嵌入式技術(shù)應(yīng)用教學(xué)改革研究

嵌入式技術(shù)應(yīng)用教學(xué)改革研究〔〕:

摘要：嵌入式技術(shù)應(yīng)用是涉及多門專業(yè)根底類課程內(nèi)容并具有較強(qiáng)應(yīng)用針對性的課程,要求學(xué)生具有較強(qiáng)的多個學(xué)科的專業(yè)根底才能，對教師的工程理論才能要求也比擬高，文章首先分析了嵌入式技術(shù)應(yīng)用課程的特點，接著分析大多數(shù)高校和我校教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題，在參考一些成功教學(xué)案例根底上，應(yīng)根據(jù)本校特色，提出一些教學(xué)改革措施。

關(guān)鍵詞：嵌入式；教學(xué)；課程

本文引用格式：胡應(yīng)坤等.嵌入式技術(shù)應(yīng)用教學(xué)改革研究[J].教育現(xiàn)代化，2022，6〔83〕：109-111.

嵌入式系統(tǒng)市場作為全球信息產(chǎn)業(yè)高速增長的熱點之一，在家用電器、工業(yè)控制、智能儀器儀表、機(jī)電一體化以及航空航天等領(lǐng)域中都有廣泛的應(yīng)用。因此，各院校都將嵌入式系統(tǒng)課程作為電子信息，電氣自動化、通信等專業(yè)學(xué)生的必修課程。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)涉及到數(shù)字電子、模擬電子、計算機(jī)和通信等多學(xué)科的知識，理論性很強(qiáng)。嵌入式系統(tǒng)對于學(xué)生掌握專業(yè)技術(shù)知識，獲得實用職業(yè)技能，增強(qiáng)就業(yè)競爭力具有非常重要的意義。因此不斷地改良和完善嵌入式系統(tǒng)理論教學(xué)內(nèi)容和方法，是培養(yǎng)學(xué)生理論和創(chuàng)新才能的重要途徑。然而，在信息技術(shù)興隆的國家，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)和人才的培養(yǎng)都是一個新的問題，在我國更是如此。嵌入式系統(tǒng)的人才培養(yǎng)落后，造成如今大量的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人才的緊缺。為了適應(yīng)社會和市場對嵌入式系統(tǒng)的人才需求，必須對嵌入式系統(tǒng)的學(xué)科方向建立和人才培養(yǎng)做深化的研究和努力的理論。

一目前嵌入式技術(shù)應(yīng)用教學(xué)存在的問題

〔一〕嵌入式技術(shù)應(yīng)用課程的特點

首相分析下嵌入式技術(shù)應(yīng)用課程的特點：1.專業(yè)涉及面太廣、綜合性太強(qiáng)。嵌入式系統(tǒng)是一門"軟硬兼施";、涉及多門專業(yè)根底類課程內(nèi)容并具有較強(qiáng)應(yīng)用針對性的課程，不僅要求學(xué)習(xí)者具有較好的計算機(jī)軟、硬件根底知識，還要求其具有其他門類專業(yè)的常規(guī)知識(如通信，自動控制，傳感器技術(shù)等)，被業(yè)界認(rèn)為是一科入門門檻較高的學(xué)科；2.在此之前，學(xué)生在算法設(shè)計、應(yīng)用層編程上接觸較多，而嵌入式系統(tǒng)需要大量的理解底層硬件和外設(shè)的工作原理，以及內(nèi)核和驅(qū)動的工作原理，涉及到復(fù)雜的C語言和操作系統(tǒng)的概念，學(xué)生一下子無法承受，甚至產(chǎn)生畏難情緒；3.嵌入式系統(tǒng)往往與應(yīng)用相關(guān)，處理器、操作系統(tǒng)等種類繁多，熟悉這些內(nèi)容，僅僅靠課內(nèi)有限的學(xué)時是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這無疑要求學(xué)生們拿出大量的課外時間加以自學(xué)，這對他們的自學(xué)才能提出了很高的要求，而自學(xué)才能的培養(yǎng)普遍沒有得到足夠的重視或訓(xùn)練；4.嵌入式系統(tǒng)內(nèi)容較新，更新?lián)Q代較快，如何解決理論與理論相結(jié)合，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新才能成為課程教學(xué)的瓶頸。傳統(tǒng)教學(xué)中，嵌入式系統(tǒng)教學(xué)主要采取理論講授，由于電子信息更新?lián)Q代速度很快，學(xué)校教師講授的內(nèi)容與社會需求不吻合。

課題組通過走訪多所高校，與眾多高校的計算機(jī)、電子、自動化等相關(guān)專業(yè)的教師和教研室主任等做過深化交流，發(fā)現(xiàn)目前高校在嵌入式系統(tǒng)教學(xué)這塊還存在以下問題，詳細(xì)列舉如下：

1.隨著高校的擴(kuò)招，包括重點大學(xué)在內(nèi)的生源質(zhì)量普遍下降。很多學(xué)生只愿學(xué)馬上能用、容易上手的知識，這種現(xiàn)象在除重點大學(xué)之外的其他高校普遍存在。學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性亟待進(jìn)步，沒有這一點作為根底，任何教學(xué)改革都是無源之水，天方夜譚。2.由于涉及的知識面廣，綜合性強(qiáng)，這就對任課教師提出了更高的要求。針對IT相關(guān)專業(yè)是一個需要動手才能較強(qiáng)又更新較快的一個學(xué)科領(lǐng)域，大局部的教師都是從高校里畢業(yè)直接又走入高校任教，根本沒有任何實際的工程開發(fā)經(jīng)歷，所以在指導(dǎo)學(xué)生實驗方面難免有些力不從心。其次，很多IT專業(yè)的授課內(nèi)容多年來幾乎沒發(fā)生過任何改變，連給學(xué)生布置的作業(yè)都未曾改變，這在飛速開展的信息時代，如何能跟上社會的需求。目前高校IT相關(guān)專業(yè)的教師，自己獨立寫代碼超過5000行的，根本不會超過10%學(xué)生所寫代碼超過5000行的，就更屈指可數(shù)了。一般的教師很難做到軟、硬件都精通，很多教師都是在承受短期培訓(xùn)之后就給學(xué)生授課的，對相關(guān)根底缺乏全面足夠的理解，理論經(jīng)歷有限。因此，目前學(xué)生理論活動普遍停留在應(yīng)用程序開發(fā)的階段上，底層內(nèi)核移植、驅(qū)動程序的開發(fā)相對較少。3.現(xiàn)有的嵌入式實驗教學(xué)平臺所配的實驗，幾乎都裝備了詳細(xì)的實驗指導(dǎo)書，雖然教師們準(zhǔn)備實驗講義的工作量減輕了，但學(xué)生們按照實驗指導(dǎo)書的步驟一步一步按部就班地重復(fù)實驗內(nèi)容，不僅無創(chuàng)新可言，實驗本身的效果也大打折扣。4.有限的課內(nèi)學(xué)時，無法滿足理論教學(xué)，尤其是綜合性、設(shè)計性理論的需要。由于管理體制的原因，很多院校的實驗室并未完全開放，教師指導(dǎo)學(xué)生課外理論的積極性沒有完全調(diào)動起來，課內(nèi)安排的實驗更多的是為了配合課內(nèi)理論教學(xué)的內(nèi)容，一個實驗一個模塊，缺乏系統(tǒng)性，學(xué)生無法建立完好的系統(tǒng)概念。5.目前很多高校存在因人施教的現(xiàn)象，這里的人不是指學(xué)生而是教師，學(xué)校會根據(jù)教師課時的多少平均分配，并且讓教師根據(jù)自己所掌握的知識面來設(shè)計所授課程。比方有個學(xué)校目前在開設(shè)嵌入式方向課程，安排的上課教師之前是研究自動控制方向的，所以該校所開設(shè)的嵌入式課程根本偏向自動控制技術(shù)方向，那么可想而知這種因人施教的方式不能到達(dá)專業(yè)學(xué)科目的。6.由于實驗環(huán)境，好多高校教師反映說，學(xué)校里面因為經(jīng)費的問題，經(jīng)常都不批復(fù)買一些實驗器件〔一般幾十元或者上百元的器件〕，但是卻發(fā)現(xiàn)幾乎每所理工類高校的實驗室里都整齊擺放著數(shù)臺實驗箱〔價格少那么幾千元多那么上萬元〕。其實目前使用實驗箱教學(xué)屬于較奢侈的行為，完全可以用幾百元的開發(fā)板代替，使用開發(fā)板不僅節(jié)省本錢，更重要的是可靈敏配置，根據(jù)自己的工程需求重新訂制，更便于學(xué)習(xí)。

〔二〕我校嵌入式技術(shù)應(yīng)用課程教學(xué)現(xiàn)狀

我校電子信息工程專業(yè)和電氣自動化自從開設(shè)嵌入式系統(tǒng)課程以來，學(xué)生的嵌入式開發(fā)技能有很了很大提升，對他們的就業(yè)提供了很大幫助，學(xué)生參加了各種技能大賽和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽也獲得了良好的成績，但是也與其他高校一樣存在一些問題：

1.教材講授的內(nèi)容不符合過于廣泛，學(xué)生很難根據(jù)教材進(jìn)展學(xué)習(xí)。目前選用的教材是?基于CORTEX-M3微控制器的實戰(zhàn)教程?，雖然該教材選用的為目前流行的STM32系列的STM32F103ZET6，但是教材的編寫過于廣泛，有些地方的知識點沒有講述清楚，且章節(jié)編排不合理，沒有遵循從易到難的特點，學(xué)生使用起來很不方便，另外實例也不夠，有些地方的原理也沒說清楚。基于此，本課題研究小組正在編寫適宜電子信息工程專業(yè)學(xué)生的教材。2.學(xué)生根底知識過于薄弱嵌入式系統(tǒng)課程涉及到程序設(shè)計語言，如C語言和匯編語言；涉及到計算機(jī)組成原理、微機(jī)原理及接口技術(shù)、單片機(jī)原理等硬件方面的課程。針對電子信息專業(yè)的學(xué)生來說，只學(xué)過C語言和單片機(jī)原理，特別是C語言只是學(xué)了一點根底，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)常要用到如指針、構(gòu)造體、結(jié)合體、枚舉、多文件程序編寫、頭文件包含等都不懂，授課教師講課起來很費力。所以教師在講授C語言課程時，不能只是講授一些簡單的根底知識，而要把指針、構(gòu)造體、結(jié)合體、枚舉、多文件程序編寫、頭文件包含等也要講授。3.與工程理論結(jié)合嚴(yán)密，理論性強(qiáng)。由于嵌入式應(yīng)用的宏大市場和應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛性，學(xué)習(xí)時只有強(qiáng)化理論、嚴(yán)密結(jié)合產(chǎn)品開發(fā)過程所需要掌握的技術(shù)，才能培養(yǎng)出具有創(chuàng)新精神的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。所以我們需要跟企業(yè)的合作，聘用企業(yè)有豐富經(jīng)歷的教師來學(xué)校上課，將企業(yè)的工程帶入課堂。4.教師的實戰(zhàn)經(jīng)歷缺乏，授課知識過時。嵌入式系統(tǒng)是這幾年比擬流行且迅速開展的專業(yè)，由于該課程的知識面廣、理論性很強(qiáng)的特點，所以嵌入式工程師一般是在企業(yè)培養(yǎng)起來的，高校教師大局部只停留在51單片機(jī)的教學(xué)，對社會上流行的STM32芯片知識一無所知，假設(shè)沒有企業(yè)工作經(jīng)歷的話，就算參加企業(yè)的培訓(xùn)也很吃力，根本不能勝任嵌入式系統(tǒng)教學(xué)，所以與企業(yè)結(jié)合教學(xué)能彌補(bǔ)學(xué)校教師的缺乏。

針對上述所存在問題，如何把學(xué)生培養(yǎng)成社會需要的人才，提升學(xué)生專業(yè)理論技能，這就是嵌入式理論教學(xué)急需要解決的問題。

二教學(xué)改革措施

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計教學(xué)改革應(yīng)參考一些理工科重點大學(xué)的成功做法，但切記一定不能完全照搬，必須充分認(rèn)識本校的特點，認(rèn)真考慮并選擇屬于自己的道路。本工程提出以下六方面的研究與理論。詳細(xì)列舉如下：

〔一〕教師隊伍建立

嵌入式是最近幾年才逐漸開展起來的新專業(yè)，教師的教學(xué)經(jīng)歷普遍缺乏，教師隊伍建立非常關(guān)鍵。建議形成以專業(yè)負(fù)責(zé)人為核心，全員參與的教學(xué)隊伍。由于理論輔導(dǎo)的強(qiáng)度非常大，一名教師往往也無法解決理論過程中，尤其是創(chuàng)新理論過程中涉及的所有內(nèi)容，因此我們要探究一門課以一位教師為主導(dǎo)、由多位教師講授或輔導(dǎo)的形式。協(xié)同指導(dǎo)，既能減輕教師的負(fù)擔(dān)，又能進(jìn)步輔導(dǎo)的效果。所有教師都要苦練內(nèi)功，豐富自己的理論程度和理論經(jīng)歷，并真正投入到理論輔導(dǎo)的隊伍中。

〔二〕管理體制改革

很多嵌入式大賽獲得優(yōu)異成績的高校，都得益于三個方面，一是學(xué)生積極參與，二是教師主動投入，三是指導(dǎo)足夠重視。競賽的主體是學(xué)生，由于競賽是自愿性質(zhì)的，面對每年各種各樣的嵌入式大賽，很多高校根本就沒有學(xué)生報名。原因是多方面的，除學(xué)生的個人根底外，還在于引導(dǎo)不夠、宣傳不夠、鼓勵不夠。北京交通大學(xué)的做法是假設(shè)要申請保送研究生，必須有這方面的競賽經(jīng)歷甚至獲獎。另外，很多高校考核教師主要看科研，指導(dǎo)學(xué)生理論活動要占用大量的時間，投入與回報不成正比，很多教師不愿投入精力，而僅靠個別教師指導(dǎo)是無法形成合力的。北京工業(yè)大學(xué)在這方面做得很好，不僅有八人的教師梯隊，大局部教師都直接參與指導(dǎo)并有著豐富的理論經(jīng)歷，學(xué)校也非常重視，投入專款建競賽訓(xùn)練基地。

〔三〕成立嵌入式技術(shù)應(yīng)用學(xué)習(xí)興趣小組

為了鼓勵學(xué)生勇于創(chuàng)新、理論成才，吸引、鼓勵學(xué)生級參加課外科活動，提倡學(xué)生科技創(chuàng)新、科技創(chuàng)業(yè)，以"知識改變命運、科技創(chuàng)造將來";為主題的活動。加強(qiáng)學(xué)生動手才能和進(jìn)步廣東省高職技能大賽的參賽程度。參加嵌入式和電子產(chǎn)品興趣小組，是通過一些電子產(chǎn)品的設(shè)計、安裝、調(diào)試和維修過程，運用所學(xué)的知識，進(jìn)展理論聯(lián)絡(luò)實際，獨立分析問題和解決實際問題的才能，掌握現(xiàn)代電子制造技術(shù)。通過對課外興趣小組的開展，使學(xué)生適應(yīng)社會對電子信息類人才不斷增長的理論才能和分析問題以及解決問題的才能的要求。興趣小組活動內(nèi)容教學(xué)考慮到大多數(shù)學(xué)生的需求，應(yīng)以理論鍛煉為主線，以培養(yǎng)和激發(fā)學(xué)生的專業(yè)興趣為目的，相應(yīng)的穿插學(xué)習(xí)根本知識、根本理論、根本方法、根本技能。在教學(xué)過程中，指導(dǎo)教師提供指導(dǎo)電路設(shè)計和程序編寫，指導(dǎo)教師相應(yīng)的幫助學(xué)生由設(shè)計開始直到電路測試完成為止。

〔四〕課群建立，課程整合

我們發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致學(xué)生失去興趣的另外一個原因是課程太多、壓力太大。如我院近幾年相繼開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)根底、嵌入式匯編語言、嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式軟件設(shè)計、嵌入式軟件測試、課程設(shè)計等課程，要通過考試，學(xué)生們必須完成相應(yīng)任課教師布置的大量作業(yè)，學(xué)生們普遍感覺很累。假設(shè)通過一個大的Project，將嵌入式匯編、軟件設(shè)計、軟件測試等課程內(nèi)容有機(jī)的整合起來，讓學(xué)生得到系統(tǒng)級訓(xùn)練，作為內(nèi)容的提升，可以讓學(xué)生在嵌入式軟件的優(yōu)化、功耗的降低、可靠性設(shè)計等方面做些研究和實驗，甚至可以延續(xù)為畢業(yè)設(shè)計題目。因此，必須以專業(yè)為根底，進(jìn)展課群建立。

〔五〕教學(xué)方式改革

嵌入式系統(tǒng)理論性很強(qiáng)，且有一定難度。建議采取自頂向下(尋根究底)的教學(xué)形式，這也符合認(rèn)識事物的規(guī)律。建議學(xué)生們最好有一點單片機(jī)的根底，初期用現(xiàn)成的學(xué)習(xí)板，盡量簡單，后期可嘗試自己設(shè)計，從硬件到軟件完全自己做。不僅要進(jìn)展軟件的設(shè)計，而且還要進(jìn)展硬件電路的設(shè)計和制作，以及軟硬件系統(tǒng)的結(jié)合調(diào)試，使學(xué)生建立相關(guān)課程之間知識的有機(jī)聯(lián)絡(luò)。讓學(xué)生熟悉需求分析、方案設(shè)計、原理圖和PCB繪制、元器件采購、電路的焊接和調(diào)試、嵌入式軟件開發(fā)等各個環(huán)節(jié)，使他們的工程理論才能得到真正進(jìn)步。值得注意的是，工程必須盡可能接近真實世界，因為真實的工程有很多約束，而這正是嵌入式系統(tǒng)的特點?？紤]到學(xué)生的根底參差不齊，必須分層次要求和考核。針對實驗教材過于詳細(xì)的問題，建議任課教師對實驗重新進(jìn)展逐一設(shè)計，制造一些問題，盡管工作量很大，但確實非常必要。要發(fā)揮教師指導(dǎo)、教練的作用，強(qiáng)調(diào)學(xué)生自學(xué)才能的培養(yǎng)和進(jìn)步。教學(xué)中要講思路、思維方式和方法，詳細(xì)知識讓學(xué)生自學(xué)，并記錄遇到的問題，長時間無法解決的典型、普遍性的問題再在課堂上統(tǒng)一講授。建立資源庫，尤其是師生互動的教學(xué)資源，建立答疑庫，逐漸積累豐富。好的作品建立音視頻錄像永久保存。這樣第二年的工程可在此根底上再有所發(fā)揮。

〔六〕教材建立

每個學(xué)校都有自己的側(cè)重點，根底也不一樣，建議自編講義，結(jié)合教學(xué)大綱更多地融于自己的研究內(nèi)容，在講授的過程中思路也會更加明晰，從而可以在教學(xué)中傳授更多的經(jīng)歷而非簡單的知識，條件成熟時還可以公開出版，很多高校都有類似的做法。

三完畢語

通過工程的研究，預(yù)期建立一套完好的嵌入式技術(shù)應(yīng)用的教學(xué)形式，包含符合高職院校的教學(xué)方案及實訓(xùn)安排。在工程完成后，可以根據(jù)學(xué)生的反響評估教學(xué)施行效果。根據(jù)"以學(xué)生為中心";的專業(yè)改革調(diào)整思路，評估嵌入式技術(shù)應(yīng)用教育教學(xué)改革的成效。最終建立一套完好的嵌入式技術(shù)應(yīng)用的教學(xué)形式，充分發(fā)揮高職院校的特長。

參考文獻(xiàn)

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