嵌入式系统教学方法探索与实践

马宾 刘权

摘要：对当前嵌入式系统教学过程中问题的原因进行了分析，提出了一种基于需求为导向的教学方法，结合学生竞赛与具体项目，在一定范围内进行了试验推广。实践证明，该方法能够激发学生自主学习的积极性与求知欲，提高学生的创新能力。

关键词：嵌入式教学;课程改革;教学方法;自主学习

中图分类号：G642         文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）02-0144-02

随着社会信息化和物联网进程的加速，嵌入式系统已广泛应用于航空航天，军事，医疗，工业，商业，汽车，以及生活各个方面。在全球范围内嵌入式系统工业年产值已突破万亿美元，呈爆炸式增长趋势。社会对嵌入式系统人才需求量激增，各高校相继开设嵌入式系统方面相关课程，为科研机构和企业培养相关人才。

从嵌入式系统定义出发，以计算技术为基础、满足需要、软硬件定制的系统都可以归纳为嵌入式系统。因此，相关的课程涉及较多，有硬件电路方面的知识、有软件方面的编程知识，有算法和控制理论等方面的知识，如何将这些知识有机结合起来，培养学生实践能力与创新能力，提升教学效果与学生培养质量，对教学组织者和实施者来说是首要考虑的问题，只有质量的教学才是有意义的教学。

1 嵌入式系统教学中存在的问题

一般认为有智能器件参与的系统都可以认为是嵌入式系统，而智能器件包括单片机、PLC、FPGA、DSP等多种类型，但一般高校在教学实施过程中所提及的嵌入式课程大多指的是ARM类单片机相关课程，本文主要所述的嵌入式系统教学也是以当前主流的STM32单片机应用教学为核心。

一般情况下，信息社会的发展，物物互联的趋势，使学生在课程开始时有较浓厚学习兴趣与学习意愿。传统的教学方法课程讲解和课程实验分阶段实施，局限于某门课程理论知识的教学。而嵌入式系统涉及的课程较多，在教学实施过程中，教师要讲解多方面内容，就STM32教学来说，要讲解时钟系统、各种外设驱动与协议、人机接口、操作系统等方面的知识，偏重功能实现。如果课堂教学和实验不同步进行，时间一长学生就会对教师提供的大量信息感到迷茫、枯燥、找不到学习的乐趣，会严重打击学生信心，进而导致学生学习兴趣的丧失。因此如何激发学生的求知欲，引导学生主动自主学习，是必须解决的问题。另外传统的课程考核方式为卷面考试，很难考查学生的综合素質做全面衡量。教学进程设计得不合理与考核方式的不合理，都直接导致了教学质量的低下。为提升教学效果，笔者结合各种学生竞赛、实际项目，对嵌入式系统教学方式做了一系列有益尝试，并逐渐将这些成果应用于课堂教学中。

2 结合竞赛与项目的嵌入式系统教学方法探索与实践

笔者对自己在嵌入式系统方面的学习方法上进行了反思，STM32是近些年来才逐渐流行起来，笔者在学校并没有学习过这方面的课程，而是为了项目开发需要，才开始对其应用方法进行自主学习，实际上很多工程技术人员也是为了解决某个问题而作有针对性的快速自主学习。那么能不能在学校的教学过程中，也引入这种以产品开发为目的，教师引导与自主学习相结合的高效的学习方法呢？为验证其可行性，笔者近几年来结合学生竞赛，对嵌入式系统教学方法进行了相关探索。

从谨慎的角度出发，这种教学方法未验证其有效性之前，不宜在课堂教学中直接试点，但可以在部分有兴趣并有参加愿意的同学中先试验，取得一定成果后再在课堂教学中推广。考虑到很多学生竞赛时需要嵌入式系统方面的知识，因此在这部分同学中开展相关教学方法探索与实践较为适宜。实际的小范围教学试验工作近年来利用暑期展开，每年参加的学生控制在约五十人左右，学生来源主要为电气、机制、农机、车辆等专业的大一、大二、大三学生。为培养学生自主学习能力，引入工程技术人员在项目开发中以解决问题为目的的学习理念，培训与竞赛、项目密切结合，其实施过程主要分为三个阶段，一是培训阶段，二是实训阶段，三是参赛与项目阶段。

2.1组队与培训

培训前让学生自由组队，建议学生按“1、2、2”的方式组队，即1位大三的同学，2位大二的同学，2位大一的同学为一组。大三的同学暑期一过马上面临保研、考研、找工作等方面的问题，因此参加的意愿不是太高，为形成“高年级带低年级”的良好传承，我们和学生先期约定，暑期教育是相关教师免费的付出，在掌握相关技能后，高年级的同学有义务帮助低年级的同学提升能力。但考虑大三同学实际情况，每组的大三同学定为1人;2位大二的同学在教师和大三同学的带动下，后期作为竞赛主力;大一的同学刚学完一年的基础课程，各方面的能力稍有欠缺，每组2位大一同学能在高年级同学的带动下，重点结合需要开展有针对性的学习，培养自主学习理念。

从产品研发的角度出发，培训工作不再局限于某门课程。因为学生来源于不同专业、不同年级，这给培训工作带来了较大的难度。在具体的实施过程中，第一阶段为低年级、非电类专业同学的基础知识的扫盲，高年级强化阶段，主要涉及模数电与STM32应用方面的教学。第二个阶段为实训阶段，教师布置一些具体的实际小项目，让各队在教师在引导下组织实战，在实战过程中重点锻炼学生电路板绘制与制板、程序编写和软硬件调试方面的能力。暑期时间约为两个月，这两个阶段一般各占一个月的时间，有时候也糅合在一起，如在理论学习的时候不再布置书面作业，而是要求学生搭建电路或编写、调试程序，形式相对灵活多变。

2.2竞赛与项目

为充分调动学生的积极性与主动性，打造学习的必要性和迫切性，培养以解决问题为目的的自主学习理念，竞赛与项目的参与是必不可少的且是重点环节。首先要引导学生积极参加各种级别、各种类型的相关竞赛，原则上为每位参与培训的同学创造机会，使之都能参与竞赛，保护每位同学来之不易的动手激情。具体某个竞赛，为保证竞赛的效果，根据教师掌握的实际情况，也要进行队伍删减和队员调整方面的工作，同时做好学生的思想工作，让同学们了解自身的不足与努力方向，积极为下一个竞赛做准备。

对部分能力较强的同学，在学生自愿的情况下，组织这部分同学对教师正在开展的项目进行研究与学习，参与到项目中来，让同学们看到自己参与的项目成为实际产品，并在某个领域得到应用，能够很好地调整同学们的自豪感，进一步激发自主学习的热情。

一個实际的嵌入式系统产品都是为了解决某种实际需求，不仅仅是单纯的电子学方面的知识就能解决问题，因此跨专业的组队方式是必要的，更能培养同学们的解决工程问题的理念，锻炼协调、沟通能力。对电子类同学来说，不管是电子学方面的还是电磁学方面的知识都非常抽象，看不见摸不着或不能摸，只有在实践的过程中将理论应用于实践，在设计和调试过程中，功能的实现才能将抽象的理论具体化。结合实际研发过程和应用过程中出现的问题，才能最好地体会理论知识与元器件参数意义。

3 嵌入式系统课堂教学改革的思考

结合前期的与竞赛、项目结合的实践经验，提升学生的综合能力、培养的自主学习意识方法上的探索，并逐步将其理念引入到嵌入式系统课堂教学中，改革嵌入式系统教学现状，让整体同学受益。

3.1教学与实验

我校以前的教学计划，电气类同学的嵌入式系统专业课程安排在大四上作为选修课，而学生竞赛往往又需要用到这方面的知识，因此该课程可以适当提前。结合暑期的STM32培训经验，不少非电类同学也能很好地掌握STM32的应用开发知识，因此在C语言课程开设后，就可以进行嵌入式方面的教学。从暑期的经验出发，嵌入式教学应该从两方面改革：1）积木式教学;2）不严格区分课程学习与实验。

在教学过程中，对同学们的要求是集中精力于功能的实现。软件上采取现场写代码的方式实现相关功能，并提供给对同学们，修改相关参数要求后作为课后练习，要求以照葫芦画瓢的方式来实现。因为在实际的项目中针对某种具体功能实现，代码大多类同，往往是在以前的工程代码上修改来实现。照葫芦画瓢地累积经验，积木式地实现功能，更能体现工程思想，也能更快速地实现相关功能，激发同学们的兴趣，抓住重点。另一方面课堂教学和课后练习都是实验相关内容，不再严格区分理论课与实验课，为每位同学提供开发板。在教学过程中直接将课堂搬到实验室授课，同学们上课的时候有计算机可以用，随时可以进行调试，相比较以前传统的教学方式，同学们的积极主动性更高。

3.2考核方法

实际的教学中往往会出现高分低能的同学，也会出现成绩一般但实践能力很强的同学。考试成绩很好但实践能力低下是考核方法导向性引发的问题。嵌入式系统需要的是同学们强大的动手能力，因此考核方法也亟须改革。

在新的考核方法中，试运行以项目为导向的考核方法，即教师拟定一些相对易于实现的小项目，要求学生组队，制作电路板、编写程序、撰写报告，然后采用答辩的方式考核。在实施过程中能培养学生的动手能力和团队协作精神。但若完全以项目开发的方式考核，考核成绩不再以个人能力区分，而是以团队整体打分的方式，对每个同学而言并不是很公平，而且期末由于各项考试，学生也很难集中精力于项目，从谨慎的角度出发，当前以课程考试与项目考核加权的方式进行。

4 结论与展望

得益于相关教师的支持与无私奉献，暑期的以工程思想为导向，培养自主学习能力的教学探索实践进展比较顺利。近几年参加培训的同学自主学习的积极性得到了极大的增强，令人感动的是为了解决相关问题，不少同学经常通宵达旦地奋斗，这更进一步坚定了我们对于嵌入式教学改革的信心。参与的同学无论是保研、考研还是工作，都能从竞赛成果与项目经验中受益。从竞赛的结果看，整体情况也比较理想，本年度以笔者为指导教师参赛的同学获一等奖、二等奖、三等奖各一项，实用新型专利一篇。

引入工程化导向思想的教学方法，可以培养学生自主学习意识，为企业培养高水平的应用类人才。但也由此带来了一系列问题，主要体现在以下三个方面。

1）理论课还是实践课？这种教学改革不再对其严格区分，也难于对其进行一个很好的定义。2）教学损耗、器材管理，开放实验室等方面的问题。从前期情况看，STM32开发板损失率较高，近两年购置近百块开发板，损失率高达三分之二，因为教学过程中需要同学们制作电路，所以还涉及开放实验室管理、器件管理与经费来源问题。3）对教师要求高，付出大。在暑期的实践中，指导教师全程陪同学生。在改革后的教学方法中，需要多位教师参与进来为学生指导、答疑并对作品进行考核。而无论是暑期培训还是日常教学过程中的额外工作量，考验的是教师的责任心与教师的考评体系。

参考文献：

[1] 谢东，鲍尚东，宋鸿儒. 嵌入式系统项目化教学新模式的探索与实践[J].长春师范大学学报，2017，36（6）：118-121.

[2] 梅建东，陈霞，李红春. 项目化嵌入式教学体系搭建[J].科教文汇（下旬刊），2016（3）：70-71+80.

[3] 张其亮，王爱春，陈永生. 能力递进式项目教学法在嵌入式系统课程中的实践[J].实验室研究与探索，2014，33（8）：185-189.

[4] 李妍.项目化教学在嵌入式系统实践课程中的探索[J].实验室科学，2012，15（5）：27-29.

[5] 朱卫华，屈振华，刘宗瑶，等. 嵌入式系统课程中项目化教学与研究性学习探索[J]. 价值工程，2012，31（12）：259-260.

[6] 陈威.项目化教学模式在嵌入式系统开发实验中的应用[J].实验室科学，2011，14（6）：162-165.

[7] 李宁，宋薇，库少平.项目化嵌入式教学方法研究[J].单片机与嵌入式系统应用，2010（2）：5-8.

【通联编辑：梁书】