競賽牽引下的嵌入式系統教學改革

來源:用戶上傳      作者:

　　摘 要：在分析嵌入式系統課程教學特點的基礎上，針對當前嵌入式系統教學中系統性不強、實踐安排不合理等問題，提出一種競賽牽引下的嵌入式系統教學改革方法。該方法立足于嵌入式系統基礎知識，在大學生競賽相關要求的牽引下，從激發學生學習興趣、鍛煉學生綜合能力、培養學生系統觀與創新思維著手進行改革，輔以貫穿教學全程的過程性考核方式。教學實踐表明，該方法教學效果良好，能夠有效提高學生綜合素質和創新意識。
　　關鍵詞：嵌入式系統;教學改革;綜合能力;過程性考核
　　DOI：10. 11907/rjdk. 182207
　　中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）002-0216-03
　　Abstract： On the basis of analyzing the teaching characteristics of embedded system course， we propose competition-oriented teaching reform method which aims at the weakness of the current embedded system teaching， such as the poor teaching content in system and the unreasonable experiment arrangement. Based on the basic knowledge of embedded systems， this method takes several reform measures such as stimulating students' interest in learning， exercising the comprehensive ability of students， cultivating students' system view and innovative thinking， and process assessment method is adopted throughout the whole teaching process. Teaching practice shows that the method has a good teaching effect and can effectively improve students' comprehensive quality and innovation consciousness.
　　Key Words： embedded system; teaching reform; comprehensive ability; process assessment
　　0 引言
　　嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟、硬件可裁剪，適應于應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴格要求的專用計算機系統[1]，涉及先進的計算機技術、半導體技術、電子技術等，在通信與軟件、工業控制、網絡設備、智能家電、醫療儀器、航空航天、軍事國防等領域應用十分廣泛。相應地，上述各行業對嵌入式技術人才需求也與日俱增。為此，國內眾多高校在本科培養計劃中開設了嵌入式技術的相關課程，并就如何培養適應市場需求的嵌入式專業人才進行了深入探索與研究[2-6]。
　　周一恒等[7]在分析制約嵌入式系統教學效果的基礎上，對嵌入式系統課程項目引領式教學進行探討，在教學項目設置、考核方式等方面進行了改革;盧燦舉[8]將案例教學引入到嵌入式系統課程教學改革實踐中，具有較大的參考價值;李建榮等[9]提出結合實踐與項目推動嵌入式系統雙語教學的改革思路;吳立峰[10]提出問題驅動的嵌入式系統教學模式，并結合實例闡述了問題驅動教學方法及教學案例;陳德富等[11]針對研究生嵌入式系統教學提出學術興趣驅動的新型教學方案。上述方法取得了很好的教學效果，但仍存在一定的局限性，在激發學生學習興趣、鍛煉學生綜合能力、培養學生系統觀與創新思維方面還存在一定提升空間。為此，本文提出一種競賽牽引下的嵌入式系統教學改革方法，該方法立足于計算機相關基礎知識，緊貼嵌入式技術的最新發展，以競賽形式引導學生從當前生活中發現問題、提出解決方案、設計并實現相應的嵌入式系統，將知識傳授、能力鍛煉與創新思維培養貫穿于整個過程，教學效果良好。
　　1 嵌入式系統教學特點及現狀
　　嵌入式系統教學具有如下特點：①綜合性強。嵌入式系統以計算機技術為基礎，涉及電子、通信、自動控制等多種專業知識，是一種綜合性技術。其次，嵌入式系統包括硬件與軟件，二者相互配合實現系統特定功能，其中硬件涉及處理器、存儲器、輸入輸出設備、電源、時鐘等，軟件又可分為驅動層、操作系統層與應用層軟件;②實踐性強。嵌入式系統以應用為中心，面向實踐，并且隨著需求變化與技術進步不斷更新，這意味著嵌入式系統教學應以理論為基礎，以實踐應用為主要目標，重點培養學生解決實際問題的工程實踐能力及創新思維。
　　嵌入式系統的教學特點決定了該課程教學應當圍繞夯實學生理論基礎、鍛煉學生綜合能力、培養學生系統觀及創新思維展開，但嵌入式系統教學現狀與目標還有一定差距。具體表現在以下3個方面：
　?。?）嵌入式系統理論教學內容一般包括嵌入式系統硬件（包括嵌入式處理器、存儲器、外部I/O等）、嵌入式系統軟件（引導加載程序、操作程序、應用軟件等）、嵌入式系統開發工具與嵌入式最新技術等，高校根據授課對象具體情況而有所側重，教學內容呈模塊化，學生難以從系統角度理解相關知識。實踐教學大多是在給定的硬件平臺上編程實現規定的功能，對學生的鍛煉主要局限于某些模塊，不夠系統，缺少需求分析、方案設計、硬件平臺構建等環節，不利于提高學生分析、解決問題的能力，也不利于學生對嵌入式系統軟硬件全局把握和認識。 　?。?）盡管目前嵌入式系統教學對實踐的重視程度有所增強，實驗內容也由驗證性實驗向基礎實驗與綜合實驗相結合的方式轉變，但是實驗內容大多是老師預先設置好的或者受限于使用的硬件系統。這種實驗安排使部分學生對相關實驗內容興趣寥寥，無法充分發揮學生主動性和創造性;另一方面，由于實驗平臺更新較慢，一些涉及新技術的相關實驗無法在老舊平臺上開展，導致教學及實驗內容與最新技術發展脫節。
　?。?）嵌入式系統教學對知識傳授、實踐能力鍛煉的重視程度較高，而對實驗報告等文檔撰寫能力、實驗成果展示匯報等語言表達及溝通能力鍛煉機會較少，而后兩者對學生今后工作影響十分巨大。因此，現有嵌入式系統教學在培養學生綜合能力方面還存在一定提升空間。
　　2 教學改革具體措施
　　針對嵌入式系統教學中存在的問題，以大學生競賽為牽引，采用3-4人一組的分組形式，將實驗內容選題、方案設計、方案實現、結果展示匯報貫穿于嵌入式系統課程教學整個過程，重點從激發學生學習興趣、鍛煉學生綜合能力、培養學生系統觀和創新思維等方面進行嵌入式系統教學改革。
　　2.1 激發學生學習興趣
　　在理論教學方面，單純的理論講授十分枯燥乏味，學生不僅難以理解掌握，而且易產生厭學情緒。為此，通過收集、整理學生的畢業設計、電子設計競賽、物聯網競賽等作品構建教學案例庫，根據各個案例中的嵌入式系統知識點，將其應用到相應理論教學環節中，將抽象的理論具體化，增加理論教學趣味性。
　　在實踐教學環節，堅持以“學生為主體”的基本原則，引導學生發現當前生活、工作或學習中存在的問題，并從中選擇難易適中、熟悉而又感興趣的問題作為實驗內容，與學生一起討論并制定問題解決方案，鼓勵學生利用所學嵌入式系統基礎知識、嵌入式最新技術及網絡相關資源加以實現，充分調動學生積極性和創造性。
　　2.2 鍛煉學生綜合能力
　　嵌入式系統教學過程中既要著力提高學生工程實踐能力，同時也應大力培養學生文檔撰寫與語言表達能力，提高學生綜合素質。
　?。?）工程實踐能力。競賽牽引下的嵌入式系統教學以相關賽事為參考，選定參賽題目，在老師指導下制定研究方案。在研究方案具體實現過程中，需要考慮硬件平臺構建（選用現有的開發板或自制開發板，還涉及到傳感器等模塊的選型等）、軟件編程實現等，學生不僅要掌握嵌入式系統開發過程中涉及到的軟硬件知識、工具等，還必須在老師的指導下充分利用網絡相關資源自行解決實現過程中遇到的問題。因此，參加嵌入式系統相關競賽的過程實際上是鍛煉學生工程實踐能力的過程。
　?。?）文檔撰寫能力。研究方案是競賽初選參考的重要依據，因此研究方案的撰寫是相當重要的一環。本科學生在此之前一般文檔撰寫經驗不足，存在不知應該寫什么內容，或者所寫文檔存在邏輯混亂、語句不通順、格式不規范等一系列問題。為此，老師會和學生一起討論寫什么內容，確定文檔提綱，再逐步充實相關內容。同時，對于學生所寫文檔中邏輯、語句、格式等方面的問題，與學生一起討論修改。通過幾輪修改完善，一般可以顯著提高學生文檔撰寫能力。
　?。?）語言表達能力。在教學過程中發現有的學生工程實踐能力很強，實驗結果也很好，但卻不能簡潔、清晰地將自己所做的工作及其與眾不同之處表述出來，語言表達能力較為欠缺，而現實中該能力十分重要，甚至直接影響到最終成敗。為此，在嵌入式系統教學過程中，應注重鍛煉學生語言表達能力。一方面，引導學生積極參與課堂討論及小組交流溝通;另一方面，要求學生在完成實驗方案設計后，匯報設計方案，回答老師提問;在實驗完成后，學生需制作PPT并在規定時間內進行成果展示匯報。
　　2.3 培養學生系統觀與創新思維
　　為培養學生系統觀，在理論講授環節，注重發揮案例教學的優勢，先從系統角度對案例進行分析，再對案例中的軟硬件進行解剖。嵌入式系統教學實踐設置則采用全開放式，由學生自行發現問題、分析問題關鍵所在、制定問題解決方案、構建軟硬件環境、編程實現、測試驗證，整個過程以學生為主體、老師為指導，使學生親身體驗工程實踐的每個環節，培養其從系統角度考慮任務需求、軟硬件劃分與協同等能力。
　　為培養學生創新思維，在嵌入式系統教學過程中堅持學生主體地位，引導學生發現生活中存在的痛點問題，啟發學生立足于嵌入式系統的基礎知識，結合計算機、通信等方面最新技術，提出具有一定創新性的解決方案，著力培養學生創新意識，充分挖掘學生創造力。
　　2.4 過程性考核方式
　　課程考核采用過程性考核方式，即考核貫穿于課程整個過程?？己藘热萑趸瘜λ烙浻脖持R的考核，強化對知識理解與應用能力的考核，適當突出對探究創新的考核。課程最終成績由平時作業、課堂討論表現、實驗成績和考試成績組成，各部分所占分值及其考核參考依據見表1。
　　3 教學改革實際效果
　　三屆學生的教學實踐表明，本文采用的嵌入式系統教學改革方法具有較好的教學效果，選課學生不僅掌握了嵌入式系統基本原理與設計過程，且能夠實現一個簡單并具有實際應用價值的嵌入式系統。學員工程實踐能力、創新意識也顯著增強，在2015級信息安全專業學生中有3個小組利用攝像頭、溫度傳感器、藍牙、音響等附加模塊，實現了機器人滅火、音樂播放器等創新性實驗。
　　在全國大學生Robomasters機器人競賽、全國大學生物聯網競賽的相關賽事中，參賽學生也取得了優異成績，其中2016-2017年大學生競賽獲獎情況如表2所示，相關參賽作品申請專利2項。尤其是在2017年9月物聯網總決賽中，參賽的兩支團隊經過調試、展示、答辯、交叉評審、十二強循環賽等環節的激烈角逐，從入圍全國總決賽的120支隊伍中脫穎而出，雙雙獲得全國總決賽一等獎。
　　4 結語
　　在分析嵌入式系統課程教學特點與當前嵌入式系統教學現狀的基礎上，對競賽牽引下的嵌入式系統教學改革進行了探討，以激發學生學習興趣、鍛煉學生綜合能力、培養學生系統觀及創新思維、改進考核方式等方面為突破點進行改革，教學實踐表明該方法可較好地提高學生綜合素質與創新意識。 　　參考文獻：
　　[1] 漆強，歐中華，劉子驥，等. 嵌入式系統設計工程實踐[M]. 北京：國防工業出版社，2015.
　　[2] 武小平. 面向系統綜合能力培養的“嵌入式系統”教學探討[J]. 計算機工程與科學，2014， 36（s2）：238-241.
　　[3] 何劍鋒，葉志翔，蔣年德，等. 面向卓越工程師培養的嵌入式系統創新實踐教學模式研究[J]. 計算機教育，2015（15）：59-61.
　　[4] 孫偉，李嚴，崔曉晗，等. 面向應用的嵌入式系統教學改革與探索[J]. 工業和信息化教育， 2016（1）：32-36.
　　[5] 沈珊瑚，姚茂群. 面向實踐創新人才培養的嵌入式系統教學研究[J]. 計算機教育，2016，259（7）：27-30.
　　[6] 武小平，劉丹，蘇科華. 面向卓越工程師系統能力培養的嵌入式方向教學探討[J]. 計算機教育， 2017（9）：31-33.
　　[7] 胡青，余嘉，蘇玉剛. 面向工程實踐能力培養的嵌入式實驗教學改革[J]. 實驗技術與管理，2017（9）：170-173.
　　[8] 孫鈺，許福，張海燕，等. 面向物聯網的“嵌入式系統”實驗改革探索[J]. 計算機教育，2017（12）：147-149.
　　[9] 沈珊瑚，姚茂群. 面向實踐創新人才培養的嵌入式系統教學研究[J]. 計算機教育，2016（7）：27-30.
　　[10] KELI C K C，HUANG X N，HONG P H P. Research of embedded teaching reform based on CDIO[C]. IEEE International Conference on Education Technology & Computer， 2010： 2155-1812.
　　[11] 齊文娟，孫佳，程然. 面向應用的電類專業嵌入式系統應用技術課程設計實踐[J]. 實驗室研究與探索，2017（11）：194-197.
　　[12] 陳晨，邱春玲，李肅義，等. “學生主體-教師主導”的嵌入式系統教學[J]. 計算機教育，2017（1）：136-138.
　　[13] 鄢秋榮，王玉皞，王艷慶，等. 面向軟硬件協同設計的嵌入式系統教學改革與實踐[J]. 實驗室研究與探索，2016，35（6）：190-193.
　　[14] 宋洪軍，胡軍國，童孟軍. 基于案例驅動的嵌入式系統教學改革與研究[J]. 教育教學論壇，2017（9）：112-113.
　　[15] HU G X，HUANG L. The research and practice of embedded teaching reform based on CDIO[J]. Applied Mechanics and Materials， 2013， 411-414： 2838-2841.
　　[16] ZHANG Q L，WANG A C，CHEN Y S. Practice of project-based teaching method with ability progressively increase in the embedded system course[J]. Research & Exploration in Laboratory，2014，33（8）：185.
　　[17] 周一恒，王軍，毛會瓊，等. “嵌入式系統”課程項目引領式教學[J]. 電氣電子教學學報，2016（6）：38-41.
　　[18] 盧燦舉，張云峰，高春穎，等. 案例教學下嵌入式系統課程的改革與實踐[J]. 計算機工程與科學，2016，38（s1）：248-251.
　　[19] 李建榮，宋波. 結合實踐與項目推動嵌入式系統雙語課程教學[J]. 現代計算機，2016（12）：10-12.
　　[20] 吳立鋒. 問題驅動的嵌入式系統教學模式探討[J]. 中國現代教育裝備，2017（17）：24-26.
　　[21] 陳德富，何通能，張洪偉. 學術興趣驅動的嵌入式系統教學[J]. 電氣電子教學學報，2016，38（1）：93-94.
　　（責任編輯：江 艷）
轉載注明來源:http://www.hailuomaifang.com/8/view-14803809.htm