地方应用型本科院校“嵌入式系统原理与设计”微课程设计

　　摘 要：嵌入式系统是一个交叉学科，涉及到计算机科学、电子科学、通信和控制学科，存在知识点众多、内容庞杂的问题。如何提高学生的嵌入式工程实践能力和设计能力，以适应嵌入式行业要求，是嵌入式系统教学面临的新课题。文中探讨了微课的设计原则和优势，结合嵌入式系统的特点，将微课用于嵌入式系统教学，解决现有嵌入式教学存在的问题。以提升学生工程实践能力为目的，对此类课程的微课设计与教学进行改革，做了有益的探索与实践。

　　关键词：嵌入式行业；嵌入式技术；指导原则；微课设计；工程实践；交叉学科

　　中图分类号：TP317文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）01-0-03

　　0 引 言

　　目前，嵌入式产业在各个国家得到了迅猛发展。嵌入式系统正不断地渗透到汽车、通信、消费电子、医疗和军事等各个行业。这些行业对智能化设备的需求推动了嵌入式系统的快速发展，成为促进这些产业快速发展的中坚力量。嵌入式技术已经成为工业产品数字化改造、智能化增值的关键性、最核心技术。嵌入式产业已成为当前最受欢迎和最有发展前景的产业之一。同时，嵌入式开发工程师在IT领域供不应求，具有突出的优势。为了满足市场对嵌入式开发人才的需求，国内高校专业学科建设和嵌入式教学改革的步伐越来越快，嵌入式及相关专业在高校的普及和发展达到了前所未有的速度。然而，目前大多数高校仍沿用传统的嵌入式人才培养模式，学生的工程能力与市场需求严重脱节，无法满足市场需求。需要积极探索运用新方法对嵌入式系统教学进行改革，旨在提高学生的工程实践能力。

　　微课程是指通过精心的信息化教学设计，以流媒体的形式，使学习者的自主学习获得最佳学习效果的一种短而完整的教学活动[1]。微课程的形式为自主学习，目的是达到最好的学习效果。采用精心化和信息化教学设计，形式为流媒体，知识点或教学环节为其核心内容，播放时间短，但其实质为一个完整的教学活动。因此，对于教师来说，最重要的是要从学生的角度做微课，而不是从教师的角度，这体现以学生为本的教学理念。

　　微课必须做到“简、短、用、新”：既要简明、有针对性，又要言之有物，还要对用户产生足够的吸引力。微课内容精炼、学习方便、制作周期短，应时而需，敏捷、新鲜，又能针对特定应用场景，成为人们在传统学习外的一种重要补充。

　　1 设计和制作微课的基本指导原则

　　虽然评价一节“微课”的标准尺度不一样，但是一般来说，可以从选题、设计、呈现、技术、效果几方面去评价微课。这涉及到：选题要有针对性，内容设计要科学合理，内容呈现要生动有趣，设计制作声音和图像展现清晰，应用效果是否让人豁然开朗、学得通透。总之，微课必须要集中体现“以学为本，以学生为主体”的理念。要做“学生喜欢的微课”，是一种强调“用户体验设计”的理念。

　　设计和制作做好微课除了技术手段，还需注意以下几点[2]。

　　（1）内容必须科学正确。微课程要提供高质量的学习内容，必须遵守学科规律，使内容科学准确，不能因为内容的规模和形式小而放弃内容的科学性。

　　（2）专注于一个知识点。由于微课程的内容具有精细化、教学内容聚焦度高的特点，可以更好地体现微课的价值。因此，最好坚持“一个微课，就讲透一个点”。

　　（3）合理控制视频时间。根据edx的大数据统计，不管视频有多长，观众的实际观看时间都不超过6 min，而视频则持续6～9 min，这是一个拐点。对于较长的视频，观众的观看时间实际上不到6 min。因此，建议微课堂的时间控制在5～8 min内。

　　（4）设计好导学。“照本宣科”的做法并不是呈现微课内容的最佳方式。只有在微课中设计出引人入胜的导学，才能吸引人，激发学习者学习的积极性。一节微课导入的常用方法有设置问题导入、情境导入、实验导入、故事导入、复习导入等。

　　（5）微课程内容要突出重点。特别是要把关键的概念、技巧和步骤讲清楚。简单的内容可以简单扼要讲，但重点和难点需要停下来详细讲。讲解一个重要的概念，要明确如何讲清楚它；在关键和核心技能的教学中，要循序渐进地示范；在解疑解惑的教学中，重点和关键点知识要讲清楚和讲透。

　　（6）要做到有始有终。使点题与总结相对应，从点题开始，以重点概括结束，以帮助学习者理清思路，做到首尾呼应。

　　（7）表现形式应该提升内容价值服务。做好音、画、词的协调，配合各种音、图的比例和节奏。此外，在微课上适当添加各种提示信息。

　　2 嵌入式系统原理与设计微课

　　2.1 嵌入式系统教学与学习的特点

　　嵌入式系统融合了多门学科，主要内容内容来源于计算机科学和电子学。此外，还涉及控制、通信等学科的具体应用领域。在嵌入式系统的研究学习中，知识点多，内容复杂。因此，理论基础与工程实践相结合的方法在“嵌入式系统原理与设计”中具有十分重要的意义。在嵌入式系统理论的学习和教学中，需要保持清晰的知识脉络，使各部分知识相对独立。在嵌入式工程的实践中，必须采取与理论知识相适应的循序渐进的实践模式，保证学生在学习过程中逐步掌握相应技术的应用。

　　“嵌入式系统原理与设计”教学的根本目的是让学生尽快学会更多、更完整的知识，掌握嵌入式工程中分析和工作的方法，增长工程技术经验。从嵌入式系统构建构建角度将“嵌入式系统原理与设计”知识结构划分如图1所示。

　　2.2 嵌入式系統微课内容设计

　　对于一个初学者来说，在学习新知识时很难静下心来阅读大量的概念性叙述，应该从实践的角度去理解嵌入式系统开发的理论基础知识，突出重点，各个击破，力争从实践的角度去找到与理论的吻合点。从如下两个方面设计微课内容。

　　（1）理论与实践相结合，在理论够用，实践为主的指导下，在讲解嵌入式系统实践开发所需要的理论知识时，同时适当丢弃部分初学者暂时不需要或很少用到的知识点，其目的是尽量突出学习重点。

　　（2）融合模块化设计与系统设计。将“嵌入式系统原理与设计”的知识点划分为若干较大的模块，再将大模块分成多个小模块。模块由简单到复杂，并逐步完善。把较小模块组成一个较大的系统，使学生能够直观地看到模块化开发的全过程和实现过程。

　　嵌入式系统主要是由ARM处理器、嵌入式Linux操作系统和应用程序开发三大部分构成的。嵌入式Linux操作系统主要涉及到嵌入式Linux开发环境构建、调试技术、构建文件系统、内核修改与移植和设备驱动程序的设计；而应用程序开发根据具体应用領域诸如嵌入式Qt来开发应用程序，ARM处理器开发详细内容如图2所示。

　　基础模块主要涉及ARM核Magicarm270的一小部分理论基础知识、ADS1.2集成开发环境和通用输入输出模块编程[3]。提高模块主要是对PXA270处理器启动代码分析、LCD控制原理进行分析，对每个模块给出了一个具体的实现方法，并对其代码进行分析。综合模块是由联系紧密的基础模块和提高模块构成，是基于基础进行设计和开发的。

　　3 嵌入式系统原理与设计微课制作形式

　　根据微课和“嵌入式系统原理与设计”课程的特性，构建了以学生为中心，以学生的学习活动为主线，教师之间互动的嵌入式系统微课程教学模式框架。只有帮助学生实现知识的内化，才能保证微课教学模式的实施，才能构建与再生和谐学习环境[4]。微课程教学模式主要分为课前准备、课内强化、课后复习和课后实践4个模块，目的在于培养和提高学生的综合工程实践能力。嵌入式系统微课教学模式如图3所示。

　　3.1 课前预习

　　通过微视频教学资源进行自主学习。教师围绕学习任务进行深入分析，设计和录制“嵌入式系统原理与设计”微教学视频以及制作课件、案例等相关素材，将其上传到微课在线学习平台，为学生提供有效的学习资源，满足学生课前预习的自主学习任务的需要。在微课网络平台上，收集和整理学生反馈的问题，并互动讨论区公布发布，为课堂的答凝解惑做好准备。学生根据自己的实际情况，不断重复观看视频，然后独立进行自学测试，并反馈给老师或提出自己的问题。为了更好、更系统地完成课前自主学习的任务，学生和教师应该在学习中进行交流和沟通。

　　3.2 课中强化

　　课堂上对嵌入式系统的模块和对应的案例所用到的理论知识讲解，对模块存在的重难点进行重点分析，并对学生的课前学习情况进行反馈。在学习ARM处理器裸机编程的时候，不是一开始就讲解和学习复杂的地址映射关系和ARM可执行文件的格式，而是学习对寄存器编程，控制I/O引脚，点亮LED灯，会使问题简单化，学生对教学内容更容易消化、理解，从而提升教学效果。

　　3.3 课后复习

　　教学主要分为知识传授和知识内化两个阶段。知识传授主要通过课堂教学实现，知识内化主要依靠学生自身，通过课外学习和实践。因此，课后巩固复习也是进一步内化知识的关键环节。

　　3.4 课后实践

　　课下加强练习，通过回放实践教学视频、撰写实训项目、拓展实训项目等手段，培养和提高学生的工程实践能力。例如在讲解和做完定时器实验项目后，可以设计如下两个设计性实验：

　　（1）操作系统定时器用于实现一个具有时间、分、秒功能的时钟。要求每1 s通过串行口向PC机发送1次时间；

　　（2）设计一个定时报警器，在串口设置定时报警时间。

　　通过以上项目实践，学生不仅能理解和掌握基本理论知识，将理论应用于实践，而且能培养和提高自己的设计能力和工程实践能力。

　　4 结 语

　　本文根据微课的优势，结合“嵌入式系统设计与原理”课程特点和设计原则，并将其应用到嵌入式系统教学进行研究与探讨。实践表明微课应用于教学改革不仅是可行的，而且有效，教师主导作用和学生的主体地位得以体现。不仅能提高学生的学习兴趣，还能调动学生自主学习的积极性，满足个人的学习需求。

　　参 考 文 献

　　[1]张一春.微课建设研究与思考[J].中国教育网络，2013（10）：28-31.

　　[2]胡小勇.设计好微课[M].北京：机械工业出版社，2017.

　　[3]邓小武.嵌入式系统教学模式的探索与实践[J].物联网技术，2017，7（7）：117-120.

　　[4]祁博.微课在计算机基础教学中的应用[J].计算机教育，2014（24）：82-85.

　　[5]夏仲文.利用微课程 促进学科教学的应用研究与反思[J].中国信息技术教育，2012（11）：13-14.

　　[6]寻素华.浅析微课程开发在校内外的应用研究[J].中国电化教育，2013（9）：123-126.

　　[7]黄燕青.翻转课堂中微课程教学设计模式研究[J].软件导刊，2013（6）：157-159.

　　[8]聂捷楠.基于模型检查的嵌入式软件构件化分析与验证[J].现代电子技术，2016，39（24）：63-65.

　　[9]李志军，张子红，王昊，等.以设计能力为主线的嵌入式系统教学改革[J].物联网技术，2014，4（10）：92-93.

　　[10]秦子，廖庆亮，张铮，等.“新工科”背景下多方协同育人的纳米专业实践教学平台构建[J].中国冶金教育，2019（3）：59-61.

　　邓小武 张文 姚敦红 邓绍伟