池濤 陳明 沈曉晶 周汝雁

[摘要]以嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)入手，探討了國際化教學(xué)模式和本土案例驅(qū)動相結(jié)合的課程建設(shè)。通過引入國際化教學(xué)模式，將嵌入式系統(tǒng)原理及設(shè)計方法付諸于設(shè)計實踐，并在關(guān)鍵設(shè)計中加強本土案例的設(shè)計實踐，從而為學(xué)生提供了最先進技術(shù)的指導(dǎo)及對照。同時，借助網(wǎng)絡(luò)上海量的教學(xué)資源，結(jié)合課堂設(shè)計理論教學(xué)構(gòu)成混合學(xué)習(xí)模式，探討一種適合于外國留學(xué)生嵌入式課程教學(xué)的新模式。特別是針對嵌入式系統(tǒng)全英語教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題及不同的學(xué)生對象，以建構(gòu)主義教學(xué)理論為依據(jù)，建立課堂教學(xué)和學(xué)生實踐相互融合的教學(xué)體系。

[關(guān)鍵詞]國際化教學(xué)；混合學(xué)習(xí)；建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論；教學(xué)模式；嵌入式系統(tǒng)

[中圖分類號]G642.0[文獻標(biāo)識碼]A[文章編號]1005-4634（2018）01-0075-05

0引言

隨著嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用范圍越來越成熟，人才需要量也越來越大，國內(nèi)各大高校及科研院所都積極開設(shè)了嵌入式課程。不同于計算機專業(yè)傳統(tǒng)課程，嵌入式課程作為一個新興課程體系，存在的問題已經(jīng)引起了教育工作者廣泛的關(guān)注[1，2]，一方面，國內(nèi)大部分院校僅將其作為一門普通應(yīng)用技術(shù)型課程，沒有意識到嵌入式技術(shù)已經(jīng)引領(lǐng)了后PC時代，該課程在國外已經(jīng)形成了一個課程群。在國內(nèi)，由于該課程的內(nèi)容多、課程少的特點，教師教授內(nèi)容基本是基于具體特定的芯片（如ARM7）以及與其對應(yīng)的軟件開發(fā)環(huán)境，放棄了嵌入式系統(tǒng)理論和嵌入式設(shè)計方法的研究，從而造成了學(xué)生針對嵌入式系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)差、分析解決問題能力弱。另一方面，嵌入式系統(tǒng)作為專業(yè)必修或?qū)I(yè)選修課程，開設(shè)該課程的國內(nèi)各大院校普遍不重視實踐環(huán)節(jié)，考核單一，學(xué)生選取該課程也多為了學(xué)分。脫離嵌入式設(shè)計技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)課程造成了國內(nèi)學(xué)生缺乏動手能力，更無創(chuàng)新意識，得不到企業(yè)的青睞。

嵌入式系統(tǒng)最早源于英國，發(fā)展于美國，目前最先進的嵌入式技術(shù)都掌握在美國等發(fā)達國家手中，成型的設(shè)計理論及產(chǎn)品幾乎都來自國外。嵌入式系統(tǒng)的前沿技術(shù)幾乎都是由英語進行描述。國外嵌入式課程更注重學(xué)生嵌入式系統(tǒng)設(shè)計理論和技術(shù)方法的講授，培養(yǎng)的學(xué)生更受企業(yè)的重視和歡迎[3]。而我國的嵌入式系統(tǒng)研究及教學(xué)多直接生搬硬套國外的教育理論和案例，包括課程設(shè)計及相關(guān)教材，這就使同一門課程不同學(xué)校培養(yǎng)的學(xué)生差異巨大[4]。筆者以嵌入式系統(tǒng)設(shè)計原理為牽引，分析并研究國外嵌入式課程教學(xué)過程和對象，結(jié)合本土科研項目案例構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的全英語教學(xué)環(huán)境[5，6]。同時，借助網(wǎng)絡(luò)上海量的教學(xué)資源，結(jié)合課堂設(shè)計理論教學(xué)構(gòu)成混合學(xué)習(xí)模式，探討一種適合對外國留學(xué)生進行嵌入式課程教學(xué)的新模式，特別是針對嵌入式系統(tǒng)全英語教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題及不同的學(xué)生對象，以建構(gòu)主義教學(xué)理論為依據(jù)，建立課堂教學(xué)和學(xué)生實踐相互融合的教學(xué)體系模式[7]。

1國外嵌入式教學(xué)模式的本土化構(gòu)建與實踐

1.1UTD嵌入式教學(xué)模式

德克薩斯大學(xué)達拉斯分校（The University of Texas at Dallas，簡稱UTD）的Erik Jonsson工程學(xué)院的前身是世界三大芯片生產(chǎn)商德州儀器（Texas Instrument）的一個研究所，目前每年都收到Texas Instrument公司大量科研項目和資助。學(xué)院在其下設(shè)的計算機科學(xué)系、電子工程系、計算機工程系均開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程，課程包括“Micro-electromechonical System”“Semiconductor Design and Manufacturing”“Systems Engineering”等。課程教學(xué)內(nèi)容大部分來自于已經(jīng)完成的研究項目和科研成果，是對相關(guān)實際項目的提煉、總結(jié)和歸納。雖然所有項目涉及不同的應(yīng)用領(lǐng)域、不同技術(shù)，但是課程講解并不是散亂成每個技術(shù)報告，而是凝聚在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計原理及方法中。課程通過建模方法將所用到的項目進行提煉，建立精確的數(shù)學(xué)模型，將設(shè)計過程進行規(guī)一化處理，具體如圖1所示。

UTD嵌入式課程教學(xué)非常注重實踐教學(xué)，實踐教學(xué)過程包括模型設(shè)計、整體功能描述、軟硬件協(xié)同設(shè)計、系統(tǒng)級合成、系統(tǒng)測試，具體如圖2所示。課程實踐從純軟件設(shè)計過渡到硬/軟件結(jié)合設(shè)計，特別強調(diào)創(chuàng)新的重要性，注重基本訓(xùn)練與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1.2本土化構(gòu)建與實踐

自2015年將嵌入式系統(tǒng)設(shè)計作為上海市全英語授課示范進行建設(shè)以來，筆者開展了國際教學(xué)模式本土化實踐與研究，取得了一些經(jīng)驗和成果。UTD嵌入式課程教學(xué)模式的實質(zhì)是將科研與教學(xué)相融合，對科研項目和成果進行歸納總結(jié)，運用建模方法進行嵌入式設(shè)計理論和方法提煉，再運用到實際項目設(shè)計中，整個教學(xué)過程強化了“基本原理、方法、建模、案例”4個要素的統(tǒng)一。

嵌入式課程改革本著UTD的“基本原理、方法、建模、案例”4要素合一的教學(xué)模式，借助上海海洋大學(xué)計算機硬件教學(xué)團隊建設(shè)，引入模塊式一體化教學(xué)，進行了嵌入式系統(tǒng)課程本土化實施，具體如圖3所示。首先，教學(xué)內(nèi)容的構(gòu)建?？紤]到計算機硬件系列課程構(gòu)成了計算機系統(tǒng)知識中物理結(jié)構(gòu)及體系結(jié)構(gòu)的完整知識模塊，從全局角度按照知識單元和知識點進行更深程度的細化和分類，并逐一整合，以知識點為最小知識粒度，構(gòu)建整個計算機硬件體系結(jié)構(gòu)及教學(xué)內(nèi)容，課程群包括《數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)實踐》《計算機組成原理》《單片機與接口技術(shù)》《計算機體系結(jié)構(gòu)》《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計》?？梢园凑罩R單元進行細化和分類，并逐一整合。這樣既可以更好地協(xié)調(diào)教學(xué)中的各門課程，又保證了硬件課程體系的整體性和系統(tǒng)性。為確保硬件課程教學(xué)內(nèi)容不過時，通過專題講座、小組討論形式，動員學(xué)生極積參與，主要讓學(xué)生了解硬件系統(tǒng)的新技術(shù)和新進展，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，開闊視野。其次，課程是組織教學(xué)最主要的手段，UTD本土化課程建設(shè)就是以體系結(jié)構(gòu)為導(dǎo)向，建立以本土化項目和成果為基礎(chǔ)的嵌入式系統(tǒng)課程案例。UTD教學(xué)模式注重學(xué)生主動學(xué)習(xí)的過程，強調(diào)教師教授嵌入式設(shè)計方法重于傳授嵌入式知識，促使學(xué)生在原有的知識上發(fā)展出新知識，并把新知識轉(zhuǎn)化成自身技能。通過引入UTD教學(xué)模式，建立了嵌入式系統(tǒng)課程反轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式。教師在課程中以學(xué)生為中心，鼓勵對同一問題作不同解答，并與學(xué)生一起探索問題的不同假設(shè)，由學(xué)生完成實驗驗證，鼓勵學(xué)生做真正的設(shè)計者。再次，筆者所在教學(xué)團隊提出一種新的混合教學(xué)模式，即“課堂教學(xué)+線上復(fù)習(xí)”混合教學(xué)模式，具體如圖4所示。課堂教學(xué)采用多種教學(xué)方式。除采用案例式教學(xué)方式外，還采用了啟發(fā)式教學(xué)方式，通過設(shè)置疑點、提出懸念來激發(fā)學(xué)生探求知識的欲望，培養(yǎng)學(xué)生敢于提出問題、積極思考問題的良好習(xí)慣。此外，還借助網(wǎng)絡(luò)上海量的教學(xué)資源，完善了混合教學(xué)全過程。為了保證混合教學(xué)不流于形式，在課程前導(dǎo)期，教師將整個課程的教學(xué)計劃、教學(xué)目標(biāo)告知學(xué)生，學(xué)生在助教指導(dǎo)下完成各自的嵌入式設(shè)計方案，借助線上教學(xué)資源進行自主學(xué)習(xí)，完成自己的設(shè)計報告。為充實實踐項目的教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合歷年上海市大學(xué)生創(chuàng)新大賽的設(shè)計方案，建立相關(guān)備用芯片的資料庫，用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計案例的形式供學(xué)生分析，強化學(xué)生實踐設(shè)計能力。最后，改變單一考核方式，從階段實驗、結(jié)課實踐、理論考試三方面對學(xué)生進行綜合考核。

2典型本土化案例

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，上海市各高校的全英語教學(xué)示范課程對全英語教學(xué)能力的重視遠遠高于本土化案例建設(shè)。然而，必須清楚地認識到本土化案例建設(shè)才是課程關(guān)鍵所在，才是外國學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的原始驅(qū)動。課程案例雖然來自于科研項目，但是完全不同于項目設(shè)計，需要經(jīng)過提煉、建模、總結(jié)等大量工作。為了體現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計原理，筆者及所在教學(xué)團隊采用“打碎重裝”“抽像化設(shè)計”分析提煉教學(xué)案例。

如“溫室控制節(jié)點設(shè)計實例”，其來源于已經(jīng)完成的國家863項目“溫室無線測控網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究與系統(tǒng)集成”。筆者及團隊選取其中控制節(jié)點設(shè)計作為研究對象，具體如圖5所示，在項目設(shè)計過程中，強調(diào)嵌入式系統(tǒng)整體設(shè)計，包括處理器選型及設(shè)計、傳感器選型及設(shè)計、輸出控制選型及設(shè)計等。然而，作為教學(xué)案例，這些遠遠不夠，需要增加許多設(shè)計環(huán)節(jié)，包括運用建模工具進行數(shù)據(jù)建模、設(shè)計控制模型、運用具體控制器建立溫室控制系統(tǒng)等。

具體設(shè)計包括四步：第一步，確定被控對象，包括控制器、執(zhí)行器和溫室植物三部分。第二步，模型設(shè)計，包括控制目標(biāo)函數(shù)、植物模型等，控制目標(biāo)函數(shù)可以根據(jù)溫室中不同的植物進行自行設(shè)定，植物模型作為控制參數(shù)調(diào)整控制策略；執(zhí)行器包括控制溫室溫度的各項控制單元，包括控制簾幕的開閉、控制溫室側(cè)窗的開閉、控制加熱裝置的開閉、控制制冷裝置的開閉等。第三步，控制器的具體設(shè)計，包括：（1）開發(fā)一個溫室控制模型（develop a model of the plant）；（2）開發(fā)一個控制器（develop a controller）；（3）分析控制器參數(shù)（analyze the controller）；（4）權(quán)衡系統(tǒng)擾動（consider disturbance）；（5）判定系統(tǒng)性能（determine performance）。在這個案例中，控制模型、控制器和擾動是決定系統(tǒng)性能的重要因素。整個設(shè)計的重點和難點是控制器設(shè)計。通過數(shù)學(xué)建模，設(shè)計一個簡單線性函數(shù)，采用線性比例控制器作為控制核心。第四步，基于時間序列進行系統(tǒng)擾動和時延的分析。通過對輸入、輸出及比例系數(shù)分析，給出系統(tǒng)穩(wěn)定的臨界點，避免系統(tǒng)振蕩。

類似的本土案例有7個，都是由具體項目總結(jié)形成，并以建模的方法提煉，使得所有案例既能反映嵌入式系統(tǒng)設(shè)計理論，又能體現(xiàn)具體的解決方案。

3結(jié)束語

嵌入式系統(tǒng)課程國際化教學(xué)模式本土化，本質(zhì)上就是吸收國外先進教學(xué)思想，不斷豐富先進的嵌入式系統(tǒng)理論和技術(shù)。在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計教學(xué)期間，通過科研帶動教學(xué)實踐，可以增加許多較為實用的設(shè)計案例，特別是針對研究生的教學(xué)，通過將研究生的研究方向與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計有機融合，加強科研能力、科學(xué)思維的培養(yǎng)。經(jīng)過幾輪教學(xué)，筆者發(fā)現(xiàn)實驗教學(xué)對學(xué)生的理論基礎(chǔ)和實踐能力要求非常高，不但需要學(xué)生掌握多種編程語言（C語言、HDL語言等）、計算機組成原理、操作系統(tǒng)等課程，而且要有探索精神、解決問題的能力和動手能力。同時，也對教師提出了更高的要求，教師不僅需要嫻熟的焊接技術(shù)，還需要精通項目開發(fā)，以引導(dǎo)學(xué)生完成項目。從實驗效果來看，這種教學(xué)模式改觀了學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)的認知，使學(xué)生學(xué)會了將理論知識應(yīng)用到實際當(dāng)中，在大量自己動手的過程也提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。與傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)相比，學(xué)生各方面的提升都是巨大的。

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