机器人方向嵌入式系统课程教学方法

机器人方向嵌入式系统课程教学方法摘要：在很多高校，嵌入式系统课程是计算机、电子等工科专业的必修课之一。该课程在教学内容上差别不大，没有明显特色。本文分析了嵌入式系统课程教学中存在的一些明显问题，针对应用型本科院校的机器人方向，提出了一些针对性建议。通过在实际教学中进行改进和实践，总体教学效果良好。一、引言随着信息技术的发展，嵌入式技术如今也飞速提升，目前已普遍应用于工业控制、电子通信、医疗设备、智能家电等多个领域，成为当前应用最广泛的技术之一。各大高校也普遍开设了嵌入式系统课程，以适应行业的发展。但目前的嵌入式系统课程教学普遍存在一些问题，很多学生在学过这门课毕业后，还是很难快速适应行业需求，需要重新摸索学习。因此这门课程还有很多地方需要改进提高。本文分析了目前教学中存在的一些问题，针对应用型本科院校的机器人方向，提出了适当的改进建议，并在实际教学中进行了应用，取得了一定的效果。二、嵌入式系统课程教学现状和存在的问题在应用型本科院校中，计算机、电子等专业基本都在高年级开始了嵌入式系统课程，并且是作为一门重要的专业课程。机器人方向通常是隶属于计算机专业下的一个发展方向，这门课程是非常重要的专业必修课，其针对性和实践性都很强。但嵌入式系统这门课程的教学很多都流于形式，学生学后还是云里雾里，不知道所学有何用处，因此这门课程的教学还是有诸多问题的。（一）教学方式过于传统嵌入式系统开发不同于以往简单的硬件开发或软件开发，它是软件和硬件技术的紧密结合，涵盖多学科知识领域，如电子电路设计、硬件驱动设计、计算机网络、软件编程等1。因此，嵌入式系统课程的教学与传统专业课教学也有明显不同之处，其他专业课例如计算机网络、数据库等通常侧重于某一方面的专业知识，教学时可以充分详细地介绍课程中的各种细节知识，并能很好地连贯综合，学生在学习时也能很好地理解所学的知识。而嵌入式系统是一门综合性很强的课程，囊括了方方面面的专业知识，一旦学生欠缺某方面的知识点，在学习时就会非常困难。由于嵌入式系统包括的内容太多，而课时有限，所以传统的教学通常是将每个主要的知识点都讲到，但都不能太精，各个部分不太容易连贯在一起，基本变成一门综述性课程，使得学生学后还是不太清楚学了些什么。（二）师资力量缺乏目前高校里的嵌入式系统课程教师普遍学历较高，也具有较强的教学能力和科研能力，可以很好地指导学生学习理论知识。但嵌入式系统是一门应用性很强的课程，学习理论知识的同时，还需要大量的实践操作，但目前的高校教师很少有企业实际开发经验，教学普遍以课堂讲授为主，只有理论讲解，没有实践操作。很多高校在实践环节使用集成实验箱开展教学，学生只需要按照接线图简单地连接电路并下载例程，就可以完成实验任务，不能充分锻炼学生的动手实践能力2。实验箱有助于学习原理，但始终在一个实验箱上进行实验，学生还是无法掌握开发的要领，学习也就变得枯燥乏味。很多学生毕业后从事相关工作，由经验丰富的工程师指导开发，往往一个月比在学校里学一个学期的东西还要实用。因此高校教师，尤其是应用型本科院校的教师，实践经验还有待提高。（三）不能完全符合行业需求嵌入式系统被应用在很多产品上，种类繁多。近年来，从事嵌入式系统开发的工作也非常热门。嵌入式系统产品开发包括硬件设计、驱动开发、应用开发、系统定制和移植等多方面工作，对于刚从学校毕业从事这方面工作的学生来说，主要侧重从事嵌入式应用开发等相对上手容易的部分，其他难度较大的开发工作通常涉及较少，而学校里的学习需要各方面兼顾，侧重较深的原理学习，对开发方面的学习并不是重点，即使学习，很多也有些过时，不一定能完全跟上企业需求，因此学生在参加工作后还需要学习各种新的开发工具、开发方法等知识，学校里学习的内容用处不大，使得这门课形如鸡肋。三、应用型本科嵌入式系统课程改进建议针对应用型本科院校目前嵌入型系统课程教学中存在的问题，提出一些适当的改进建议，以尽可能帮助解决这些教学问题。（一）改进教学方法，拓展教材内容，改革考核方式嵌入式系统的主要特点是软、硬件结合，面向应用；嵌入性、专用性和计算机系统是嵌入式系统的三个基本要素3。“嵌入式系统设计 ”是一门综合性、实践性以及应用性都较强的专业任选课，必须通过课程实验、项目开发、科技竞赛等环节进一步加深对课堂理论内容的理解，才能将理论知识与实践应用有机地融合起来4。因此，嵌入式系统课程的教学不应只局限于理论课和传统实验课，最好能形成开放式教学，将具体的产品开发融入到教学中，例如一个学期安排学生设计一个完整的小型嵌入式设备，从硬件设计到软件开发，都让学生参与进去。每个环节的理论知识在课堂上讲授，每学一个知识点，就安排适当的实验课时，让学生将所学内容实现出来。实验不应只局限于实验箱，可以从最基本的开发板做起，然后由学生自己在上面设计出所需要的各个功能。实验室应开放给学生随时学习，这样可以调动起学生的兴趣和积极性。此外，还要鼓励和带领学生多参加嵌入式相关的竞赛，例如智能车比赛、机器人大赛等，在实际应用中让学生主动自学，这样通常可以收到事半功倍的效果。教材可以选择一本理论教材，同时配套一两本实验或实训教材，老师也可以根据需要自己增加教学内容，不应只局限于一本书，重在实用性。学生在学习过程中能不断看到成果，就会增强学习的动力。嵌入式系统课程的考核不应只是看理论课考试成绩，实验考核也必不可少，而且实验考核不应流于形式，最好通过具体的设计成果来评判学生的开发能力。（二）加强师资力量，拓展教师培训高校教师多数来自高校，一直在高校中从事学习和研究，虽然学历很高，但因缺少企业工作经历，实际开发经验通常不足，因此教学也多侧重理论和传统教学方式，对于具体的产品开发，教师自己很多都无法完成，更不用提指导学生完成产品设计了。因此，嵌入式系统课程的教学通常都比较枯燥乏味。这就需要学校能尽可能多地安排教师参加嵌入式相关的拓展学校，虽然目前高校中也有各自培训，但都不够实际，如果能安排教师直接到企业中参加一段时间的开发工作，必定会受益匪浅，在指导学生方面也可以有一定的提升。（三）面向实际应用，与行业接轨对于应用型本科院校的学生，所学内容应侧重应用。因此，在学习开发过程中，学生所学也要有侧重点，教师可以帮助学生完成像操作系统定制移植等难度较大的工作，将大致原理和操作流程讲授给学生，在此基础上，由学生自己去完成具体的应用功能设计。在实际学习过程中，要了解当前社会行业的需求，让学生能学到最新最有用的知识。学生也会更有兴趣。四、机器人方向嵌入式系统课程的改进针对机器人方向较强的实践性，我院为嵌入式系统课程进行了如下改进措施：首先，在新的人才培养方案中将嵌入式系统课程和单片机课程相结合，开设一门新的单片机与嵌入式系统课程。该课程将以当前最流行的 STM32 处理器为教学主体，减少传统的 8 位和 16 位单片机教学内容。STM32 处理器是为嵌入式应用专门设计的。该处理器基于 ARMCortex-M3 内核，具有高性能、低成本、低功耗等特点，目前在市场上具有非常广泛的应用。该课程的实验不是在传统的实验箱上进行，而是结合实际的移动机器人平台进行操作，机器人也是采用STM32 处理器为核心。将嵌入式和机器人相结合，可以极大地锻炼学生的动手能力。其次，与竞赛相结合。最近两年学院组织学生参加了多次机器人相关的竞赛，包括机器人智能搬运比赛、机器人擂台对抗赛、机器人搬运码垛比赛、机器人灭火和救援比赛等。竞赛时设计的机器人大多数都是基于 STM32 处理器，学生需要了解机器人的硬件架构，熟悉软件开发平台，并能进行算法设计和程序编写。从硬件组装到程序设计、编写和调试，都要用到嵌入式系统产品开发过程中的相关技术。老师在竞赛准备阶段全程陪同学生进行学习和研究，遇到问题和学院一起调试解决，整个竞赛准备工作就是对嵌入式系统知识的很好应用。学生对比赛兴趣浓厚，经常废寝忘食地调试机器人。通过参加竞赛，学生既取得了成果，又学到了很多嵌入式方面的专业知识，对嵌入式系统课程的学习效果是一次很好的检验。此外，学院还鼓励学生积极申报大学生创新创业项目，机器人方向的学生一大半都参与了项目申报，申报题目都与机器人相关，诸如轮式码垛机器人、智能避障机器人等，学生在准备项目的过程中，将嵌入式系统知识最大化地融入到自己的项目当中。我院 2018 届学生的准备毕业设计阶段，将选题和项目挂钩，毕业设计题目基本都是和机器人设计相关的题目，在具体设计阶段，需要结合大量嵌入式开发技术进行机器人功能模块设计。总之，通过多方面的结合，学生在平时实验、参加竞赛、参与项目和毕业设计过程中，都充分应用了嵌入式系统相关知识，嵌入式系统课程也可以和机器人技术完美结合。学生既有兴趣，也能学到有用的东西。五、小结针对目前应用型本科院校中嵌入式系统课程存在的问题，本文提出一些粗浅的改进建议，并在机器人方向的教学中进行了适当改进，学生普遍对该课程提高了兴趣，并觉得这门课非常重要。希望这些建议对这门课程的教学有所帮助，也使得学生在将来的学习中可以学到更多有用的知识，使这门课程变得更实用。