竞赛牵引下的嵌入式系统教学改革

唐永鹤 何红旗 王瑞敏 井靖

摘 要：在分析嵌入式系统课程教学特点的基础上，针对当前嵌入式系统教学中系统性不强、实践安排不合理等问题，提出一种竞赛牵引下的嵌入式系统教学改革方法。该方法立足于嵌入式系统基础知识，在大学生竞赛相关要求的牵引下，从激发学生学习兴趣、锻炼学生综合能力、培养学生系统观与创新思维着手进行改革，辅以贯穿教学全程的过程性考核方式。教学实践表明，该方法教学效果良好，能够有效提高学生综合素质和创新意识。

关键词：嵌入式系统;教学改革;综合能力;过程性考核

DOI：10. 11907/rjdk. 182207

中图分类号：G434文献标识码：A文章编号：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

嵌入式系統是以应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统[1]，涉及先进的计算机技术、半导体技术、电子技术等，在通信与软件、工业控制、网络设备、智能家电、医疗仪器、航空航天、军事国防等领域应用十分广泛。相应地，上述各行业对嵌入式技术人才需求也与日俱增。为此，国内众多高校在本科培养计划中开设了嵌入式技术的相关课程，并就如何培养适应市场需求的嵌入式专业人才进行了深入探索与研究[2-6]。

周一恒等[7]在分析制约嵌入式系统教学效果的基础上，对嵌入式系统课程项目引领式教学进行探讨，在教学项目设置、考核方式等方面进行了改革;卢灿举[8]将案例教学引入到嵌入式系统课程教学改革实践中，具有较大的参考价值;李建荣等[9]提出结合实践与项目推动嵌入式系统双语教学的改革思路;吴立峰[10]提出问题驱动的嵌入式系统教学模式，并结合实例阐述了问题驱动教学方法及教学案例;陈德富等[11]针对研究生嵌入式系统教学提出学术兴趣驱动的新型教学方案。上述方法取得了很好的教学效果，但仍存在一定的局限性，在激发学生学习兴趣、锻炼学生综合能力、培养学生系统观与创新思维方面还存在一定提升空间。为此，本文提出一种竞赛牵引下的嵌入式系统教学改革方法，该方法立足于计算机相关基础知识，紧贴嵌入式技术的最新发展，以竞赛形式引导学生从当前生活中发现问题、提出解决方案、设计并实现相应的嵌入式系统，将知识传授、能力锻炼与创新思维培养贯穿于整个过程，教学效果良好。

1 嵌入式系统教学特点及现状

嵌入式系统教学具有如下特点：①综合性强。嵌入式系统以计算机技术为基础，涉及电子、通信、自动控制等多种专业知识，是一种综合性技术。其次，嵌入式系统包括硬件与软件，二者相互配合实现系统特定功能，其中硬件涉及处理器、存储器、输入输出设备、电源、时钟等，软件又可分为驱动层、操作系统层与应用层软件;②实践性强。嵌入式系统以应用为中心，面向实践，并且随着需求变化与技术进步不断更新，这意味着嵌入式系统教学应以理论为基础，以实践应用为主要目标，重点培养学生解决实际问题的工程实践能力及创新思维。

嵌入式系统的教学特点决定了该课程教学应当围绕夯实学生理论基础、锻炼学生综合能力、培养学生系统观及创新思维展开，但嵌入式系统教学现状与目标还有一定差距。具体表现在以下3个方面：

（1）嵌入式系统理论教学内容一般包括嵌入式系统硬件（包括嵌入式处理器、存储器、外部I/O等）、嵌入式系统软件（引导加载程序、操作程序、应用软件等）、嵌入式系统开发工具与嵌入式最新技术等，高校根据授课对象具体情况而有所侧重，教学内容呈模块化，学生难以从系统角度理解相关知识。实践教学大多是在给定的硬件平台上编程实现规定的功能，对学生的锻炼主要局限于某些模块，不够系统，缺少需求分析、方案设计、硬件平台构建等环节，不利于提高学生分析、解决问题的能力，也不利于学生对嵌入式系统软硬件全局把握和认识。

（2）尽管目前嵌入式系统教学对实践的重视程度有所增强，实验内容也由验证性实验向基础实验与综合实验相结合的方式转变，但是实验内容大多是老师预先设置好的或者受限于使用的硬件系统。这种实验安排使部分学生对相关实验内容兴趣寥寥，无法充分发挥学生主动性和创造性;另一方面，由于实验平台更新较慢，一些涉及新技术的相关实验无法在老旧平台上开展，导致教学及实验内容与最新技术发展脱节。

（3）嵌入式系统教学对知识传授、实践能力锻炼的重视程度较高，而对实验报告等文档撰写能力、实验成果展示汇报等语言表达及沟通能力锻炼机会较少，而后两者对学生今后工作影响十分巨大。因此，现有嵌入式系统教学在培养学生综合能力方面还存在一定提升空间。

2 教学改革具体措施

针对嵌入式系统教学中存在的问题，以大学生竞赛为牵引，采用3-4人一组的分组形式，将实验内容选题、方案设计、方案实现、结果展示汇报贯穿于嵌入式系统课程教学整个过程，重点从激发学生学习兴趣、锻炼学生综合能力、培养学生系统观和创新思维等方面进行嵌入式系统教学改革。

2.1 激发学生学习兴趣

在理论教学方面，单纯的理论讲授十分枯燥乏味，学生不仅难以理解掌握，而且易产生厌学情绪。为此，通过收集、整理学生的毕业设计、电子设计竞赛、物联网竞赛等作品构建教学案例库，根据各个案例中的嵌入式系统知识点，将其应用到相应理论教学环节中，将抽象的理论具体化，增加理论教学趣味性。

在实践教学环节，坚持以“学生为主体”的基本原则，引导学生发现当前生活、工作或学习中存在的问题，并从中选择难易适中、熟悉而又感兴趣的问题作为实验内容，与学生一起讨论并制定问题解决方案，鼓励学生利用所学嵌入式系统基础知识、嵌入式最新技术及网络相关资源加以实现，充分调动学生积极性和创造性。

2.2 锻炼学生综合能力

嵌入式系统教学过程中既要着力提高学生工程实践能力，同时也应大力培养学生文档撰写与语言表达能力，提高学生综合素质。

（1）工程实践能力。竞赛牵引下的嵌入式系统教学以相关赛事为参考，选定参赛题目，在老师指导下制定研究方案。在研究方案具体实现过程中，需要考虑硬件平台构建（选用现有的开发板或自制开发板，还涉及到传感器等模块的选型等）、软件编程实现等，学生不仅要掌握嵌入式系统开发过程中涉及到的软硬件知识、工具等，还必须在老师的指导下充分利用网络相关资源自行解决实现过程中遇到的问题。因此，参加嵌入式系统相关竞赛的过程实际上是锻炼学生工程实践能力的过程。

（2）文档撰写能力。研究方案是竞赛初选参考的重要依据，因此研究方案的撰写是相当重要的一环。本科学生在此之前一般文档撰写经验不足，存在不知应该写什么内容，或者所写文档存在逻辑混乱、语句不通顺、格式不规范等一系列问题。为此，老师会和学生一起讨论写什么内容，确定文档提纲，再逐步充实相关内容。同时，对于学生所写文档中逻辑、语句、格式等方面的问题，与学生一起讨论修改。通过几轮修改完善，一般可以显著提高学生文档撰写能力。

（3）语言表达能力。在教学过程中发现有的学生工程实践能力很强，实验结果也很好，但却不能简洁、清晰地将自己所做的工作及其与众不同之处表述出来，语言表达能力较为欠缺，而现实中该能力十分重要，甚至直接影响到最终成败。为此，在嵌入式系统教学过程中，应注重锻炼学生语言表达能力。一方面，引导学生积极参与课堂讨论及小组交流沟通;另一方面，要求学生在完成实验方案设计后，汇报设计方案，回答老师提问;在实验完成后，学生需制作PPT并在规定时间内进行成果展示汇报。

2.3 培养学生系统观与创新思维

为培养学生系统观，在理论讲授环节，注重发挥案例教学的优势，先从系统角度对案例进行分析，再对案例中的软硬件进行解剖。嵌入式系统教学实践设置则采用全开放式，由学生自行发现问题、分析问题关键所在、制定问题解决方案、构建软硬件环境、编程实现、测试验证，整个过程以学生为主体、老师为指导，使学生亲身体验工程实践的每个环节，培养其从系统角度考虑任务需求、软硬件划分与协同等能力。

为培养学生创新思维，在嵌入式系统教学过程中坚持学生主体地位，引导学生发现生活中存在的痛点问题，启发学生立足于嵌入式系统的基础知识，结合计算机、通信等方面最新技术，提出具有一定创新性的解决方案，着力培养学生创新意识，充分挖掘学生创造力。

2.4 过程性考核方式

课程考核采用过程性考核方式，即考核贯穿于课程整个过程。考核内容弱化对死记硬背知识的考核，强化对知识理解与应用能力的考核，适当突出对探究创新的考核。课程最终成绩由平时作业、课堂讨论表现、实验成绩和考试成绩组成，各部分所占分值及其考核参考依据见表1。

3 教学改革实际效果

三届学生的教学实践表明，本文采用的嵌入式系统教學改革方法具有较好的教学效果，选课学生不仅掌握了嵌入式系统基本原理与设计过程，且能够实现一个简单并具有实际应用价值的嵌入式系统。学员工程实践能力、创新意识也显著增强，在2015级信息安全专业学生中有3个小组利用摄像头、温度传感器、蓝牙、音响等附加模块，实现了机器人灭火、音乐播放器等创新性实验。

在全国大学生Robomasters机器人竞赛、全国大学生物联网竞赛的相关赛事中，参赛学生也取得了优异成绩，其中2016-2017年大学生竞赛获奖情况如表2所示，相关参赛作品申请专利2项。尤其是在2017年9月物联网总决赛中，参赛的两支团队经过调试、展示、答辩、交叉评审、十二强循环赛等环节的激烈角逐，从入围全国总决赛的120支队伍中脱颖而出，双双获得全国总决赛一等奖。

4 结语

在分析嵌入式系统课程教学特点与当前嵌入式系统教学现状的基础上，对竞赛牵引下的嵌入式系统教学改革进行了探讨，以激发学生学习兴趣、锻炼学生综合能力、培养学生系统观及创新思维、改进考核方式等方面为突破点进行改革，教学实践表明该方法可较好地提高学生综合素质与创新意识。

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（责任编辑：江 艳）