嵌入式系統設計課程教學創新策略

導語：嵌入式系統設計課程教學創新策略一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：為了充分調動學員學習的積極性和主動性，增強學員的動手能力和創新意識，將理論知識應用于工程實踐，文章論述了嵌入式系統設計課程教學的創新策略，包括加強教學設計，將理論與實驗任務相融合；合理安排實驗內容，建立分層銜接的內容體系；改進實踐教學方法，突出學員主體地位；改革考核方式，重視學員實踐能力培養。

關鍵詞：嵌入式系統設計課程教學；實驗內容；實踐能力

對于軍隊院校而言，嵌入式系統設計課程是一門將實踐性、系統性貫穿始終的高層次電子技術專業基礎課程，也是電子技術專業理論課程與專業課程之間的橋梁和紐帶。它要求學員能夠了解將理論知識應用于工程實踐的方法，初步掌握電子技術系統級工程實踐技能，進而使學員提高自主學習能力、自信心及實踐活動的統籌規劃能力，最終提升自身的綜合素質。然而，以往嵌入式系統設計課程采用傳統的教學方法，即先介紹可編程邏輯器件的結構特點，然后介紹EDA開發環境的使用方法，接著詳細講解硬件描述語言語法結構，最后通過舉例進行說明。學員普遍反映教員講授內容多，枯燥乏味，上課的時候都能聽懂，但具體做設計時卻無從下手，同時一些學員產生了畏難情緒，甚至有不少學員對該課程產生了強烈的排斥感。另外，傳統的教學方法是以教員和教材為中心，實踐操作的內容和步驟都已給出，學員按照羅列好的內容和步驟就可以完成實驗任務，因此很多學員只是機械地完成教員布置的任務，并不知道自己做了什么。換言之，傳統的教學方法忽視了對學員知識獲取和運用能力的培養，難以調動學員的學習興趣和積極性，導致學員理論與實踐脫節。究其原因，主要是教員上課過分依賴教材，在教學中理論授課占用時間較多，講授的知識點多、難、復雜且知識點之間的銜接性不好，同時給學員動手操作、自主實踐的時間較少，導致學員被動學習，無法運用理論知識解決實際問題[1-2]。針對嵌入式系統設計課程教學存在的問題，筆者突出課程的實踐性、系統性特點，緊跟電子技術發展前沿，緊密聯系過程實際，遵循“面向應用、案例驅動”的指導思想，以嵌入式系統的工程應用為主線，以嵌入式系統的組成單元及其運行規律為研究對象，在教學設計、教學內容、教學方法及考核方式等方面提出了創新策略，力求在教學時落實“學員為主體，教員為主導”的理念，營造自主實踐的濃厚氛圍，以提升學員在實踐過程中發現問題、分析問題和解決問題的能力。實踐結果表明，學員學習的積極性和主動性明顯提高，且創新意識和創新能力得到顯著增強。

一、加強教學設計，將理論與實驗任務相融合

嵌入式系統設計課程內容涵蓋硬件描述語言、EDA設計軟件、FPGA內部硬件結構，以及FPGA配置、IP核等。可見，它既包含了語言的學習，又包含了應用軟件的使用，還包含了電路的軟硬件設計與實現，內容相當廣泛。為了解決理論授課枯燥乏味的問題，筆者采用任務驅動教學法將理論知識融入實驗任務中，即將教學過程設計成若干個任務模塊，以完成任務為驅動，圍繞任務展開知識點的講授與重溫，教學效果有了明顯提高。例如，將QuartusII開發環境、原理圖輸入法及實驗箱硬件電路的理論學習融入半加器的設計實現任務中。其中，在Verilog硬件描述語言講解過程中，教員要將語言基本要素和三種建模方式的學習融入半加器和3線-8線譯碼器的設計過程，具體做法如表1所示。即將行為描述語句與層次化設計方法融入計數器和分頻器的設計與實現中，讓學員初步掌握組合邏輯電路和時序邏輯電路的設計方法，同時將IP核的知識融入正弦信號發生器的設計中。通過這些實驗的講解和練習，學員能夠初步掌握硬件描述語言的語法規則、常用數據類型及建模方法等，且能夠結合實驗箱實現具體電路設計。這樣將理論與實驗任務相融合，以任務為明線，把培養學員的知識與技能作為暗線，充分體現了“學員為主體，教員為主導”的理念。教員現場演示任務實現的過程時，可以有意設計一些編程陷阱，加深學員對難點或易錯點的理解和記憶。例如，在定義reg型變量后采用assign語句進行賦值，程序運行時會報錯，這樣可加深學員對寄存器變量和線網型變量的認識。另外，通過編寫與調試程序，學員能切身體會到“任何一個小小的疏忽，哪怕是一個標點用錯了，整個程序都將無法運行或不能得到正確的結果。因此，在今后的工作崗位上需養成認真、細心和嚴謹的作風”。將理論知識的講授與實驗任務相結合，教學方式直觀，有助于學員掌握知識點，且有一定的趣味性，能吸引學員的注意力，激發學員學習的主動性，同時能促使學員將所學知識運用到具體的任務中，體會到成功的喜悅，學習興趣也會大幅提高[3-4]。

二、合理安排實驗內容，建立分層銜接的內容體系

筆者認真梳理教學內容，將課程內容劃分為組合邏輯電路設計、時序邏輯電路設計、PIO端口控制、外圍電路設計等八個任務模塊，每個任務模塊設置由淺入深的基礎性、設計性、提高性三個層次內容。如圖1所示，以時序邏輯電路設計為例，學員首先完成基礎性實驗任意進制計數器設計和分頻器設計。在這個過程中，學員在熟悉時序邏輯電路設計的方法后，逐步增加難度，完成設計性實驗內容數字秒表的設計，即通過小型數字系統設計讓學員學習系統設計的方法。此時，提高性內容數字鐘設計與制作的難度應進一步加大，且具有一定的綜合性。該內容整合了組合邏輯電路設計中的BCD七段顯示譯碼器設計、時序邏輯電路設計中的計數器設計和分頻器設計、PIO端口控制模塊中的鍵盤控制等內容。同時，在任務難度設置上分為基本功能和拓展功能兩部分，且所有學員都能完成基本功能部分的設計。另外，在能力培養方面，教員要鼓勵實踐能力強、思維活躍的學員進行拓展創新。實驗內容分為必做和選做兩個部分。基礎性和設計性實驗作為必做實驗，并要求在創新電子教學實驗開發平臺完成設計、程序下載及調試。基礎性實驗階段，教員邊講授邊讓學員實踐，實驗前要強調實驗注意事項。對于設計性實驗，教員僅做引導性的講授，要求學員根據實驗教程的內容自行設計，當遇到問題時再詢問教員。通過基礎性和設計性實驗環節，能夠提高學員運用所學知識解決實際問題的能力，使學員真正從理論走向實踐。而提高性實驗作為選做實驗，實驗題目由教員給出，也可以由學員自擬題目，同時教員要鼓勵學員在基礎性和設計性實驗的基礎上將所學知識進行整合與擴展，并以2～4人自由組合的團隊形式完成設計任務。當設計中出現問題時，教員要鼓勵學員討論解決或自行查閱資料解決，從而培養學員自主學習能力、溝通交流能力、與人合作能力及信息處理能力[5]。將實驗內容分為基礎性、設計性、提高性三個層次，前一層次是后一層次的基礎，同時將熟練掌握開發模式和開發過程作為主線貫穿于理論教學與實驗操作過程，可增強課程的層次性和連續性。對于前兩個層次引導學員完成設計過程，包括新建文本文件、建立工程項目、選擇芯片、編譯與綜合、引腳分配、硬件連接、器件下載編程、編程后的硬件測試。在第三個層次中，教員要通過深化元器件設計、元器件例化和狀態機設計等提升學員綜合電路設計能力，讓學員理解自頂向下的設計理念。這樣內容設置由易到難、循序漸進，學員上手快，能夠體會到完成任務的成就感，因此學習積極性會大大提高。

三、改進實踐教學方法，突出學員主體地位

根據嵌入式系統設計課程內容的特點及教學對象的特點，教員在教學方法的選擇方面需遵循科學、靈活的原則。同時，教員要摒棄“填鴨式”“抱著走”的教學方法，將課堂、實驗室交給學員，充分發揮學員的主觀能動性及潛力，以增強課程教學的活力和效果。針對學員邏輯思維能力強的特點，教員在教學方法上應該采用啟發式引導，以適應課時數量少的實際情況。具體來說，教員應采用演示、指導、調查、發放輔導材料等方式，促使學員做好課前預習和知識準備；在授課和輔導時，靈活選擇研究式、案例式、項目驅動式等教學方法。在基礎性實驗階段，由于學員尚未熟悉設計方法項目數據流建模方式行為級建模方式門級建模方式Modulehalf_add(sum,cout,a,b)outputsum,cout;inputa,b;wirea,b;wiresum,cout;assignsum=a^b;assigncoutt=a&b;endmodule融入VerilogHDL模塊基本結構、語法規則、線網型變量的定義及賦值、算術運算符等內容modulehalf_add(sum,cout,a,b)outputsum,cout;inputa,b;rega,b,sum,cout;always@(aorb)begincase({a,b})2’d00:beignsum=0;cout=0;end2’d01:beignsum=1;cout=0;end2’d10:beignsum=1;cout=0;end2’d11:beignsum=0;cout=1;endendcaseendendmodule融入寄存器類型變量的定義及賦值、case語句結構等內容Modulehalf_add(sum,cout,a,b)outputsum,cout;inputa,b;wirea,b;wiresum,cout;and(cout,a,b);xor(sum,a,b)endmodule融入基本門電路的調用、結構化建模等內容內容方法和技巧，此時可采用指導式教學。即教員通過分析典型案例，引導學員掌握電路設計的一般方法和步驟。啟發式教學主要應用在設計性實驗階段，即教員只講重點內容，學員在教員的啟發引導下，獨立進行實驗，自主分析、解決實驗過程中遇到的各種問題。此時，學員頭腦中沒有過多的條條框框，有充分的時間去思考、動手、討論，操作的積極性會大大提高。而在提高性實驗階段，教員則采用互動式和探究式教學方法，要求學員自行設計實驗方案和步驟，自己解決問題。在這一過程中，教員和學員進行了角色的相互轉換，即教員從“演員”轉變為“導演”，學員從“觀眾”轉變為“演員”，從而大大激發了學員學習的興趣和主動性，進而突出了學員在學習中的主體地位，有利于學員的個性發揮及學員創新能力的培養。另外，授課過程中教員要注意優秀學員的表現，適時向他們發布知識延展和學科前沿信息，利用好優秀學員的影響力和感召力，且在輔導過程中，注意培養學員的組織協調能力，促使學員互幫互學、共同研究；教員要對學習困難的學員進行輔導，不但要做課程內容的輔導，還要循循善誘地了解他們的個性和特點，做到不使一人掉隊。此外，教員要注意引導學員進行課后的研究、思考和總結，實現教與學的統一，最終提高教學效率[6-8]。比如，教員要引導學員充分利用網絡資源學習他人的設計經驗和方法，特別是利用“全國大學生電子設計大賽”平臺激發學員學習興趣，同時鼓勵學員到實驗室做自己感興趣的設計，從而達到“以點帶面”的良性循環效果，增加學員學習該課程的興趣，最終促進學員創新能力的提升。

四、改革考核方式，重視學員實踐能力培養

嵌入式系統設計課程傳統考核形式主要通過期末理論考試進行，對學員實踐能力缺少有效的考核手段，且考試中側重對基礎原理和方法的檢驗，實驗成績比重低，導致出現學員為應付考試而“刷題”的現象，從而造成學員“高分低能”的窘境。為引導學員從“單純理論知識學習”轉向“理論與實踐相結合學習”，突出學員工程實踐能力和綜合素質考核，筆者對考核方式進行了改革。嵌入式系統設計課程采用形成性考核和終結性考核相結合的綜合考核方式。形成性考核主要考查學員對單元知識的掌握程度，主要根據課堂表現、實驗任務完成情況進行評價，占總成績的40%。其中，課堂表現部分主要考查學員到課率情況、是否認真聽課、能否積極回答問題等，占總成績的15%；實驗任務完成情況部分主要考查學員任務完成的速度及完成質量等，占總成績的25%。同時，教員要注重引導學員通過自主、探究等方式，完成觀察、思考、設計實現的學習過程，以提高學員自主學習的能力，使學員養成良好的學習習慣；鼓勵學員挑戰自我，通過查閱資料，對信息進行加工、取舍、歸納和轉化，激發創新熱情。例如，教員可將正弦信號發生器實驗內容分為三個層次來完成，即“任務一———實現頻率和幅度固定的正弦信號發生器設計；任務二———實現頻率可調的正弦信號發生器設計；任務三———實現頻率和幅度均可調的正弦信號發生器設計”。學員可以根據自身情況選擇不同難度的內容完成實驗，教員則根據學員實驗任務的難易程度及最終完成情況評定實驗成績。終結性考核則由學員自擬題目設計實現一個有一定難度的數字系統，考查學員綜合運用所學知識解決具體工程問題的能力。這主要根據設計任務的難易程度和完成情況進行評價，占總成績的60%，其中設計任務的難易程度占總成績比重的25%（創新點越多、越新穎，功能越復雜，相應的分值就越高），完成情況占總成績的35%。通過考核方式的改革，既體現了考核的公平性，也調動了學員創新的積極性[9-12]。總之，本文結合教學實際，充分考慮到嵌入式系統設計課程內容多、應用性強等特點，從教學設計、教學內容、教學方法及考核方式四個方面進行了教學創新，即通過加強教學設計，構建了分層銜接的內容體系，且采用更加靈活多樣的教學方法，不斷改革和完善考核方式，從而突出了學員的主體地位，調動了學員學習的積極性和主動性，增強了學員的動手能力，提升了學員創新意識和創新思維，最終使得學員能夠獨立地將理論知識應用到工程實踐中，教學效果良好。

作者：濮霞 陶炳坤 黃天辰 馬南 單位：陸軍工程大學石家莊校區車輛與電氣工程系