应用型本科机器人方向嵌入式系统课程教学方法探讨

王良燕

摘要：在很多高校，嵌入式系统课程是计算机、电子等工科专业的必修课之一。该课程在教学内容上差别不大，没有明显特色。本文分析了嵌入式系统课程教学中存在的一些明显问题，针对应用型本科院校的机器人方向，提出了一些针对性建议。通过在实际教学中进行改进和实践，总体教学效果良好。

关键词：嵌入式系统课程；机器人方向；应用型本科

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）29-0179-03

一、引言

随着信息技术的发展，嵌入式技术如今也飞速提升，目前已普遍应用于工业控制、电子通信、医疗设备、智能家电等多个领域，成为当前应用最广泛的技术之一。各大高校也普遍开设了嵌入式系统课程，以适应行业的发展。但目前的嵌入式系统课程教学普遍存在一些问题，很多学生在学过这门课毕业后，还是很难快速适应行业需求，需要重新摸索学习。因此这门课程还有很多地方需要改进提高。本文分析了目前教学中存在的一些问题，针对应用型本科院校的机器人方向，提出了适当的改进建议，并在实际教学中进行了应用，取得了一定的效果。

二、嵌入式系统课程教学现状和存在的问题

在应用型本科院校中，计算机、电子等专业基本都在高年级开始了嵌入式系统课程，并且是作为一门重要的专业课程。机器人方向通常是隶属于计算机专业下的一個发展方向，这门课程是非常重要的专业必修课，其针对性和实践性都很强。但嵌入式系统这门课程的教学很多都流于形式，学生学后还是云里雾里，不知道所学有何用处，因此这门课程的教学还是有诸多问题的。

（一）教学方式过于传统

嵌入式系统开发不同于以往简单的硬件开发或软件开发，它是软件和硬件技术的紧密结合，涵盖多学科知识领域，如电子电路设计、硬件驱动设计、计算机网络、软件编程等[1]。因此，嵌入式系统课程的教学与传统专业课教学也有明显不同之处，其他专业课例如计算机网络、数据库等通常侧重于某一方面的专业知识，教学时可以充分详细地介绍课程中的各种细节知识，并能很好地连贯综合，学生在学习时也能很好地理解所学的知识。而嵌入式系统是一门综合性很强的课程，囊括了方方面面的专业知识，一旦学生欠缺某方面的知识点，在学习时就会非常困难。由于嵌入式系统包括的内容太多，而课时有限，所以传统的教学通常是将每个主要的知识点都讲到，但都不能太精，各个部分不太容易连贯在一起，基本变成一门综述性课程，使得学生学后还是不太清楚学了些什么。

（二）师资力量缺乏

目前高校里的嵌入式系统课程教师普遍学历较高，也具有较强的教学能力和科研能力，可以很好地指导学生学习理论知识。但嵌入式系统是一门应用性很强的课程，学习理论知识的同时，还需要大量的实践操作，但目前的高校教师很少有企业实际开发经验，教学普遍以课堂讲授为主，只有理论讲解，没有实践操作。很多高校在实践环节使用集成实验箱开展教学，学生只需要按照接线图简单地连接电路并下载例程，就可以完成实验任务，不能充分锻炼学生的动手实践能力[2]。实验箱有助于学习原理，但始终在一个实验箱上进行实验，学生还是无法掌握开发的要领，学习也就变得枯燥乏味。很多学生毕业后从事相关工作，由经验丰富的工程师指导开发，往往一个月比在学校里学一个学期的东西还要实用。因此高校教师，尤其是应用型本科院校的教师，实践经验还有待提高。

（三）不能完全符合行业需求

嵌入式系统被应用在很多产品上，种类繁多。近年来，从事嵌入式系统开发的工作也非常热门。嵌入式系统产品开发包括硬件设计、驱动开发、应用开发、系统定制和移植等多方面工作，对于刚从学校毕业从事这方面工作的学生来说，主要侧重从事嵌入式应用开发等相对上手容易的部分，其他难度较大的开发工作通常涉及较少，而学校里的学习需要各方面兼顾，侧重较深的原理学习，对开发方面的学习并不是重点，即使学习，很多也有些过时，不一定能完全跟上企业需求，因此学生在参加工作后还需要学习各种新的开发工具、开发方法等知识，学校里学习的内容用处不大，使得这门课形如鸡肋。

三、应用型本科嵌入式系统课程改进建议

针对应用型本科院校目前嵌入型系统课程教学中存在的问题，提出一些适当的改进建议，以尽可能帮助解决这些教学问题。

（一）改进教学方法，拓展教材内容，改革考核方式

嵌入式系统的主要特点是软、硬件结合，面向应用；嵌入性、专用性和计算机系统是嵌入式系统的三个基本要素[3]。“嵌入式系统设计”是一门综合性、实践性以及应用性都较强的专业任选课，必须通过课程实验、项目开发、科技竞赛等环节进一步加深对课堂理论内容的理解，才能将理论知识与实践应用有机地融合起来[4]。因此，嵌入式系统课程的教学不应只局限于理论课和传统实验课，最好能形成开放式教学，将具体的产品开发融入到教学中，例如一个学期安排学生设计一个完整的小型嵌入式设备，从硬件设计到软件开发，都让学生参与进去。每个环节的理论知识在课堂上讲授，每学一个知识点，就安排适当的实验课时，让学生将所学内容实现出来。实验不应只局限于实验箱，可以从最基本的开发板做起，然后由学生自己在上面设计出所需要的各个功能。实验室应开放给学生随时学习，这样可以调动起学生的兴趣和积极性。此外，还要鼓励和带领学生多参加嵌入式相关的竞赛，例如智能车比赛、机器人大赛等，在实际应用中让学生主动自学，这样通常可以收到事半功倍的效果。

教材可以选择一本理论教材，同时配套一两本实验或实训教材，老师也可以根据需要自己增加教学内容，不应只局限于一本书，重在实用性。学生在学习过程中能不断看到成果，就会增强学习的动力。

嵌入式系统课程的考核不应只是看理论课考试成绩，实验考核也必不可少，而且实验考核不应流于形式，最好通过具体的设计成果来评判学生的开发能力。

（二）加强师资力量，拓展教师培训

高校教师多数来自高校，一直在高校中从事学习和研究，虽然学历很高，但因缺少企业工作经历，实际开发经验通常不足，因此教学也多侧重理论和传统教学方式，对于具体的产品开发，教师自己很多都无法完成，更不用提指导学生完成产品设计了。因此，嵌入式系统课程的教学通常都比较枯燥乏味。这就需要学校能尽可能多地安排教师参加嵌入式相关的拓展学校，虽然目前高校中也有各自培训，但都不够实际，如果能安排教师直接到企业中参加一段时间的开发工作，必定会受益匪浅，在指导学生方面也可以有一定的提升。

（三）面向实际应用，与行业接轨

对于应用型本科院校的学生，所学内容应侧重应用。因此，在学习开发过程中，学生所学也要有侧重点，教师可以帮助学生完成像操作系统定制移植等难度较大的工作，将大致原理和操作流程讲授给学生，在此基础上，由学生自己去完成具体的应用功能设计。在实际学习过程中，要了解当前社会行业的需求，让学生能学到最新最有用的知识。学生也会更有兴趣。

四、机器人方向嵌入式系统课程的改进

针对机器人方向较强的实践性，我院为嵌入式系统课程进行了如下改进措施：

首先，在新的人才培养方案中将嵌入式系统课程和单片机课程相结合，开设一门新的单片机与嵌入式系统课程。该课程将以当前最流行的STM32处理器为教学主体，减少传统的8位和16位单片机教学内容。STM32处理器是为嵌入式应用专门设计的。该处理器基于ARM Cortex-M3内核，具有高性能、低成本、低功耗等特点，目前在市场上具有非常广泛的应用。该课程的实验不是在传统的实验箱上进行，而是结合实际的移动机器人平台进行操作，机器人也是采用STM32处理器为核心。將嵌入式和机器人相结合，可以极大地锻炼学生的动手能力。

其次，与竞赛相结合。最近两年学院组织学生参加了多次机器人相关的竞赛，包括机器人智能搬运比赛、机器人擂台对抗赛、机器人搬运码垛比赛、机器人灭火和救援比赛等。竞赛时设计的机器人大多数都是基于STM32处理器，学生需要了解机器人的硬件架构，熟悉软件开发平台，并能进行算法设计和程序编写。从硬件组装到程序设计、编写和调试，都要用到嵌入式系统产品开发过程中的相关技术。老师在竞赛准备阶段全程陪同学生进行学习和研究，遇到问题和学院一起调试解决，整个竞赛准备工作就是对嵌入式系统知识的很好应用。学生对比赛兴趣浓厚，经常废寝忘食地调试机器人。通过参加竞赛，学生既取得了成果，又学到了很多嵌入式方面的专业知识，对嵌入式系统课程的学习效果是一次很好的检验。

此外，学院还鼓励学生积极申报大学生创新创业项目，机器人方向的学生一大半都参与了项目申报，申报题目都与机器人相关，诸如轮式码垛机器人、智能避障机器人等，学生在准备项目的过程中，将嵌入式系统知识最大化地融入到自己的项目当中。我院2018届学生的准备毕业设计阶段，将选题和项目挂钩，毕业设计题目基本都是和机器人设计相关的题目，在具体设计阶段，需要结合大量嵌入式开发技术进行机器人功能模块设计。

总之，通过多方面的结合，学生在平时实验、参加竞赛、参与项目和毕业设计过程中，都充分应用了嵌入式系统相关知识，嵌入式系统课程也可以和机器人技术完美结合。学生既有兴趣，也能学到有用的东西。

五、小结

针对目前应用型本科院校中嵌入式系统课程存在的问题，本文提出一些粗浅的改进建议，并在机器人方向的教学中进行了适当改进，学生普遍对该课程提高了兴趣，并觉得这门课非常重要。希望这些建议对这门课程的教学有所帮助，也使得学生在将来的学习中可以学到更多有用的知识，使这门课程变得更实用。

参考文献：

[1]赵常松.高校嵌入式课程教学方法的研究[J].职业与技术教育，2016，（18）：198-198.

[2]杨晶菁，张栋，余春艳.以应用为中心的嵌入式系统教学[J].计算机教育，2014，（15）：75-78.

[3]刘森，慕春棣.自动化专业的嵌入式系统教学探讨[J].实验技术与管理，2007，24（1）：115-117.

[4]张晓东，孙丽君，鲁可.高校嵌入式系统课程教学改革探索[J].中国电力教育，2013，（8）：35-38.