基于项目驱动的嵌入式系统教学改革与实践
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摘要：嵌入式工程师成为近年来最为热门的职业之一。为培养工科大学生的创新实践能力，上海电力学院就嵌入式系统课程的教学与学生综合素质培养进行了有益的探索和尝试。采用讲座式的教育教学方式和项目驱动的实验实践方法，不仅培养了学生动手操作和实践创新能力，还培养了学生通过综合性项目开发过程中的团队协作能力，从而解决理论教学与实践相互脱节的问题，避免出现学生只会读书而缺乏实践的情况，为学生创新能力的培养打下坚实基础。
关键词：嵌入式系统；项目驱动；能力培养；创新实践
作者简介：彭道刚（1977-），男，重庆人，上海电力学院自动化工程学院，教授；李辉（1979-），男，新疆乌鲁木齐人，上海电力学院自动化工程学院，副教授。（上海 200090）
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）28-0092-02
嵌入式系统是一个新兴且非常热门的专业技术领域，由于掌握嵌入式系统专业技术人才的严重匮乏，使得嵌入式硬件和软件研发的工程师成为了近年来较为热门的职业之一。因此，目前在全国各高校都掀起了一股嵌入式系统教学与实践的热潮。由于具有较强的技术性、实践性和综合性等特点，因此，有的高校也将其作为卓越工程师创新人才培养的突破口。
针对上海电力学院（以下简称“我校”）自动化（含电站自动化方向）、测控技术与仪器（含电站测控方向）等专业本科学生，我校嵌入式系统课程组老师就该门课程的教学过程进行了有益的探索和尝试。借鉴国外先进教学方法和国内市场上嵌入式专业培训公司的教学经验，采用讲座式的教育教学方式对学生进行教学培训，并采用项目驱动的方法，为学生提供自动化与测控技术专业方面的设计性、综合性等课题，让学生掌握面向本专业应用的嵌入式系统项目设计和开发的全过程；不仅培养了学生动手操作能力和实践创新能力，还培养了学生通过工程项目开发过程中的团队协作能力，从而解决理论教学与实践相互脱节的问题，避免出现学生只会读书而缺乏实践的高分低能的情况。
一、嵌入式系统教学过程中的主要问题
开设嵌入式系统课程的目的是为了培养能从事设计和研发具有数字化、网络化、智能化的电子产品的创新型大学生。但由于嵌入式技术是一门新兴技术，目前市面上适合该课程教学的教材偏少，而且大部分教材中的理论知识偏多，从概念、原理讲起，缺乏实例和直观性，不适合应用型人才的培养。学生感到抽象、枯燥，课后参考资料又极少，因此学生起初热情大，到后来越学越不懂，最后导致学生不爱听，教师教学也困难。
此外，由于大部分院校所开设的嵌入式系统课程都是针对各自学科特点，授课知识量大，实验课程内容也较多，使得授课教师往往会将各种知识点“填鸭式”地灌输给学生，忽视了学生的接受能力和对学生创新实践能力的培养，导致无法调动学生学习的主动性和积极性，影响了该门课程培养创新型大学生教学目标的实现。
二、嵌入式系统创新教学实践平台的建设
由于嵌入式系统具有体积小、性能强、功耗低、可靠性高以及面向行业应用的突出特征，目前已经广泛地应用于军事国防、消费电子、网络通信、工业控制等各个领域，嵌入式系统取代单片机将成为历史的必然选择。所以，嵌入式系统创新教学实践平台的建设显得格外重要。该平台不仅可适用于我校自动化、测控技术与仪器等专业，也适合电气工程及其自动化、电子信息工程、网络与通信工程、计算机科学与技术等专业的高年级本科生嵌入式系统相关课程教学与实验、课程设计和毕业设计等内容，还可适用于硕士研究生和部分优秀本科生参加省（市）或全国大学生嵌入式类竞赛。因此，本平台采用目前流行的嵌入式ARM微处理器，操作上选用嵌入式Linux系统和Window CE操作系统，实验平台提供开放式的程序接口，可为使用者预留丰富的开发、扩展空间，通过具体的实践操作，让使用者掌握嵌入式系统设计与应用系统的开发。图1所示为嵌入式系统创新教学实践平台。
三、提高大学生创新能力培养的改革与实践
嵌入式系统课程在大学生的创新教育方面具有非常重要的地位和作用，教师必须在教学的各个环节中结合专业学科情况而不断更新教学方法和实践内容，只有这样才能将新的知识点和创新设计方法渗透到教学的各个环节，进而培养出创新实践的优秀人才。本成果通过以下几个方面的改革与实践来提高大学生创新能力的培养：
1.合理规划和设计教学内容，理论与实践充分结合
在嵌入式系统的教学方法和内容上，借鉴国外先进教学方法和国内市场上嵌入式专业培训公司的经验，采用讲座式的教育教学方式对学生进行基本知识点的教学培训，每次理论课程教学时，选取最基本、最重要的概念和知识点进行讲解。理论课后，给学生充足的时间消化、吸收和参考网上及其他图书资料。待学生掌握这些基本知识后，结合自动化和测控技术的嵌入式应用领域，采用项目驱动的方法，将学生按2～3人一组，为每组学生提供设计性、综合性课题，让其初步掌握面向本专业应用的嵌入式系统项目设计和开发的全过程，这样操作起到了很好的效果。
在实践教学内容上，由于嵌入式系统课程的技术特殊性，以及我校电力行业的学科和专业特色，市面上适合专业教学的教材或参考书籍又非常少，而且实验平台所对应的参考资料仅是针对具体实验设计，所以课程组老师出版了《基于工业网络的嵌入式发电设备状态监测》（北京：中国电力出版社.2009）作为课程在电力行业应用开发的参考案例和教材，并编制了适合电力行业自动化专业教学的嵌入式计算机系统讲义，内容十分丰富。
2.以学生为认知的主体，变被动学习为主动学习
在嵌入式系统的教学和实践中，强调以学生为认知的主体。教学中要尽量选择一些学生在平时生活和专业知识学习中的应用问题作为引起其感兴趣的内容，打破传统课堂教学的弊端，以实例和实验为主线，实行讲授与实验实践充分相结合的教学方式。根据课程知识体系，设计相适应的实验内容，通过一些简单的实验应用，先让学生看到实验的过程及结果，变抽象为具体，变枯燥为有趣，进而激起学生对嵌入式系统的学习兴趣；然后再让学生自己动手实验，在实验中逐渐加深理解内容，体会在实验实践中所学到的知识。
为提高学生创新实践能力，教学过程中采用项目驱动教学方式，教师在此过程中通过实践引导学生自己去通过实践来寻求答案，让学生由被动学习变为主动学习，从而达到培养能力的目的。项目驱动教学方式是通过引入具体的实例开展教学，在这过程中，授课教师通过给学生分析项目的需求、设计方法等，一步一步地引导学生进行嵌入式系统实例项目的学习，进而激发学生的学习兴趣，让学生进行有目的的学习。实施过程中，将2～3名学生组成某一个嵌入式实例应用开发的兴趣小组，每个学生都将分担具体的工作，履行各自的责任，共同完成项目，不仅能发挥学生的个性，更有利于培养学生的创造性。
此外，充分利用实验室建立的嵌入式系统创新教学实践平台，把实验室向所有学生开放，只要学生有时间和兴趣，就可以随时到实验室进行实验与实践，指导教师在课外时间也给予学生一些必要的指导。同时，鼓励学生积极申报或参与学校和市级大学生科创类项目，部分特别优秀学生也参与指导老师承担的国家、省部级纵向课题和企业委托横向项目。这样可以让有能力的同学进行拓展性实践，极大地提高了学生从事科学研究与技术开发的能力。
4.选择合适的应用项目，作为项目驱动实践的主线
如何选择合适且有意义的实例项目是采用项目驱动教学方法首先需要考虑的问题。针对嵌入式系统的特点，实例项目应该来自能满足某种行业和学科专业需求，也可以来自于教师的科研项目或者各类创新研究课题和竞赛项目，对其难度要求适中，能满足教学实践要求即可。对于自动化、测控技术与仪器等专业，实例项目内容会侧重于工业控制、数据采集、数据通信、智能仪表、DCS控制系统等。在课程教学时，如果教学条件具备，可以首先展示实例样品，让学生有感性认识，以调动其学习兴趣和积极性；然后根据实践要求划分项目模块，让学生了解具体需要开展哪些工作和解决哪些技术问题。实践过程中，各个小组之间可以互相交流和学习借鉴，最终完成从系统需求分析到研究设计，再到最终产品样机的开发全过程。在这样的教学过程中，学生通过亲自动手验证所学的知识，理论与实际应用充分相结合，真正掌握了嵌入式系统设计与研究开发的能力。
5.改革课程考核方法，突出项目驱动实践过程成绩
课程考核是整个教学过程的重要组成部分，也是直接检验教学成果和成效的方式。在项目驱动的嵌入式系统教学实践中，必须突出学生动手实践能力和创新研究能力的重要性。此外，嵌入式系统这门课程的综合性和实践性也决定了不能用通常的闭卷考试方式来衡量学生的成绩，必须通过大量的实验和实践环节来加深学生对嵌入式系统知识的理解和掌握。因此，需要改变传统期末试卷考试的做法，改为注重学生的平时成绩和实验实践过程成绩，将平时成绩和项目实践过程成绩二者结合起来的考核方式显得更加灵活和有效。平时成绩以学生出勤和在项目实施过程中提出问题、解决问题的情况为标准，项目实践过程成绩以课程后期实例项目中的效果以及答辩的情况为标准。实践考核采取过关制，执行实践过程成绩不及格，该门课程的总成绩就应为不合格的考核制度，进而从思想深处来改变学生在其他课程中重理论轻实践的现象。由此可见，该考核方式是对项目实施全过程的考核，而并非仅对最终结果进行考核，可以更加全面地考核学生在实例项目学习中的表现。
四、结束语
根据我校电力行业的学科和专业特色，结合嵌入式系统课程的技术特点，通过开展项目驱动的嵌入式系统教学改革与实践，采用讲座式的教学方法，强调以学生为认知的主体，变被动学习为主动学习。教学内容上理论与实践相结合，通过学生和教师的互动，使学生在实践过程中学习理论知识，掌握实践操作技能，提高了学生分析问题和解决问题的能力。通过采用项目驱动的实践方法，使学生在课外实践中强化知识训练，锻炼综合实践能力。同时，我校鼓励学生开展各类科技创新项目，极大地提高了学生从事科学研究与技术开发的能力。
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