、钉钉EduCoder在线实践教学平台等平台[2]。在如此众多的教学平台中，仅少数平台提供在线实践教学，如EduCoder在线实践教学平台[3]。而这类平台往往仅侧重于程序设计、人工智能等偏软件开发类的课程。如Educoder平台将整个课程体系分为程序设计、数据库、Web开发、云计算和大数据、人工智能、运维与测试以及其他课程，其课程方案中并没有展现出硬件实践相关课程，特别是对学生动手能力培养有较高要求的嵌入式系统相关课程。

嵌入式系统不易于在线教学是由其课程性质决定的。嵌入式系统是以实际应用为中心，能够根据用户需求灵活搭建、裁剪软硬件模块的专用微型计算机系统[4]。在新工科背景下，学生动手能力的培养是诸多能力培养中的重中之重。为了提高嵌入式系统的教学效果，需要在讲授理论知识的同时注重学生实际动手能力培养，引导学生积极参与到课程实践中。嵌入式系统是一门实践性非常强的课程，若仅仅提供理论课程线上直播，或者仅提供部分实践操作环节录屏，而没有可行的实验环境进行实际操作，可能导致学生知识点掌握不牢。因此，如何在在线教学背景下更好地开展嵌入式系统课程教学，提高嵌入式系统在线教学的质量，不仅对学生学习该课程有帮助，也对其他类似实践性课程的教学起到抛砖引玉的作用。

主要创新点在于：（1）提出以提高学生工程动手能力为目标，具体从课程内容的改革、教学模式创新等方面，探讨如何将仿真技术应用于嵌入式系统的在线教学；（2）提出以“项目引入、任务驱动”方式进行课程教学，以此激发学生的学习兴趣，提高学生实践动手能力，弥补当前在线教学资源的不足。

2 面向在线教学的嵌入式教学体系的构建

2.1 课程在线教学存在的问题

嵌入式系统是一门多学科交叉和渗透的课程[5]。以往由于课程涉及实践内容较多，一般采用线下方式或线上线下融合方式进行教学。但由于疫情防控的要求，以往线下实践部分的课程也必须迁移到线上进行。在课程迁移过程中不可避免地出现一些问题、困难，亟需有针对性地对课程的教学内容（包括硬件平台和软件平台）的选择、实践教学与实践环节组织等问题予以调整和优化，以确保嵌入式系统的在线教学取得实效。

(1)课程教学内容的存在的问题

嵌入式系统教学内容比较繁杂，很多高校课程内容安排一般都是选择一款ARM作为开发实验平台，内容涉及ARM的体系结构、指令集介绍、接口和电路结构、对应ARM上的启动代码、文件系统、驱动程序等。针对这些现有课程体系，发现存在下述问题：第一，ARM体系结构，操作系统等教学内容，知识点比较抽象、理论偏多，各种概念和模型较难理解，学生动手去实践相对较少，学生学习起来非常抽象和枯燥，缺乏直观性。第二，大多数涉及嵌入式系统驱动开发以及APP程序开发的课程，一般要求学生具有较好的编程背景，不能兼顾不同层次的学生。完全采用线上教学会加剧上述问题。因此，嵌入式系统教学需结合在线教学的特点来选择合适的教学内容。如何选择合适的嵌入式系统教学内容，是首先要考虑的问题。

(2)在线教学中学生学习积极性不高

在线下课堂，教与学的有效互动是教学过程中的关键环节。老师在阐述精心准备的课程同时旁征博引，用灵活多变的方式活跃课堂气氛，如互动与提问环节、课后现场答疑环节等。这些措施不仅能为学生答疑解惑，也能及时调动学生的学习积极性，提高课程教学效果。

但在线上教学过程中，教师利用各种教学平台按照课表规定的时间来开展线上教学，而学生在家学习存在各种干扰。在此过程中，学生的积极性不高，不仅缺乏交流，而且做笔记思考的力度也不够[6]。即使部分平台提供在线讨论、提问等功能，但由于网络延迟等原因，学生的参与度并不高。

2.2 针对在线教学的课程目标和教学改革

针对上述问题，以安徽大学本科课程“嵌入式系统理论与实践”为例开展在线教学改革。具体从课程内容的改革、教学模式创新等方面进行探讨。

(1)课程教学内容的改革

针对在线教学时嵌入式课程教学内容存在的问题，本文探讨该如何选择合适的教学内容进行教学。

以往的嵌入式系统课程内容主要以ARM加嵌入式操作系统（Linux、Android等）为主，这类课程的教学一般需要结合具体实验平台进行（如S3C2410、sp5v210等实验开发平台）。但由于疫情的影响，学生很难在真实的实验平台进行实验。若仍采用此类教学内容，势必会造成重理论、轻实践的后果，这有悖于嵌入式系统的教学目标。鉴于此，2020年第2学期的嵌入式系统教学选用了利用Proteus仿真软件仿真STM32F103（ARM）平台的混合在线教学方式进行。Proteus是由Lab Center Electronics公司推出的电子设计自动化（EDA）软件[7]，其除具有其它EDA软件的电路图及PCB板绘制功能外，还具有仿真单片机及其外围器件功能，特别地可以仿真本课程中用到的STM32F103处理器。

本课程教学采用“项目引入、任务驱动”的方式进行。与以往的嵌入式系统课程不同，本课程内容通过6个项目展开，每个项目又包含一些任务，每个任务将相关知识和实践技能融合在一起，将知识、技能的学习结合任务完成过程来进行。项目题目选取切合实际，学生对这些项目都比较感兴趣，以兴趣驱动学习，最大限度的发挥学生的自学能力，弥补了在线教学时学生参与度不高的问题。启发式教学更能使得学生掌握相关知识点。现以“智能交通灯设计”这一教学案例来简述课程内容改革如何实现，其内容分解与教学内容安排如表1所示。智能交通灯设计项目分成4个任务，包括点亮一个LED灯、按键检测、定时器使用与电路设计与实现，分别讲述不同的知识点。在线授课与学生实践操作同步，使得学生能更好的理解相关知识，做到融会贯通。

表1 案例内容分解与教学内容安排Tab.1 A case of content decomposition and teaching arrangement

(2)教学模式的创新

传统嵌入式系统教学中教师扮演着课程的主体角色，学生处于被动受教的地位，导致学生无法形成基本的实践意识，动手能力和思维能力较差。针对以上问题，以在线教学为契机，课程组在课程教学内容改革的基础上，进一步将Proteus仿真软件引入到教学中，建立学习交互网站（如图1），制作电子教案，使教与学的环境发生根本变化。积极利用在线资源（如爱课程、学堂在线）等现代教学资源，增加课堂与课外的信息量，大大提高教学效率和教学质量，取得较好的效果。

图1 在线教学智能系统Fig.1 Online intelligent system for teaching

课程教学上采用了“项目引入、任务驱动”的方式进行，以一个项目为中心分别设置多个任务，通过项目教学法、案例教学法和探究式教学法等提高学生兴趣和主动参与性。此外对学生的实践教学的评价也采用创新的评价方式，如结合学生在线互动、学生自评和教师点评以及项目结果展示等形式。教学过程中，可以采取包括学生课前自主学习考核、课堂学习考核、课堂实践操作以及课后考核等方式对学生进行考核，了解学生实践中存在的问题，具体方案框架见图2。

图2 在线教学考核评价方式Fig.2 Online teaching evaluation methods

3 结束语

在线教学的实施对现有嵌入式系统的教学内容、教学手段和教学评价体系等提出了更高的要求。在疫情背景下开展嵌入式系统的在线教学，以提高学生工程动手能力为目标，探讨嵌入式系统在线教学模式的改革。文章首先对当前在线教学平台进行分析总结，指出这些平台对嵌入式系统教学存在的不足，然后探讨了构建面向在线教学的嵌入式教学体系的三个方面。实施结果表明，课程教学激发学生学习的兴趣、提供了学生实践动手能力，弥补当前在线教学的不足，为其他相关课程的在线教学提供了有价值的参考。