《嵌入式系统设计与开发》应用型课程实践教学研究

吴櫂耀 魏杨 黄毅 杨智勇

摘要：针对嵌入式开发人员需求量大但学习入门难度大、国内外高校嵌入式课程教学中的问题和不足、学生学习和实践困难等问题，提出了相应“阶梯式实践教学体系+四个维度的实践能力培养”的实践教学方案。实施过程中，采用“基础层→进阶层→创新层”的阶梯式实践教学体系;以实际项目为主线开展实验设计，在实验过程中从“分析问题能力”“解决问题能力”“实验研究能力”及“应用创新能力”四个维度对学生进行实践能力的培养。此方案已应用到我校计算机专业教学中，通过实践教学的实施，学生对该课程的接受度、实验能力、应用知识的能力、团队合作能力等方面有明显提升。

关键词：嵌入式系统;课程建设;应用型;实验设计

中图分类号：TP311     文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）04-0152-02

1 引言

《嵌入式系统设计与开发》课程是计算机类专业的专业核心课，通过本课程的学习培养学生掌握嵌入式系统开发所必需的基础知识、设计理论和设计方法，培养学生具有扎实认真的科学态度、团队合作能力和创新精神。

市场需求方面，目前市场上嵌入式系统产品非常多，行业机会很大，对嵌入式技术开发人员的人才需求量大，但是由于入门难度较大，对相当大一部分学生造成了困难，学生望而却步。

高校人才培养方面，国内外高校在本课程的教学过程中存在一些问题和不足，主要包括：

1）由于嵌入式应用所涉及知识面跨度大、综合应用能力要求高、知识点繁杂且不容易掌握，学生学习起来比较吃力，对基础知识的理解、案例的应用、技能的掌握等方面存在一定的困难和不足之处[1];

2）教学方法较传统，学生的学习兴趣和创新意识没有被激发出来，因此学生学习效率较低，课堂表现也不好[2];

3）学生层次和水平参差不齐，课程设计得太难，能力差的学生一开始便因为跟不上节奏而掉队。设计得太容易，功底好的学生容易对知识产生疲倦感，因此如何设计好课程给教师教学带来了挑战;

4）教学实践环节，学生只能按部就班地进行实践，学完就忘，不能真正地转化为自己的知识[3]。

鉴于上述国内外现状，本文开展《嵌入式系统设计与开发》课程实践教学研究，对现有教学模式和教学方法进行设计和创新，探究出学生易于接受、乐于参与、满足毕业要求和行业要求的应用型课程教学方法，形成应用型课程实践教学方案，并将该方案应用于我校计算机专业相应课程的日常教学中。

2 具体的应用型课程实践教学实施方案

2.1 实践教学方案设计

基于现有行业中对嵌入式开发人员的基本要求，结合国内外高校在本课程的教学过程中存在一些问题和不足，本文开展《嵌入式系统设计与开发》应用型课程实践教学方法研究，提出了相应“阶梯式实践教学体系+四个维度的实践能力培养”的实践教学方案。

1）阶梯式实践教学体系

本课程实践教学基于“以学生为中心、雅典式教学”的教学理念[4]，采用OBE工程教育模式，以培养行业需要的嵌入式人员为目标来开展实践教学的过程设计。教学设计中，兼具开放的实践教学模式[5]，以项目的实际应用为出发点来组织实践教学内容，项目实验的设计与所讲授的知识点相关联，且采用“小项目+大项目”进行实验内容的设计，形成阶梯式实践教学体系。

2）四个维度的实践能力培养

本课程实践教学从“分析问题能力”“解决问题能力”“实验研究能力”及“应用创新能力”四个维度对学生进行实践能力的培养，如图1所示。通过有针对性的实践教学设计和有效实施，最終提高学生解决实际工程问题的能力，达到课程目标的要求，培养行业需要的应用型人才。

2.2 实践教学方案实施

确定具体实施方案后，实践教学的实施是关键环节，本文的实施办法已应用在我校计算机专业教学中，方案实施过程如下：

1）在“阶梯式实践教学体系”的实施方面，以项目的实际应用为出发点来组织实践教学内容，逐步引导学生在掌握嵌入式开发基础知识后进入项目实验环节。项目设计上采用“小项目+大项目”的方式（在教学过程中，首先完成多个小项目，之后完成大项目，大项目开发过程中需要用到的模块均来自各小项目）。下面以控制LED灯的实际应用为例开展阶梯式实践教学设计，如表1所示，从基础型、进阶型、设计型、综合型等4个维度设计LED灯的应用实验，通过这种递进式的实践教学安排，学生易于接受、吸收、应用所学知识点。

2）在“分析问题能力”“解决问题能力”培养方面，以课堂讲授+随堂练习为主，主要讲解嵌入式系统设计与开发相关的基本概念、基本理论、基本分析方法以及编程思想，将实际工程中所需的理论知识、研究方法、Linux系统编程思想等融入基本知识的讲解中，使同学们能更好地熟悉和掌握嵌入式开发所需的基本知识点，提高学生学习的兴趣和学习目的，做到针对项目工程需求的应用教学;课堂教学尽量引入互动环节，通过问题导入教学，引导学生寻找解决方案，提高教学效果。

3）在“实验研究能力”培养方面，以课程实验为主，在理解基本概念、研究方法、Linux系统编程思想的基础上，通过实际开发与实践，动手寻找答案，以培养学生的团队合作及解决复杂工程问题的能力。

4）在“应用创新能力”培养方面，以课堂讨论、课后启发式作业为主，培养学生在对嵌入式产生兴趣的基础上主动进行探索和实践;具有运用所学知识的能力、创新能力、锻炼表达能力;通过合作客观评价相关工程对社会、经济等影响，发表自己的见解，提升学生的综合能力。

2.3 实践教学方案实施中的教学手段

在实践教学方案实施过程中，采用的教学手段包括：

1）通过讲授法讲解嵌入式基础理论知识，让同学们能够对基础知识点有清晰的理解;

2）通过案例教学法使学生能够通过案例加深对多学理论知识的运用，明白理论是如何和实际相结合，如何进行嵌入式开发入门;

3）通过情景教学法使学生能够融入一个情景下，进行实际功能的应用程序编写并调试;

4）通过讨论法使学生积极参与到项目的讨论中来，通过讨论更好地加深和强化所学知识点，深度分析并探讨实践中遇到的问题。

3 实践教学方案实施效果分析

本文研究方案已在我校计算机专业课中进行教学实施，通过本课程的实践教学实施，学生对该课程的接受度、实验能力、应用知识的能力、团队合作能力等方面有明显提升，学生达到对嵌入式开发人员的基本要求，掌握相关知识包括：（1）嵌入式系统的基础知识，主要包括：嵌入式系统概述、嵌入式Linux开发环境搭建、交叉编译工具链建立、最小Linux系统制作、ARM Cortex-A9 处理器架构、ARM指令集及汇编程序设计;（2）嵌入式系统接口技术及应用（基于三星Exynos4412平台开发板），主要包括：GPIO、时钟管理单元、中断系统、DMA控制器、PWM定时器和看门狗、NAND Flash控制器、UART、SPI、I2C、ADC等各部分驱动软件设计与开发;（3）嵌入式Linux系统移植，主要包括：U-Boot分析与移植、Linux内核基础知识、Linux内核移植。

4 小结

目前市场上嵌入式系统产品非常多，行业机会很大，对嵌入式技术开发人员的人才需求量大，但是由于入门难度较大，对相当大一部分学生造成了困难，学生望而却步;高校人才培养方面，国内外高校在本课程的教学过程中存在一些问题和不足，导致学生对课程不感兴趣，学习起来非常吃力，培养的学生达不到市场对应用型人才的需求。

基于对上述现状的分析，本文开展了《嵌入式系统设计与开发》课程实践教学研究，提出了相应“阶梯式实践教学体系+四个维度的实践能力培养”的实践教学方案，对现有教学模式和教学方法进行设计和创新，采用“基础层—>进阶层—>创新层”阶梯式实践教学体系，以实际项目为主线开展实验设计，在实验过程中从“分析问题能力”“解决问题能力”“实验研究能力”及“应用创新能力”四个维度对学生进行实践能力的培养。

通过实践教学体系的设计、实践、验证，探究出学生易于接受、乐于参与、满足毕业要求和行业要求的应用型课程教学方法，对培养应用型创新型人才，具有非常重要的现实意义和应用价值。

参考文献：

[1] 岳雪亭，王瑞尧，周瑞敏.嵌入式操作系统课程教学模式研究[J].信息与电脑，2020（20）：221-222.

[2] 彭小松，舒秀兰.《嵌入式系统原理及应用》理论课实践教学改革与探究[J].科技视界，2020（32）：50-52.

[3] 王玺，于红旗，谭芳，等.嵌入式电子系统设计课程思政的實践和探索[J].教育教学论坛，2020（45）：46-47.

[4] 匡巧艳.探究式教学法在嵌入式系统教学中的应用研究[J].电脑与信息技术，2020，28（5）：81-83.

[5] 孙中皋，王新军，王玉新.新工科背景下嵌入式系统开放实践教学探索[J].软件导刊，2020，19（9）：266-269.

收稿日期：2021-08-23

基金项目：本文系西南财经大学天府学院2021年校级教育教学改革项目“《嵌入式系统设计与开发》应用型课程实践教学研究”（TFCJG202118）研究成果

作者简介：吴櫂耀，西南财经大学天府学院专任教师，中级工程师，从事本科生教学工作。