嵌入式系统课程教学改革探索论文

时间:2020-09-21 10:28:51 其他类论文 我要投稿

嵌入式系统课程教学改革探索论文

  【摘要】新兴产业和新经济发展所提出的“新工科”理念给工程人才的培养及课程教学与改革带来了很大挑战。本文针对“嵌入式系统”课程教学中存在的课程内容陈旧、教学模式单一、考核方式固化等问题,围绕教学策略实施、教学内容重构及考核方式改革等内容,提出“嵌入式系统”课程改革的理念与思路。

嵌入式系统课程教学改革探索论文

  【关键词】嵌入式系统;教学改革;新工科

  引言

  当前,国家“创新驱动发展”“互联网+”等系列战略的实施,使以新技术、新业态、新模式、新产业为代表的新经济受到广泛关注并得到快速发展。新形势与新战略对我国传统的工程人才培养提出了挑战,迫切需要大量工程实践能力强、创新能力强、具有国际竞争力并能适应未来发展的高素质复合型的“新工科”人才[1,2]。为此,教育部发布了《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》,提出了以“新工科”建设为主题的高等学校工程类专业教育改革的新概念[3]。而嵌入式系统不仅是一项综合多个领域知识的工程应用技术,也是物联网和大数据行业等新兴领域的重要组成部分[4]。因此,如何能适应“新工科”背景,以新理念、新模式更好地开展“嵌入式系统”课程教学,对提高嵌入式系统技术工程人才的培养质量具有重要的意义。

  1“嵌入式系统”教学存在的问题

  近年来,随着嵌入式系统技术在智能交通、工业控制、日常生活等领域的广泛应用,为应对市场需求,培养嵌入式系统设计工程人才,国内众多高校开设了嵌入式系统设计及应用的相关课程。“嵌入式系统”课程具有综合性强、内容宽广、软硬件结合、实践性强等特点[5],而在实际教学中常常存在课程内容陈旧、教学模式单一、考核方式固化等问题,无法满足新经济的发展要求,具体情况如下。

  1.1课程内容陈旧,理论技术性弱

  目前,一方面,“嵌入式系统”课程内容基本是基于具体特定的微处理器芯片(如ARM7)及与其对应的指令系统、软件开发环境展开,而缺少嵌入式系统理论和嵌入式设计方法的总结与研究,从而造成了学生针对嵌入式系统的理论基础差、分析解决问题能力弱[6];另一方面,嵌入式系统技术及其微处理器技术发展迅速,新的微处理器、接口、总线等不断出现新的产品和标准,如ARM处理器早已发展到Cortex系列,导致已有的基于特定处理器芯片的课程内容严重滞后于快速发展的行业技术应用。

  1.2教学模式单一,学习主动性差

  传统“嵌入式系统”课程教学多以基于PPT的固定教学方式为主,由于课程内容多而课时少,教师往往容易从自身角度出发,专注于讲解知识点,急于在有限的课时内完成课程的`教学任务,且常常没有结合系统在实际设计中的工程问题来引导学生。这种以教师讲解为主的教学模式,一方面不能很好地调动学生的学习兴趣和主观学习动力;另一方面教师的讲解容易流于程式化,使课堂氛围缺乏活力,难以在授课的过程中真正锻炼学生的创新性思维能力。

  1.3考核方式固化,综合素质培养缺乏

  目前“嵌入式系统”课程的考核方式普遍为“平时成绩+期末考试成绩”的方式,而占有较大比例的期末考试一般采取纸质试卷考试。这种传统的考核方式结构僵化,忽略了学生对知识的掌握及综合应用能力的评价反馈,不利于提高学生解决工程问题的能力。

  2“嵌入式系统”教学改革与探讨

  针对上述问题,围绕“新工科”工程教育改革的新理念、新结构、新模式、新质量、新体系,以工程教育为目标对“嵌入式系统”课程教学进行改革,具体内容如下。

  2.1课程改革的基本思路

  “嵌入式系统”课程改革的基本思路如图1所示。面向“新工科”人才培养,以学生综合能力提升为目标,通过教学策略(教学模式)实施、教学内容(理论教学与实践教学)重构及评价反馈(考核方式)改革等手段,围绕“以学生为中心”的理念与宗旨,最终实现本课程在人才培养中所发挥的实际效用,提高学生的工程实践能力及创新能力。

  2.2课程内容与课程资源建设

  面向“新工科”人才工程实践能力、创新能力所对应的知识体系,梳理“嵌入式系统”课程的知识点,修订教学大纲和重构教学内容。课程内容包括理论课程与实践课程两大部分。

  (1)在理论课程内容方面,强调对嵌入式系统理论和设计方法进行介绍。课程设置内容包括嵌入式系统规范与建模方法(通信有限状态机、数据流等),嵌入式硬件组成(传感器输入部件、处理单元、内存、通信协议、执行器输出等),系统软件(嵌入式操作系统、硬件抽象层等),系统性能评估与验证方法,实时系统调度策略等。课程内容讲授的思路与要求包括3个方面。①从设计方法学的角度,讲解对嵌入式系统进行规格定义与建模、性能测试验证的方法,要求学生掌握从获知嵌入式系统应用需求到完成应用系统架构设计、关键模块设计、系统测试验证的完整设计流程与分析方法,培养学生面向不同领域的不同应用进行工程设计的能力。②按照嵌入式系统的组成部件类别,从硬件(处理单元、内存、输入/输出部件等)到软件(实时操作系统、实时系统调度策略等)进行系统的介绍,强调各组成部件的特性及在嵌入式系统设计中需要关注的核心功能,而不针对具体特定的芯片及软件开发环境展开。例如,处理单元的介绍将会从ASIC、通用处理器、可编程器件这样不同类型的处理单元在嵌入式系统中应用的特性和优势展开,具体的微处理器芯片(ARM7)的手册会作为课程补充材料在课程网络平台上公开,学生可以在课外自行阅读。③针对每个类别的讲授内容,根据最新的技术发展进行知识补充和扩展。比如,在讲授嵌入式处理器的时候,会让学生预先结合身边的应用(手机等)了解其中核心处理器的发展趋势,在课堂上先安排学生进行小组讨论和陈述,教师再进行总结。如此安排既体现了基础性,又体现了先进性。

  (2)在实践课程内容方面,将实验内容分为硬件接口实验、程序设计型实验及综合型实验3个层次。①硬件接口实验基于微处理器指令系统直接对嵌入式系统接口进行操作,要求学生熟悉典型微处理器的组成结构及寄存器的读写/方法、基本指令集及基本总线标准等基础知识。②程序设计型实验要求学生在加载了嵌入式操作系统的环境下,采用高级语言对一个简单的应用系统进行设计,如可调直流电机转速显示系统、MP3音乐播放器,让学生掌握“系统”的概念,熟悉嵌入式系统完整的设计流程。③综合型实验侧重于一些创新的系统设计,实验内容可以来自教师的科研项目或者一些嵌入式系统设计竞赛的案例,如智能家居系统设计、便携式心电监测仪设计、智能小车设计等。通过“案例/项目”驱动的实践教学,使学生了解所学的理论方法和基础设计知识在实际中的应用,培养学生分析和解决实际问题的能力和创新意识。在课程资源方面,开发课程网络平台,用于发布与课程内容相关的视频、文档等资源。课程资源建设列表如表1所示,主要包括3大部分。基础资源:授课内容涉及教案、课件、习题、经典微处理器的芯片手册,以及嵌入式软件开发工具包等;拓展资源:介绍最新嵌入式系统设计创新理念和产品资讯,如相关视频、前沿论文等;工程案例库:历年嵌入式系统创新大赛的获奖设计案例及教师科研团队的相关成果。通过这些课程资源的建设,激发学生主动学习的兴趣,拓宽学生视野,进一步巩固对课程内容的掌握。

  2.3教学模式及教学策略改革

  “新工科”背景下工程能力培养不是单一知识点的叠加,而是全面的综合能力培养,是对创新、实现、合作和问题解决能力的综合素质培养,原有的培养模式难以达到“新工科”背景下的人才培养目标[4]。因此,课程教学模式改革旨在探索以工程案例为核心的问题导向式、发现式、启发式、讨论式及翻转课堂式教学方法,致力于培养学生主动学习的能力,形成“以学生为主体,教师为主导”的教与学模式,提高学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。具体在课堂教学中,围绕“嵌入式系统”课程内容中涉及的工作原理,结合具体案例设计,有重点分层次地进行讲述。比如,在讲解嵌入式系统中断传输方式的工作原理时,结合智能家居系统中温湿度数据采集与传输的设计要求,重点讲述如何采用中断技术进行数据采集与传输的过程方法,包括中断响应、中断处理、中断返回等,再从中断控制器寄存器配置、中断向量设置、中断程序编写、中断信号电路设计等方面分层次讲解中断传输方式的软硬件设计方法。此外,在课堂内容讲授过程中,结合具体案例设计适时向学生提出问题,启发学生思考和讨论。比如,在讲解协同工作的飞行机器人案例时,可以提出飞行器如何获知周围环境状态信息实现协同工作的问题,并让学生以分组的形式进行方案讨论,鼓励学生积极参与,提出不同的想法,教师再根据学生讨论方案提出具有典型性的可行方案进行讲解,最终由学生自行完成验证。

  2.4考核方式改革

  传统的考核方式不注重学生在学习过程中解决问题的方法与思维方式,这种方式不再适应“新工科”背景下“嵌入式系统”课程对工程人才培养的要求。因此,在课程考核方式改革中突出对学生自学能力、应用能力和创造能力的考核,完善传统单一的考试评分方法,加强形成性评价,从课堂练习、课堂讨论陈述、课下作业、项目设计、实验操作等多个环节对学生进行综合考核,实现对学生知识综合运用能力的考核,并根据考核结果对教学内容进行反馈调整,最终形成一套完善的课程教学考核评价体系。针对“嵌入式系统”课程内容安排,设置课程的考核方式可由“平时成绩+实验成绩+期末成绩”组成。其中“平时成绩”占总成绩的30%,包括课堂练习、课下作业的完成情况,以及每一次课堂讨论中学生的参与度和表现情况。“实验成绩”占总成绩的40%,考查学生每次实验操作和实验报告完成情况。“期末成绩”占总成绩的30%,取消传统的期末笔试,采用考查学生项目设计完成情况代之。具体来说,可在整个课程期间,根据教师提出的选题或者结合学生自己的科创活动,要求学生按小组完成一个嵌入式系统项目设计,如基于Zynq的便携式心电监测仪设计,在课程结束之前,每个小组完成总结报告,并以PPT答辩的形式参与考核评价,获得“期末成绩”,这种形式重点关注学生学到的方法与思维方式。

  3结语

  本文针对“嵌入式系统”课程改革与建设进行探讨,提出了“新工科”建设背景下“嵌入式系统”课程改革的理念和思路,并重点在教学内容、教学模式、教学评价等方面开展课程改革与建设,以适应培养具有可持续竞争力的创新型卓越工程人才的目标。

  【参考文献】

  [1]李培根.工科何以而新[J].高等工程教育研究,2017(4):1-4,15.

  [2]钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究,2017(3):1-6.

  [3]教育部.教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知[EB/OL].(2017-2-20)[2018-5-30].

  [4]李磊,邓洪波,王云,等.新工科理念下实验教学的改革与探索——以嵌入式系统课程教学改革为例[J].实验科学与技术,2018(7):1-5.

  [5]孙伟,李严,崔晓晗,等.面向应用的嵌入式系统教学改革与探索[J].工业和信息化教育,2016(1):32-35.

  [6]池涛,陈明,沈晓晶,等.国际化模式结合本土案例实现嵌入式系统教学[J].教学研究,2018,41(1):75-79.

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