嵌入式系统教学改革探索

林承超 胡均万

摘    要：文章从嵌入式系统教学现状出发，设计出一种满足不同层次学生要求的教学方案，把理论教学和实践教学都分为基础性和综合性两个层次，并提出了进行嵌入式系统教学改革的策略。

关键词：嵌入式系统;教学改革;策略

中图分类号：G642.0          文献标识码：A          文章编号：1002-4107（2016）01-0057-02

一、嵌入式系统教学现状与问题

嵌入式系统一般被理解为“以应用为中心， 以计算机技术为基础，软、硬件可裁减，功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用系统”[1]，是典型的软硬件综合体。嵌入式技术被称为后PC时代的核心技术， 是信息电子产品及网络通信产品开发、自动控制、物联网的关键技术。嘉应学院电子信息工程学院早在2005年就开设了“嵌入式系统”课程。特别是随着物联网的发展，“嵌入式系统”更成为电子信息工程、自动化、通信工程专业的一门重要的专业课。但在以往的教学中，发现存在以下问题。

第一，刚开设“嵌入式系统”课程时，比较偏重“硬”的方面，几乎是“单片机和微机原理”课程的重复，都是在讲授硬件结构和汇编语言。近几年，改成以开发应用程序为核心，但学生前面的课程里只学习了“C程序设计”一门编程语言，学生的基础比较薄弱，对程序开发的流程、规范，操作系统的基本概念，数据结构几乎没有涉及，特别是遇到一些抽象的知识点，一些学生继续学习下去的兴趣和信心都受到严重的打击。

第二，在教学的过程中，发现学生学习兴趣两极分化的现象比较严重，大部分C语言和汇编语言基础比较差的学生几乎没兴趣学习;小部分基础比较好的学生，发现linux和嵌入式的世界很精彩、很自由，想法很多，不论是应用开发、驱动程序开发，还是网络应用开发、智能控制都涉猎，造成时间和精力分散，各方面都只学习到一点皮毛。

第三，“挑战杯”、“电子设计大赛”、“博创杯全国大学生嵌入式物联网设计大赛”、“智能汽车大赛”、“大学生创新性实验计划”等国家级、省部级各项赛事的频繁举办，对学生嵌入式系统的知识及能力提出了更高的要求。

二、嵌入式系统教学改革方案

针对以上问题，提出对“嵌入式系统”课程教学改革采取以下的措施与探索。基本思想：在保证达到教学大纲要求的前提下，对不同学习兴趣的学生设计层次不同的教学方案和考核方案，实现教学内容的实践化和差异化。

（一）教学方案设计

教学方案的设计分为理论教学和实践教学，又各分为基础性和综合性两个层次。基础性的内容要求每个学生都必须掌握，综合性的内容主要是针对基础比较好、学习兴趣高的学生设置，不要求每个学生都掌握。

1.理论教学方案。根据教学大纲的要求，把知识点分为基础性和综合性，最终体现在笔试试题注明基础性题目或综合性题目。为保证大部分学生能够掌握课程的基础知识，课堂上着重讲授交叉开发环境的搭建、嵌入式开发环境搭建、linux API等基础知识。综合性的知识点结合学生的专业课程讲授课程里的经典算法和原理如何用嵌入式系统和C语言实现，例如，信息工程专业结合“数字信息处理”，自动化专业结合“自动控制”，通信工程专业结合“通信原理”等。并在结合的过程中讲授软件工程相关的一些知识。

2.实践教学方案。实践教学分为课内实验和课外作品两部分。课内实验是所有学生都必须在实验室内完成的验证性实验。课外作品分为基础作品和综合性作品，基础作品是根据教学大纲要求，与基础知识相配套，并且趣味性比较强的实践项目（如让学生编写五子棋、贪吃蛇等小游戏），采取分组的形式，要求每个学生都必须完成。综合性作品是提高性质的，由学生根据自己的水平和专业确定设计目标，教师结合实际情况确认作品题目，提供开发板和相关的外围模块让学生在课余时间完成。

（二）考核方案设计

改革学生总评成绩的计算方法。改变过去学生总评成绩只由平时成绩占30%，笔试成绩占70%的计算方法。改革后的学生总评成绩由平时成绩、作品成绩、笔试成绩相结合的考核方式确定。笔试试题中基础性题目占85%，综合性题目占15%。改革前后总评成绩比重计算方法如表1所示。

表1  改革前后总评成绩比重计算方法

三、嵌入式系统教学改革策略

根据心理学相关研究表明，大二、大三学生在成就感低、行为不当和总倦怠上高于大一学生，大四学生的成就感低好于大一、大二、大三学生，说明大二、大三学生的学习心理更消极[2]。嵌入式系统课程一般开设在大二下学期或大三的上学期，正好处于学习消极期，学生自觉性低。为保证教学方案能顺利进行，学生能够有兴趣、有耐心地坚持学习下去，在教学实施的各环节中采取了一些积极、主动的措施。

（一）精选教材

教材与参考书的选取是教学过程中第一个重要的环节，教材与参考书是否适合学生的水平直接影响到以后的教学。目前，由高等院校、研究机构编写出版的教材和参考书大部分都注重理论知识;倒是由一些培训机构编写的教材在讲解基本的、必要的理论知识基础上把重点放在开发环境的搭建、Linux基本API函数的应用之上，使学生有具体的实践对象。本课程选取华清远见嵌入式培训中心编写、人民邮电出版社出版的《嵌入式Linux应用程序开发标准教程》作为教材，该书从Linux系统的基础知识、搭建嵌入式Linux环境、嵌入式Linux应用开发三个方面可以帮助学生快速跨过嵌入式开发的门槛。参考书作为辅助，可以在课堂外开拓学生的眼界和辅助学生学习，为保证学生能够在课余时间阅读推荐的参考书，本课程只推荐《鸟哥的Linux私房菜：基础学习篇》作为参考书，并要求学生在阅读完以后写一篇3000字左右的小论文。

（二）加强实验教学

“嵌入式系统”是一门实践性比较高的课程，要求学生花较多的时间进行课外实践。但高校的实验室由于各方面的原因，只能在规定的时间内为学生提供课程实验，且实验内容都是验证性的，学生只要在实验箱上连接几条连线，写几行代码，运行几个命令就可以完成实验内容，学生的主动性没有得到调动，实验效果很差。

为了充分调动学生的积极性和主动性，提高学生动手实践的能力，使学生有更多自己动手的时间。电子信息工程学院从学校别的学院报废资产中找到40台性能可以满足嵌入式系统和开发环境运行要求的PC，并购置了20套天嵌TQ2440开发板、20套友善之臂smart210开发板、40块GPS和北斗星模块、40块zigbee模块建立学生课外实验室，并由学生管理，全天候开放，相关教师会不定期到实验室指导学生。

（三）改变课程成绩考核方式

引导学生学习，除了兴趣之外，还需要成绩评定作为保障手段，保证学生能够投入足够的时间去学习和实践，积极动手。成绩评定应该严格、公平、公开。

改革前，“嵌入式系统”课程的考核以平时成绩加上期末考试成绩作为课程的最终总评成绩，这种评价方式造成学生平时上课懒散、作业抄袭、实验应付、考前突击复习等不良情况。导致总评成绩不能反映学生真实水平，并且学生的动手能力很差。

改革后，主要是加强学生工作过程的监控。（1）“嵌入式系统”的平时作业主要是环境的搭建，简单应用程序编写，学生提交电子版。设计作业时，Linux操作系统安装时主机名是学生的姓名拼音加上座号，编写应用程序时变量名以姓名拼音作为前缀，并在完成的过程中保存3—5幅关键过程的截屏。从而，可以在很大程度上防止学生抄袭。（2）课程实验要求学生在上课之前提交预习报告，实验结果由实验教师当场检查，随机提问，正确无误后实验教师签名确认，才算完成实验。（3）基础作品要求学生按软件工程过程，撰写问题分析和需求分析文档、概要设计和详细设计文档、实现活动和确认活动文档。通过这些文档撰写的训练有两个好处：一是改变以往学生完成任务只有源代码，其他文档缺失的现象，规范应用程序编写的过程。二是迫使每个学生只能够自已完成作品，无处复制。

通过以上措施，半强迫地使学生入门，学生入门后会发现嵌入式跟他们的生活息息相关，对嵌入式系统的兴趣得到激发。从而师生一起努力，使得教学质量、学生动手能力有了比较大的提高。学生利用所学的嵌入式系统知识结合其他专业知识参加各级各类的竞赛取得了好成绩。2011年第一次参加第七届“博创杯”全国大学生嵌入式设计大赛，获得赛区三等奖;2012年参加第四届广东省大学生“智慧城市”专题电子设计竞赛，获得1项一等奖，2项二等奖，2项三等奖;2014年参加第五届广东省大学生“智能可穿戴设备”专题电子设计竞赛，获得一等奖3项，二等奖5项，三等奖7项。

为改变“嵌入式课程”以讲课为主的教学方式，提出一种层次化、实践化方案，加强学生学习过程的监控，充分利用学生个人课外时间，保证学生掌握相应的知识点，为各种大学生比赛活动提供基本知识和基础训练。通过近几年来的实施，取得了不错的效果，学生基本达到了教学要求，参加各类比赛获得了不错的成绩。

参考文献：

[1]马忠梅.ARM & Linux 嵌入式系统教程[M].北京：北京

航空航天大学出版社，2008：1.

[2]连榕，杨丽娴，吴兰花等.大学生专业承诺、学习倦怠的

状况及其关系[J].心理科学，2006，（1）.

[3]邓春健，李文生，杨亮等.“ARM嵌入式系统”课程教学方

法研究[J].计算机教育，2010，（3）.

[4]李曦，周亦男，周学海.“嵌入式系统设计”系列课程建设

[J].教育与现代化，2004，（4）.