機器人方向嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)方法

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機器人方向嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)方法摘要：在很多高校，嵌入式系統(tǒng)課程是計算機、電子等工科專業(yè)的必修課之一。該課程在教學(xué)內(nèi)容上差別不大，沒有明顯特色。本文分析了嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)中存在的一些明顯問題，針對應(yīng)用型本科院校的機器人方向，提出了一些針對性建議。通過在實際教學(xué)中進行改進和實踐，總體教學(xué)效果良好。一、引言隨著信息技術(shù)的發(fā)展，嵌入式技術(shù)如今也飛速提升，目前已普遍應(yīng)用于工業(yè)控制、電子通信、醫(yī)療設(shè)備、智能家電等多個領(lǐng)域，成為當前應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一。各大高校也普遍開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)課程，以適應(yīng)行業(yè)的發(fā)展。但目前的嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)普遍存在一些問題，很多學(xué)生在學(xué)過這門課畢業(yè)后，還是很難快速適應(yīng)行業(yè)需求，需要重新摸索學(xué)習(xí)。因此這門課程還有很多地方需要改進提高。本文分析了目前教學(xué)中存在的一些問題，針對應(yīng)用型本科院校的機器人方向，提出了適當?shù)母倪M建議，并在實際教學(xué)中進行了應(yīng)用，取得了一定的效果。二、嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)現(xiàn)狀和存在的問題在應(yīng)用型本科院校中，計算機、電子等專業(yè)基本都在高年級開始了嵌入式系統(tǒng)課程，并且是作為一門重要的專業(yè)課程。機器人方向通常是隸屬于計算機專業(yè)下的一個發(fā)展方向，這門課程是非常重要的專業(yè)必修課，其針對性和實踐性都很強。但嵌入式系統(tǒng)這門課程的教學(xué)很多都流于形式，學(xué)生學(xué)后還是云里霧里，不知道所學(xué)有何用處，因此這門課程的教學(xué)還是有諸多問題的。（一）教學(xué)方式過于傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)不同于以往簡單的硬件開發(fā)或軟件開發(fā)，它是軟件和硬件技術(shù)的緊密結(jié)合，涵蓋多學(xué)科知識領(lǐng)域，如電子電路設(shè)計、硬件驅(qū)動設(shè)計、計算機網(wǎng)絡(luò)、軟件編程等[1]。因此，嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)與傳統(tǒng)專業(yè)課教學(xué)也有明顯不同之處，其他專業(yè)課例如計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫等通常側(cè)重于某一方面的專業(yè)知識，教學(xué)時可以充分詳細地介紹課程中的各種細節(jié)知識，并能很好地連貫綜合，學(xué)生在學(xué)習(xí)時也能很好地理解所學(xué)的知識。而嵌入式系統(tǒng)是一門綜合性很強的課程，囊括了方方面面的專業(yè)知識，一旦學(xué)生欠缺某方面的知識點，在學(xué)習(xí)時就會非常困難。由于嵌入式系統(tǒng)包括的內(nèi)容太多，而課時有限，所以傳統(tǒng)的教學(xué)通常是將每個主要的知識點都講到，但都不能太精，各個部分不太容易連貫在一起，基本變成一門綜述性課程，使得學(xué)生學(xué)后還是不太清楚學(xué)了些什么。（二）師資力量缺乏目前高校里的嵌入式系統(tǒng)課程教師普遍學(xué)歷較高，也具有較強的教學(xué)能力和科研能力，可以很好地指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識。但嵌入式系統(tǒng)是一門應(yīng)用性很強的課程，學(xué)習(xí)理論知識的同時，還需要大量的實踐操作，但目前的高校教師很少有企業(yè)實際開發(fā)經(jīng)驗，教學(xué)普遍以課堂講授為主，只有理論講解，沒有實踐操作。很多高校在實踐環(huán)節(jié)使用集成實驗箱開展教學(xué)，學(xué)生只需要按照接線圖簡單地連接電路并下載例程，就可以完成實驗任務(wù)，不能充分鍛煉學(xué)生的動手實踐能力[2]。實驗箱有助于學(xué)習(xí)原理，但始終在一個實驗箱上進行實驗，學(xué)生還是無法掌握開發(fā)的要領(lǐng)，學(xué)習(xí)也就變得枯燥乏味。很多學(xué)生畢業(yè)后從事相關(guān)工作，由經(jīng)驗豐富的工程師指導(dǎo)開發(fā)，往往一個月比在學(xué)校里學(xué)一個學(xué)期的東西還要實用。因此高校教師，尤其是應(yīng)用型本科院校的教師，實踐經(jīng)驗還有待提高。（三）不能完全符合行業(yè)需求嵌入式系統(tǒng)被應(yīng)用在很多產(chǎn)品上，種類繁多。近年來，從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的工作也非常熱門。嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)包括硬件設(shè)計、驅(qū)動開發(fā)、應(yīng)用開發(fā)、系統(tǒng)定制和移植等多方面工作，對于剛從學(xué)校畢業(yè)從事這方面工作的學(xué)生來說，主要側(cè)重從事嵌入式應(yīng)用開發(fā)等相對上手容易的部分，其他難度較大的開發(fā)工作通常涉及較少，而學(xué)校里的學(xué)習(xí)需要各方面兼顧，側(cè)重較深的原理學(xué)習(xí)，對開發(fā)方面的學(xué)習(xí)并不是重點，即使學(xué)習(xí)，很多也有些過時，不一定能完全跟上企業(yè)需求，因此學(xué)生在參加工作后還需要學(xué)習(xí)各種新的開發(fā)工具、開發(fā)方法等知識，學(xué)校里學(xué)習(xí)的內(nèi)容用處不大，使得這門課形如雞肋。三、應(yīng)用型本科嵌入式系統(tǒng)課程改進建議針對應(yīng)用型本科院校目前嵌入型系統(tǒng)課程教學(xué)中存在的問題，提出一些適當?shù)母倪M建議，以盡可能幫助解決這些教學(xué)問題。（一）改進教學(xué)方法，拓展教材內(nèi)容，改革考核方式嵌入式系統(tǒng)的主要特點是軟、硬件結(jié)合，面向應(yīng)用；嵌入性、專用性和計算機系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的三個基本要素[3]?！扒度胧较到y(tǒng)設(shè)計 ”是一門綜合性、實踐性以及應(yīng)用性都較強的專業(yè)任選課，必須通過課程實驗、項目開發(fā)、科技競賽等環(huán)節(jié)進一步加深對課堂理論內(nèi)容的理解，才能將理論知識與實踐應(yīng)用有機地融合起來[4]。因此，嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)不應(yīng)只局限于理論課和傳統(tǒng)實驗課，最好能形成開放式教學(xué)，將具體的產(chǎn)品開發(fā)融入到教學(xué)中，例如一個學(xué)期安排學(xué)生設(shè)計一個完整的小型嵌入式設(shè)備，從硬件設(shè)計到軟件開發(fā)，都讓學(xué)生參與進去。每個環(huán)節(jié)的理論知識在課堂上講授，每學(xué)一個知識點，就安排適當?shù)膶嶒炚n時，讓學(xué)生將所學(xué)內(nèi)容實現(xiàn)出來。實驗不應(yīng)只局限于實驗箱，可以從最基本的開發(fā)板做起，然后由學(xué)生自己在上面設(shè)計出所需要的各個功能。實驗室應(yīng)開放給學(xué)生隨時學(xué)習(xí)，這樣可以調(diào)動起學(xué)生的興趣和積極性。此外，還要鼓勵和帶領(lǐng)學(xué)生多參加嵌入式相關(guān)的競賽，例如智能車比賽、機器人大賽等，在實際應(yīng)用中讓學(xué)生主動自學(xué)，這樣通常可以收到事半功倍的效果。教材可以選擇一本理論教材，同時配套一兩本實驗或?qū)嵱?xùn)教材，老師也可以根據(jù)需要自己增加教學(xué)內(nèi)容，不應(yīng)只局限于一本書，重在實用性。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中能不斷看到成果，就會增強學(xué)習(xí)的動力。嵌入式系統(tǒng)課程的考核不應(yīng)只是看理論課考試成績，實驗考核也必不可少，而且實驗考核不應(yīng)流于形式，最好通過具體的設(shè)計成果來評判學(xué)生的開發(fā)能力。（二）加強師資力量，拓展教師培訓(xùn)高校教師多數(shù)來自高校，一直在高校中從事學(xué)習(xí)和研究，雖然學(xué)歷很高，但因缺少企業(yè)工作經(jīng)歷，實際開發(fā)經(jīng)驗通常不足，因此教學(xué)也多側(cè)重理論和傳統(tǒng)教學(xué)方式，對于具體的產(chǎn)品開發(fā)，教師自己很多都無法完成，更不用提指導(dǎo)學(xué)生完成產(chǎn)品設(shè)計了。因此，嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)通常都比較枯燥乏味。這就需要學(xué)校能盡可能多地安排教師參加嵌入式相關(guān)的拓展學(xué)校，雖然目前高校中也有各自培訓(xùn)，但都不夠?qū)嶋H，如果能安排教師直接到企業(yè)中參加一段時間的開發(fā)工作，必定會受益匪淺，在指導(dǎo)學(xué)生方面也可以有一定的提升。（三）面向?qū)嶋H應(yīng)用，與行業(yè)接軌對于應(yīng)用型本科院校的學(xué)生，所學(xué)內(nèi)容應(yīng)側(cè)重應(yīng)用。因此，在學(xué)習(xí)開發(fā)過程中，學(xué)生所學(xué)也要有側(cè)重點，教師可以幫助學(xué)生完成像操作系統(tǒng)定制移植等難度較大的工作，將大致原理和操作流程講授給學(xué)生，在此基礎(chǔ)上，由學(xué)生自己去完成具體的應(yīng)用功能設(shè)計。在實際學(xué)習(xí)過程中，要了解當前社會行業(yè)的需求，讓學(xué)生能學(xué)到最新最有用的知識。學(xué)生也會更有興趣。四、機器人方向嵌入式系統(tǒng)課程的改進針對機器人方向較強的實踐性，我院為嵌入式系統(tǒng)課程進行了如下改進措施：首先，在新的人才培養(yǎng)方案中將嵌入式系統(tǒng)課程和單片機課程相結(jié)合，開設(shè)一門新的單片機與嵌入式系統(tǒng)課程。該課程將以當前最流行的 STM32 處理器為教學(xué)主體，減少傳統(tǒng)的 8 位和 16 位單片機教學(xué)內(nèi)容。STM32 處理器是為嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的。該處理器基于 ARMCortex-M3 內(nèi)核，具有高性能、低成本、低功耗等特點，目前在市場上具有非常廣泛的應(yīng)用。該課程的實驗不是在傳統(tǒng)的實驗箱上進行，而是結(jié)合實際的移動機器人平臺進行操作，機器人也是采用STM32 處理器為核心。將嵌入式和機器人相結(jié)合，可以極大地鍛煉學(xué)生的動手能力。其次，與競賽相結(jié)合。最近兩年學(xué)院組織學(xué)生參加了多次機器人相關(guān)的競賽，包括機器人智能搬運比賽、機器人擂臺對抗賽、機器人搬運碼垛比賽、機器人滅火和救援比賽等。競賽時設(shè)計的機器人大多數(shù)都是基于 STM32 處理器，學(xué)生需要了解機器人的硬件架構(gòu)，熟悉軟件開發(fā)平臺，并能進行算法設(shè)計和程序編寫。從硬件組裝到程序設(shè)計、編寫和調(diào)試，都要用到嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)過程中的相關(guān)技術(shù)。老師在競賽準備階段全程陪同學(xué)生進行學(xué)習(xí)和研究，遇到問題和學(xué)院一起調(diào)試解決，整個競賽準備工作就是對嵌入式系統(tǒng)知識的很好應(yīng)用。學(xué)生對比賽興趣濃厚，經(jīng)常廢寢忘食地調(diào)試機器人。通過參加競賽，學(xué)生既取得了成果，又學(xué)到了很多嵌入式方面的專業(yè)知識，對嵌入式系統(tǒng)課程的學(xué)習(xí)效果是一次很好的檢驗。此外，學(xué)院還鼓勵學(xué)生積極申報大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，機器人方向的學(xué)生一大半都參與了項目申報，申報題目都與機器人相關(guān)，諸如輪式碼垛機器人、智能避障機器人等，學(xué)生在準備項目的過程中，將嵌入式系統(tǒng)知識最大化地融入到自己的項目當中。我院 2018 屆學(xué)生的準備畢業(yè)設(shè)計階段，將選題和項目掛鉤，畢業(yè)設(shè)計題目基本都是和機器人設(shè)計相關(guān)的題目，在具體設(shè)計階段，需要結(jié)合大量嵌入式開發(fā)技術(shù)進行機器人功能模塊設(shè)計?？傊ㄟ^多方面的結(jié)合，學(xué)生在平時實驗、參加競賽、參與項目和畢業(yè)設(shè)計過程中，都充分應(yīng)用了嵌入式系統(tǒng)相關(guān)知識，嵌入式系統(tǒng)課程也可以和機器人技術(shù)完美結(jié)合。學(xué)生既有興趣，也能學(xué)到有用的東西。五、小結(jié)針對目前應(yīng)用型本科院校中嵌入式系統(tǒng)課程存在的問題，本文提出一些粗淺的改進建議，并在機器人方向的教學(xué)中進行了適當改進，學(xué)生普遍對該課程提高了興趣，并覺得這門課非常重要。希望這些建議對這門課程的教學(xué)有所幫助，也使得學(xué)生在將來的學(xué)習(xí)中可以學(xué)到更多有用的知識，使這門課程變得更實用。