嵌入式系統(tǒng)設(shè)計課程教學(xué)創(chuàng)新策略

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摘要：為了充分調(diào)動學(xué)員學(xué)習(xí)的積極性和主動性，增強學(xué)員的動手能力和創(chuàng)新意識，將理論知識應(yīng)用于工程實踐，文章論述了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計課程教學(xué)的創(chuàng)新策略，包括加強教學(xué)設(shè)計，將理論與實驗任務(wù)相融合；合理安排實驗內(nèi)容，建立分層銜接的內(nèi)容體系；改進實踐教學(xué)方法，突出學(xué)員主體地位；改革考核方式，重視學(xué)員實踐能力培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計課程教學(xué)；實驗內(nèi)容；實踐能力

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

一、加強教學(xué)設(shè)計，將理論與實驗任務(wù)相融合

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計課程內(nèi)容涵蓋硬件描述語言、EDA設(shè)計軟件、FPGA內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)，以及FPGA配置、IP核等。可見，它既包含了語言的學(xué)習(xí)，又包含了應(yīng)用軟件的使用，還包含了電路的軟硬件設(shè)計與實現(xiàn)，內(nèi)容相當(dāng)廣泛。為了解決理論授課枯燥乏味的問題，筆者采用任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法將理論知識融入實驗任務(wù)中，即將教學(xué)過程設(shè)計成若干個任務(wù)模塊，以完成任務(wù)為驅(qū)動，圍繞任務(wù)展開知識點的講授與重溫，教學(xué)效果有了明顯提高。例如，將QuartusII開發(fā)環(huán)境、原理圖輸入法及實驗箱硬件電路的理論學(xué)習(xí)融入半加器的設(shè)計實現(xiàn)任務(wù)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(xué)習(xí)融入半加器和3線-8線譯碼器的設(shè)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(shè)計方法融入計數(shù)器和分頻器的設(shè)計與實現(xiàn)中，讓學(xué)員初步掌握組合邏輯電路和時序邏輯電路的設(shè)計方法，同時將IP核的知識融入正弦信號發(fā)生器的設(shè)計中。通過這些實驗的講解和練習(xí)，學(xué)員能夠初步掌握硬件描述語言的語法規(guī)則、常用數(shù)據(jù)類型及建模方法等，且能夠結(jié)合實驗箱實現(xiàn)具體電路設(shè)計。這樣將理論與實驗任務(wù)相融合，以任務(wù)為明線，把培養(yǎng)學(xué)員的知識與技能作為暗線，充分體現(xiàn)了“學(xué)員為主體，教員為主導(dǎo)”的理念。教員現(xiàn)場演示任務(wù)實現(xiàn)的過程時，可以有意設(shè)計一些編程陷阱，加深學(xué)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(xué)員對寄存器變量和線網(wǎng)型變量的認識。另外，通過編寫與調(diào)試程序，學(xué)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(jié)果。因此，在今后的工作崗位上需養(yǎng)成認真、細心和嚴謹?shù)淖黠L(fēng)”。將理論知識的講授與實驗任務(wù)相結(jié)合，教學(xué)方式直觀，有助于學(xué)員掌握知識點，且有一定的趣味性，能吸引學(xué)員的注意力，激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)的主動性，同時能促使學(xué)員將所學(xué)知識運用到具體的任務(wù)中，體會到成功的喜悅，學(xué)習(xí)興趣也會大幅提高[3-4]。

二、合理安排實驗內(nèi)容，建立分層銜接的內(nèi)容體系

筆者認真梳理教學(xué)內(nèi)容，將課程內(nèi)容劃分為組合邏輯電路設(shè)計、時序邏輯電路設(shè)計、PIO端口控制、外圍電路設(shè)計等八個任務(wù)模塊，每個任務(wù)模塊設(shè)置由淺入深的基礎(chǔ)性、設(shè)計性、提高性三個層次內(nèi)容。如圖1所示，以時序邏輯電路設(shè)計為例，學(xué)員首先完成基礎(chǔ)性實驗任意進制計數(shù)器設(shè)計和分頻器設(shè)計。在這個過程中，學(xué)員在熟悉時序邏輯電路設(shè)計的方法后，逐步增加難度，完成設(shè)計性實驗內(nèi)容數(shù)字秒表的設(shè)計，即通過小型數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計讓學(xué)員學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計的方法。此時，提高性內(nèi)容數(shù)字鐘設(shè)計與制作的難度應(yīng)進一步加大，且具有一定的綜合性。該內(nèi)容整合了組合邏輯電路設(shè)計中的BCD七段顯示譯碼器設(shè)計、時序邏輯電路設(shè)計中的計數(shù)器設(shè)計和分頻器設(shè)計、PIO端口控制模塊中的鍵盤控制等內(nèi)容。同時，在任務(wù)難度設(shè)置上分為基本功能和拓展功能兩部分，且所有學(xué)員都能完成基本功能部分的設(shè)計。另外，在能力培養(yǎng)方面，教員要鼓勵實踐能力強、思維活躍的學(xué)員進行拓展創(chuàng)新。實驗內(nèi)容分為必做和選做兩個部分。基礎(chǔ)性和設(shè)計性實驗作為必做實驗，并要求在創(chuàng)新電子教學(xué)實驗開發(fā)平臺完成設(shè)計、程序下載及調(diào)試。基礎(chǔ)性實驗階段，教員邊講授邊讓學(xué)員實踐，實驗前要強調(diào)實驗注意事項。對于設(shè)計性實驗，教員僅做引導(dǎo)性的講授，要求學(xué)員根據(jù)實驗教程的內(nèi)容自行設(shè)計，當(dāng)遇到問題時再詢問教員。通過基礎(chǔ)性和設(shè)計性實驗環(huán)節(jié)，能夠提高學(xué)員運用所學(xué)知識解決實際問題的能力，使學(xué)員真正從理論走向?qū)嵺`。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(xué)員自擬題目，同時教員要鼓勵學(xué)員在基礎(chǔ)性和設(shè)計性實驗的基礎(chǔ)上將所學(xué)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(shè)計任務(wù)。當(dāng)設(shè)計中出現(xiàn)問題時，教員要鼓勵學(xué)員討論解決或自行查閱資料解決，從而培養(yǎng)學(xué)員自主學(xué)習(xí)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(nèi)容分為基礎(chǔ)性、設(shè)計性、提高性三個層次，前一層次是后一層次的基礎(chǔ)，同時將熟練掌握開發(fā)模式和開發(fā)過程作為主線貫穿于理論教學(xué)與實驗操作過程，可增強課程的層次性和連續(xù)性。對于前兩個層次引導(dǎo)學(xué)員完成設(shè)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(shè)計、元器件例化和狀態(tài)機設(shè)計等提升學(xué)員綜合電路設(shè)計能力，讓學(xué)員理解自頂向下的設(shè)計理念。這樣內(nèi)容設(shè)置由易到難、循序漸進，學(xué)員上手快，能夠體會到完成任務(wù)的成就感，因此學(xué)習(xí)積極性會大大提高。

三、改進實踐教學(xué)方法，突出學(xué)員主體地位

根據(jù)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計課程內(nèi)容的特點及教學(xué)對象的特點，教員在教學(xué)方法的選擇方面需遵循科學(xué)、靈活的原則。同時，教員要摒棄“填鴨式”“抱著走”的教學(xué)方法，將課堂、實驗室交給學(xué)員，充分發(fā)揮學(xué)員的主觀能動性及潛力，以增強課程教學(xué)的活力和效果。針對學(xué)員邏輯思維能力強的特點，教員在教學(xué)方法上應(yīng)該采用啟發(fā)式引導(dǎo)，以適應(yīng)課時數(shù)量少的實際情況。具體來說，教員應(yīng)采用演示、指導(dǎo)、調(diào)查、發(fā)放輔導(dǎo)材料等方式，促使學(xué)員做好課前預(yù)習(xí)和知識準備；在授課和輔導(dǎo)時，靈活選擇研究式、案例式、項目驅(qū)動式等教學(xué)方法。在基礎(chǔ)性實驗階段，由于學(xué)員尚未熟悉設(shè)計方法項目數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)、語法規(guī)則、線網(wǎng)型變量的定義及賦值、算術(shù)運算符等內(nèi)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(jié)構(gòu)等內(nèi)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(diào)用、結(jié)構(gòu)化建模等內(nèi)容內(nèi)容方法和技巧，此時可采用指導(dǎo)式教學(xué)。即教員通過分析典型案例，引導(dǎo)學(xué)員掌握電路設(shè)計的一般方法和步驟。啟發(fā)式教學(xué)主要應(yīng)用在設(shè)計性實驗階段，即教員只講重點內(nèi)容，學(xué)員在教員的啟發(fā)引導(dǎo)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(xué)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(xué)方法，要求學(xué)員自行設(shè)計實驗方案和步驟，自己解決問題。在這一過程中，教員和學(xué)員進行了角色的相互轉(zhuǎn)換，即教員從“演員”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩?dǎo)演”，學(xué)員從“觀眾”轉(zhuǎn)變?yōu)椤把輪T”，從而大大激發(fā)了學(xué)員學(xué)習(xí)的興趣和主動性，進而突出了學(xué)員在學(xué)習(xí)中的主體地位，有利于學(xué)員的個性發(fā)揮及學(xué)員創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。另外，授課過程中教員要注意優(yōu)秀學(xué)員的表現(xiàn)，適時向他們發(fā)布知識延展和學(xué)科前沿信息，利用好優(yōu)秀學(xué)員的影響力和感召力，且在輔導(dǎo)過程中，注意培養(yǎng)學(xué)員的組織協(xié)調(diào)能力，促使學(xué)員互幫互學(xué)、共同研究；教員要對學(xué)習(xí)困難的學(xué)員進行輔導(dǎo)，不但要做課程內(nèi)容的輔導(dǎo)，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(dǎo)學(xué)員進行課后的研究、思考和總結(jié)，實現(xiàn)教與學(xué)的統(tǒng)一，最終提高教學(xué)效率[6-8]。比如，教員要引導(dǎo)學(xué)員充分利用網(wǎng)絡(luò)資源學(xué)習(xí)他人的設(shè)計經(jīng)驗和方法，特別是利用“全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽”平臺激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)興趣，同時鼓勵學(xué)員到實驗室做自己感興趣的設(shè)計，從而達到“以點帶面”的良性循環(huán)效果，增加學(xué)員學(xué)習(xí)該課程的興趣，最終促進學(xué)員創(chuàng)新能力的提升。

四、改革考核方式，重視學(xué)員實踐能力培養(yǎng)

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計課程傳統(tǒng)考核形式主要通過期末理論考試進行，對學(xué)員實踐能力缺少有效的考核手段，且考試中側(cè)重對基礎(chǔ)原理和方法的檢驗，實驗成績比重低，導(dǎo)致出現(xiàn)學(xué)員為應(yīng)付考試而“刷題”的現(xiàn)象，從而造成學(xué)員“高分低能”的窘境。為引導(dǎo)學(xué)員從“單純理論知識學(xué)習(xí)”轉(zhuǎn)向“理論與實踐相結(jié)合學(xué)習(xí)”，突出學(xué)員工程實踐能力和綜合素質(zhì)考核，筆者對考核方式進行了改革。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計課程采用形成性考核和終結(jié)性考核相結(jié)合的綜合考核方式。形成性考核主要考查學(xué)員對單元知識的掌握程度，主要根據(jù)課堂表現(xiàn)、實驗任務(wù)完成情況進行評價，占總成績的40%。其中，課堂表現(xiàn)部分主要考查學(xué)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(wù)完成情況部分主要考查學(xué)員任務(wù)完成的速度及完成質(zhì)量等，占總成績的25%。同時，教員要注重引導(dǎo)學(xué)員通過自主、探究等方式，完成觀察、思考、設(shè)計實現(xiàn)的學(xué)習(xí)過程，以提高學(xué)員自主學(xué)習(xí)的能力，使學(xué)員養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣；鼓勵學(xué)員挑戰(zhàn)自我，通過查閱資料，對信息進行加工、取舍、歸納和轉(zhuǎn)化，激發(fā)創(chuàng)新熱情。例如，教員可將正弦信號發(fā)生器實驗內(nèi)容分為三個層次來完成，即“任務(wù)一———實現(xiàn)頻率和幅度固定的正弦信號發(fā)生器設(shè)計；任務(wù)二———實現(xiàn)頻率可調(diào)的正弦信號發(fā)生器設(shè)計；任務(wù)三———實現(xiàn)頻率和幅度均可調(diào)的正弦信號發(fā)生器設(shè)計”。學(xué)員可以根據(jù)自身情況選擇不同難度的內(nèi)容完成實驗，教員則根據(jù)學(xué)員實驗任務(wù)的難易程度及最終完成情況評定實驗成績。終結(jié)性考核則由學(xué)員自擬題目設(shè)計實現(xiàn)一個有一定難度的數(shù)字系統(tǒng)，考查學(xué)員綜合運用所學(xué)知識解決具體工程問題的能力。這主要根據(jù)設(shè)計任務(wù)的難易程度和完成情況進行評價，占總成績的60%，其中設(shè)計任務(wù)的難易程度占總成績比重的25%（創(chuàng)新點越多、越新穎，功能越復(fù)雜，相應(yīng)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(xiàn)了考核的公平性，也調(diào)動了學(xué)員創(chuàng)新的積極性[9-12]。總之，本文結(jié)合教學(xué)實際，充分考慮到嵌入式系統(tǒng)設(shè)計課程內(nèi)容多、應(yīng)用性強等特點，從教學(xué)設(shè)計、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及考核方式四個方面進行了教學(xué)創(chuàng)新，即通過加強教學(xué)設(shè)計，構(gòu)建了分層銜接的內(nèi)容體系，且采用更加靈活多樣的教學(xué)方法，不斷改革和完善考核方式，從而突出了學(xué)員的主體地位，調(diào)動了學(xué)員學(xué)習(xí)的積極性和主動性，增強了學(xué)員的動手能力，提升了學(xué)員創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維，最終使得學(xué)員能夠獨立地將理論知識應(yīng)用到工程實踐中，教學(xué)效果良好。

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