面向实践创新人才培养的嵌入式系统教学研究

沈珊瑚　姚茂群

摘要：在以培养面向实践创新人才为目标的前提下，通过对最近3年在嵌入式系统等相关课程教学方面的探索，文章阐述了教学环节的改革，特别是在创新答辩和学生观摩分享环节上，分析实验课程翻转教学的成效，并对嵌入式系统课程的“口袋实验室”和未来新式教学方式做介绍。

关键词：嵌入式系统；教学改革；实践创新

0.引言

目前我国实行创新驱动发展战略，正在逐步落实深化高等学校创新创业教育改革，本校为顺应物联网时代“大众创业、万众创新”的新趋势，正在为进一步提高学校发展水平和培养特色人才做一系列的教学改革。物联网工程专业作为创新创业试点学院的高校产学对接特需专业，对专业教师在课堂内如何对学生培养提出了更进一步的要求。

嵌入式系统相关课程属于非理论课程，需要与实践紧密结合。基于物联网工程专业课程培养方案的需要，着重面向物联网工程本科专业的学生，课程包含“嵌入式系统原理与设计”和“嵌入式操作系统”两门课。前者重点讨论基于ARMCortex-M3内核的原理和设计实践，后者讨论嵌入式系统的实时操作系统内容。本文的教学探索过程和成果主要来自于前者，故下文将围绕该重点内容进行阐述。

1.存在问题

1.1嵌入式系统内容庞大，不能全部涉及

嵌入式系统教学相对于其他一些专业课来讲还比较年轻，其教学内容较为前沿，教材及教辅材料相对匮乏。另一方面，有些培训资料对ARM相关的技术虽讲得很透彻，但由于内容过于庞大，需要读者有一定的学习基础。因此，就如何整理教学资料，转化知识点，让学习嵌入式系统的零基础学生能够学得好，需要做进一步的研究。

1.2软硬件协同设计的理念不够

作为32位处理器，ARM各个系列芯片硬件资源非常丰富，相应地进行项目开发的代码编写也是内容丰富。通常学生仅仅是对硬件资源进行单一的学习，或者单一地认为嵌入式开发就是写代码。对此，学生对软硬件协同设计的理念还没有很好地理解。但嵌入式系统的一大特点恰恰在于，既需要了解硬件，又需要了解软件，在这方面，还需要加强学生的学习。

1.3考核方式过于单一

嵌入式系统课程过往的考核方式比较单一，有的单纯只是进行期末考试。这样的考核方式，对学生而言，既没有对平时学习的激励，同时卷面成绩也并不能全面地反映一个学生的综合学习情况。如果采用“过程性评价”方式，让学生在整个学期中都能够有3-4次的考核评价，将能够在一定程度上激励学生主动学习，提升学习效果。

1.4学生课外自学条件不够

电子类专业往往都有一些实验室，学生做实验必须去实验室。而嵌入式系统的教学可以做一些颠覆，改变以往开发板不能外借的传统，让学生在课下积极地投入到实验中，而真正实验课堂上，教师要检验学生课下学习情况，进行评价及指导的同时，又调动了学生课外实践的积极性。

1.5对课程认识不够

对课程的认识也是影响教学效果的重要方面。任课教师需要让学生了解业界的情况，让学生知道所学的知识是非常有益的，如果学生能够理解课程设置的重要性，就必然会调动学习的主动性和积极性。

2.改革方式

2.1教材选择

嵌入式系统的教材比较少，结合物联网工程专业的课程设置和专业实际情况，我们选取了同济大学的教材。该教材的特点是内容相对完整，不足之处是实际案例比较少。为了达到实践创新能力培养的目标，我们另外结合培训的教材，并且自编讲义对案例进行了扩充，特别是对学生实验用到的库函数及开发手册进行了增补。通过教材和精选项目实例来实现软硬件协同设计开发的教学目的。

2.2章节安排

学生进行嵌入式系统开发，就必须了解嵌入式系统的基本概念、模数/数模转换、输入输出口使用、串口、定时器等，由于有前期51单片机的课程，学生对这些基本概念不会陌生，重点需要向学生讲清楚5l单片机与ARM处理器相关的外设有哪些区别以及独特之处。表1显示课程的教学章节选择及理论课时分配。剩余课时均为实验课时。通过近乎1（理论课时）：1（实验课时）的课时比例配置来强化基础概念的学习和实践过程的重要性（见表1）。

2.3实验安排

将实验分为基础实验和创新实验两大类。在期末学生总成绩构成中，出勤和平时作业成绩占比20%，期末考试成绩占比40%，另外40%是实验成绩。实验成绩由基础和创新各占50%组成。目前我们给学生准备了5套原子开发板（有额外的实验模块），以后将逐步增加到20套，同时实验室还有20套资源相对较少的开发板。开发板附属资源十分丰富，教学视频、实验指导、交流论坛等极大地方便了学生学习。未来的规划是每两个学生分享一块开发板及其附属模块。这样的安排将真正做到“口袋实验室”的模式，才能将实验室搬到教室之外。

2.4答辩安排

本次教改探索的另一个方案就是将平时实验课程改成学生实践答辩课程。因为准备了相对充足的“口袋实验室”，所以在一定程度上保障了这一教改的实现。基于此，教师从单纯的上课，改变为指导学生进行实验项目。从教学效果上看，若干个项目学生都完全实现，而且基础相对较弱的学生也从同伴互相学习和讨论中受益，相比单纯的教师课堂讲授，学习效果更加明显。我们将其称为创新答辩环节和学生观摩分享环节。

2.5创新实验

鼓励学生进行创新这项措施激发了学生的学习兴趣。创新范围是基础实验创新，如增添新的功能，代码增加及改进、创新实验作品的呈现等。按照不同层次的学生情况，实验也进行了进阶分类：基础实验、创新实验、系统原型创造。系统原型创造在图1中用虚线表示，是物联网工程专业接下去要进行教改的方向，将对创新实验进一步提升，激励学生进行原型系统创造。

表2是大多数学生所能够呈现出的创新作品，这些创新实验的答辩促进了学生自身的思考，在过去学生提交实验报告时，教师只是单纯地进行阅读，却并没有形成一个互动思考的过程。如今教学改革带来的是教学相长，在促进学生思考的同是也为教师的教学方式带来启发。

2.6基础知识考核

期末试卷重在考核学生掌握基础知识的情况。这些知识点是区别于微机原理之类的课程的，突出考核嵌入式的特有的一些知识点。基于前期的实践基础，期末的试卷考核主要是考查学生的学习效果。后续将探索以“系统原型创造”来替代基础知识考核。

3.实践效果的比较与进一步改革措施

3.1学生反馈

对一个班级的45位学生进行调研后发现，大部分学生都有类似的认知，即“这门课光看书觉得很多，很杂，很枯燥”；学生从2年微机原理的学习一下子跨到基于ARM和STM32开发板的嵌入式系统学习，这个过程的难度非常大，但是经过一学期的学习之后，学生又感叹收获很多，同时也对嵌入式系统产生了浓厚的兴趣。这其中，“口袋实验室”设计和创新答辩环节激发了学生的兴趣，学生在答辩时分享着自己的实验成果，既提升了自豪感又促进了其他学生的积极性。在这样的教学设计环节中，教师将原来单纯讲嵌入式系统知识点的过程，更多地转变成引导学生如何出实验成果的过程，引导学生通过视频、嵌入式开发资料进行自学，这一过程能够实现很多有意思的实验成果。

表3总结了一些学生的观点。

3.2第二课堂成长

可以说嵌入式系统课程学习为创新创业打下了一定的基础。参加过实践创新培养的学生更愿意去参加其他的实践项目，并且更具有想法和能力。两者相互促进，提高学生的学习兴趣与能力。在产学研结合的模式下，经过一个学期的学习，学生的知识面更广，更加积极地参与老师的科研项目，推动了物联网工程专业特色项目的进一步提升。

3.3和先进教学手段——慕课相结合

嵌入式系统的教学非常需要实践，教师需要花更多的时间对学生进行实践指导及创新引导，就势必会减少课本内容的讲解。前文提及单纯的内容讲解十分枯燥，学生难以听进去，所以需要将常规的教学内容进行预先的视频录制，结合现在的慕课教学方式，让学生通过课余时间多多自行消化吸收。为了强调实践过程，在压缩理论课时的同时，一定要使学生具备课外自学的条件和积极性，这方面，新型教学手段如MOOC和SPOC的引进将得以大大地改观。

4.结语

就嵌入式系统教学而言，物联网工程专业是一门实践性非常强的同时又极具教学改革挑战的课程。本文以常规的教学过程中的问题为切人点进行探索和思考，归纳了嵌入式系统教学中存在的问题，并分析了教学改革的成效。创新答辩环节和学生观摩分享环节为嵌入式系统教学注入了新鲜的空气，调动了学生的学习兴趣，获得了学生的一致好评。后续我们将继续保留这些环节，并结合慕课进程，利用现代教育技术手段，积极探索实践教学改革，并将在物联网工程专业其他课程中做进一步的教学研究，力争使物联网工程专业的学生能真正成为创新创业人才。