EPI教学法在嵌入式系统课程中的应用

常 瑞，王瑞敏，刘春玲

（解放军信息工程大学 四院，河南 郑州 450002）

0 引 言

嵌入式系统课程作为计算机专业本科阶段的一门专业课，教学内容涉及硬件电路设计、C语言程序设计、汇编语言、操作系统、驱动程序设计等多种内容，嵌入式系统作为实现特定功能、进行特定裁剪的计算机系统，又涉及不同应用领域需要用到的不同体系架构和软硬件接口，所以该课程无论是对教员的教学，还是学员的学习，都带来了不小的挑战[1]。

嵌入式系统课程从教学目标来看，具有综合性和实践性特征：综合性体现在嵌入式系统往往涉及学科间的相互渗透和交叉，学科间的边界被突破，学员需要具备多方面的综合能力；实践性体现在嵌入式系统的教与学离不开工程实践的验证与探索，纸上谈兵是行不通的，必须在实际的嵌入式系统上实现、验证相关的理论，才有可能进一步创新。因此，嵌入式系统课程涵盖了基础理论、工程实践和综合创新等不同层次的教学目标，旨在培养具备嵌入式系统设计、分析、验证的专业技术人才。

为实现计算机专业人才系统能力培养的目标，打通最后的一公里，嵌入式系统课程成为系统能力培养课程体系建设中不可缺少的重要一环。笔者多年从事嵌入式系统课程教学，提出了适合于工程实践类人才培养的EPI教学法[2]，并应用于解放军信息工程大学嵌入式系统课程的教学中，经过了3年的实践检验，取得了一定成效。

1 EPI教学法的内涵

EPI（Engineering，Problem-based，Individuation）教学法分别代表工程实践、问题导向和个性化培养这3个教学中的重要环节。教学全过程结合完整的工程实践案例展开，通过解决工程中实际存在的问题，由简单到复杂，螺旋上升，并反复这个过程，提高学员的工程创新能力，同时注重教学过程中的个性化培养。具体的内涵包括以下几方面。

1）工程实践。

教员组织设计体现工程案例的教学内容，改变线性式知识结构，用工程案例串接各教学模块，丰富引导式、讨论式教学环节，从需求出发引出问题背景，在系统设计中完成知识的传授。教学内容紧跟学科发展前沿及教学实际需求，并不断更新完善教学中的工程实践案例。将满足教学目标的完整工程实践案例融入教学全过程，促使架构设计、任务分解、问题解决、团队合作和系统调试等工程实践能力的提升。

2）问题导向。

贯彻以问题为导向的教学方法，课堂教学注重学员的参与度，课堂讨论与课下自主学习相结合，基于BOPPPS教学法建立一套多层次教学环节组织模型，包含引入环节、课前调研、课堂讲授、课后评估、总结归纳、课后延展等，依据学员认知规律设计针对不同授课内容的多样化课堂组织方式，同时还总结出由顶层教学目标驱动的“4S（Structure 、Students、Study、Stage）教 学法”。利用互动教学、角色教学、分层教学、体验教学、问题教学、反馈教学、弹性教学等立体化教学方法开展教学活动。

3）个性化培养。

个性化培养是一整套教学实施过程，能够使学员在掌握课程基本知识的基础上，结合教学目标的不同维度，自主选择学习能够发挥其最大潜能的教学内容，并选择个性化的软硬件平台进行实验验证。在个性化培养的过程中，教员的主要做法包括：建立柔性可重构可自选的学习框架，结合案例式教学的实施，让学员自主选题、自行分工、自立完成，鼓励结合个人能力和特点在嵌入式系统的“分析、设计、验证”等不同维度自由发展，适当允许部分维度的短板，由团队角色所对应的能力维度作为主要考核指标，该框架考虑学员的能力差异，既提高学习兴趣又避免对特色人才的过度约束；融合多样化量化考核方式，增加拍摄视频、课堂展示、撰写报告、项目答辩等考核环节，由自我评价、学员互评和教员总评等多种方式综合决定最终评价结果，促进学员在教学过程中的参与度，实现从“被动学”到“主动学”的心态转变；注重持续反馈式评价，采用课前设问、阶段评测的形式对学习进程进行实时评估，学员可根据过程评价结果及时调整学习进度、团队分工和选题内容，形成动态弹性的教学机制。

2 基于工程案例的教学内容组织

接轨计算机科学与技术（计算机工程方向）规范标准中嵌入式系统（CE-ESY）的知识要求设置教学与实践模块，培养学员理解、分析、解决问题以及提出问题的能力，促使学员对专业领域知识具备较强的分析判断和深度挖掘能力，确保学员在拥有扎实专业基础理论的同时，拥有较强的解决工程实际问题的能力，能够理解嵌入式系统的体系架构和微处理器结构，能够完成嵌入式系统软硬件设计，实现一个完整的嵌入式系统开发（见表1）。

3 面向解决问题的教学环节设计

由于嵌入式系统类型繁多、应用广泛，结合教学内容和实践的开展，学员在学习过程中会出现各种各样的教材、资料之外的实际工程问题。教员不可能在课堂上把所有的问题一一解决。因此，采取了问题导向的教学实施，把各种实际工程中会出现的问题作为重要的纽带，将教员课堂讲授、学员课下学习、实践教学开展三者紧密结合在一起。

同时，建立起良性的反馈机制，使教员和学员都能及时得到反馈。教员能够掌握学员在嵌入式系统开发实践中遇到的问题，及时调整课程内容和讲授进度；学员能够及时获取有用的信息，调整下一步的实践安排。

嵌入式系统原理课程中面向解决问题的教学环节设计如图1所示：“引入环节”“课前调研”“课堂讲授”由教员主导；围绕主线“提出问题—分析问题—剖析问题—解决问题—再提出问题”，学员深度参与课堂，成为教学活动的主体；在不断“实践验证—剖析问题”的过程中寻找问题求解方式并最终给出解决方案；根据学员提出的问题解决方式，教员和学员共同完成“课后评估”“总结归纳”“课后延展”环节，并由学员在此基础上再次提出问题，从而不断深化对问题的理解。

图1 面向解决问题的教学环节设计

4 以个性化培养为目标的教学实施

在嵌入式系统课程教学中，始终贯穿个性化培养的思路，从嵌入式平台的选择、项目的选题到演示的方式都由学员自主选择，给了学员最大的自由度。个性化培养对于挖掘拔尖学员、提高学习主动性和创造性具有显著成效。

在解放军信息工程大学进行了EPI教学法的实施经过3个学期的探索与实践，取得了明显成效。以2018—2019年上学期解放军信息工程大学某专业班的嵌入式系统课程（40学时）为例，教学内容以ARM体系结构为主体，授课方式由原来“理论授课+实践教学”的模式调整为以EPI教学法贯穿的“理论授课+分组实践教学+项目验收”的形式。教学对象共计64名学员，分为8个大组（24个小组），组内成员由学员自己选定，为组内交流和实验合作提供了条件。

课程全部在实验室内展开，前20个学时采用“教员讲授+集中实验+课堂演示”的方式，教员从讲授者变身参与者，参与到各组学员的实验中去，共同查找问题、解决问题，确保能和学员进行有效沟通和交流，实现了教学相长；后20个学时则采用“自主实验+分组研讨+项目验收”的方式，实验室从实验主阵地变成了展示交流的主阵地，学员利用课余时间完成基础验证性实验和自己感兴趣的简单综合实验，上课时间集中展示，并与大家分享经验，交流问题。这些措施提高了学员自主学习的能力，同时也提高了发现问题、解决问题的工程化思想和创新意识。

课程考核方式也由原来的“平时成绩+最终实验成绩”变为“形成性成绩”，考核内容贯穿教学始末。最终成绩包括6部分：平时成绩20%+基础验证性实验20%+课堂实验展示10%+创新综合性实验30%+个人实验报告20%。最终，各大组共组织研讨交流6次（课堂教学时间占比20%），课堂展示达到40余人次（学员人数占比超过60%），全部学员均完成了STM32开发板上（包括阿波罗、探索者、战舰等）的10以上基础验证性实验，全部小组都完成一个以上创新综合性实验。在最后的项目验收环节，每个小组的成员进行作品展示并答辩，其中有9个小组利用摄像头、温度传感器、蓝牙、音响等附加模块，出色完成了智能小车寻迹避障、模拟行车记录仪、激光测距、智能电视APP、营门开关警报、网络通信、万年历、防火警报、智能养猪等创新性较强的实验。

学员在学习过程中付出了很多时间和汗水，教学效果超过预期。实践证明，嵌入式系统课程的教学可以不依赖于统一的教学内容、上课方式和考核标准，学员通过基础实验验证、软硬件设计、组装调试、拍摄实验视频、课堂展示、撰写实验报告等多种方式，在不断总结提升中找到了实验过程的乐趣，提高了自我发现、自我总结的能力。

5 结 语

EPI教学法目前在嵌入式系统课程的教学实施中已取得了良好的效果，得到了学员的认可，提高了学员学习的主动性。然而，在教学过程中也存在一些问题：工程案例的选择，不同基础学员的接受程度存在较大差异，笔者将通过今后的教学实施不断丰富案例库，实现多个平台上的案例作品的展示；个性化的培养方式，对于基础较差、工程能力相对较弱的学员，目前缺少有效的促进和鼓励方法，小组之间，甚至小组内部都会产生一定的差距。笔者将结合教学实际情况，进行了反思与总结，为下一步的教学改革积累经验。