協同育人下嵌入式系統課程改革淺論

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摘要：分析嵌入式系統課程改革的必要性，提出改革目標，從重構教學內容、改革教學方法及課程考核評價方式方面介紹協同育人模式下的嵌入式系統課程教學改革措施，給出相應的教學方法，說明課程改革特色與效果。

關鍵詞：嵌入式系統；OBE；協同育人；教學改革

0引言

物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，是傳統的嵌入式系統與互聯網結合發(fā)展的高級形式。物聯網產生大數據，逐步形成了云計算、人工智能、區(qū)塊鏈、虛擬現實等新興技術相互疊加的科技爆炸時代。嵌入式是物聯網開發(fā)的基礎，旨在實現萬物互聯的物聯網系統的控制和數據處理操作都是通過嵌入式的技術去實現的，換而言之，物聯網就是嵌入式產品的網絡化。嵌入式系統技術已廣泛應用于國防、國民經濟及社會生活各領域，為企業(yè)、軍隊、辦公室、實驗室以及個人家庭等各種場所實現智能化的控制和管理提供技術解決方案。在此背景下，掌握物聯網嵌入式技術的人才必將受到應用型高校和高新技術企業(yè)的重用，也意味著這類人才不僅要具有扎實的學科與專業(yè)基礎知識，更應具備很強的技術與工程實踐能力。

1嵌入式系統課程改革的必要性和目標

目前國內各大高校的自動化、計算機、電子信息等專業(yè)中都開設了嵌入式系統課程，也有不少學校開設了物聯網專業(yè)，其中也包含嵌入式課程。由于該課程需要微機原理、C語言和操作系統等先修課程知識，因此主要開設在大三下或大四上。教學方式多為理論課程加實驗課程，但教學內容尚無統一規(guī)范，或注重概念性、基礎性的入門教學；或側重ARM體系結構、指令系統；或偏重嵌入式操作系統，以Linux及應用開發(fā)為主[1]。另外，學生基礎差異大，有的是計算機專業(yè)，軟件知識扎實，但硬件知識缺乏；有的是自動化或電子通信工程專業(yè)，硬件知識學習得多，而軟件工程、操作系統方面的軟件知識缺乏。顯然，對于嵌入式系統這種實踐性較強的課程來說，以理論教學為主、實驗教學為輔的傳統教學方式難以滿足嵌入式系統人才實踐動手能力的培養(yǎng)需求。當前大學的實踐教學仍未受到足夠重視，驗證性實驗較多，設計性、綜合性實驗較少，沒有完全建立起結合理論教學的實踐教學體系，從而導致人才培養(yǎng)質量難以滿足應用型人才需求。目前對于課程成績的考核主要還是以試卷為主，但實踐性較強的課程單憑理論考試的方法難以衡量學生的真實學習能力，難以檢驗課程的效果，更無法促進學生提高動手能力的自覺性。因此，如何引導學生靈活運用嵌入式系統的知識去解決具體的問題成為課程改革的目標。近幾年，工程教育專業(yè)認證成為我國工科專業(yè)培養(yǎng)人才的基本制度，以工程教育認證的理念和標準對嵌入式系統課程實踐體系進行改革和創(chuàng)新，能提高學生的應用能力和創(chuàng)新能力[2]。文獻[3]中提出基于OBE模式重構教學內容、改革教學方式和改進考核評價方式，但每個學校有具體的校情，學生層次也不盡相同，因此，需要結合本校學生的特點和課程實際情況來改革。文獻[4]中基于工程教育認證要求根據嵌入式課程特點提出一系列實踐教學改革措施，工程實踐能力培養(yǎng)成為嵌入式系統課程的目標之一。文獻[5]中根據嵌入式系統課程遇到的問題提出線上線下混合教學與項目制教學方法培養(yǎng)學生的實踐動手能力。文獻[6]中從系統能力培養(yǎng)出發(fā)，改革了嵌入式系統的知識體系、教學方法和創(chuàng)新實踐。文獻[7]中針對理論與實踐脫節(jié)的現狀，結合實驗內容調整課堂教學內容。文獻[8]中以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標對課程教學體系、實驗及實踐教學進行改革。為解決傳統授課模式片面性與行業(yè)發(fā)展對人才要求全面性的矛盾，筆者與廣州粵嵌通信科技股份有限公司開展校企合作協同育人，進一步貫徹落實《國務院辦公廳關于深化高等學校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》文件精神，深入推進產學合作協同育人，推動高校人才培養(yǎng)與產業(yè)發(fā)展緊密結合，探索符合學校實際情況的嵌入式系統課程改革。

2協同育人模式下的嵌入式系統課程改革措施

2.1理論教學內容改進與設計

2.1.1增加嵌入式課程導論。在教學過程中，引入職業(yè)前沿信息，培養(yǎng)學生的基本職業(yè)素養(yǎng)，幫助其熟悉專業(yè)相關行業(yè)的發(fā)展、具體工作模式、人才素養(yǎng)要求以及平均薪資水平等各種信息，為其今后的職業(yè)選擇、人生規(guī)劃打下良好基礎。結合嵌入式系統的前沿發(fā)展設置相關學習內容、學習課時、學習目標，以此驅動學生了解行業(yè)新動態(tài)，學習行業(yè)前沿知識和新興的技術。通過與合作企業(yè)協調，派遣嵌入式系統工程師入校，企業(yè)導師講授課程導論并與學生課堂交流，通過技術分析讓學生初步接觸嵌入式課程并大致了解課程重點；以技術成果展示的方式讓學生感受嵌入式技術的大致應用范圍及領域，清楚嵌入式技術的用途及應用方法；同時介紹企業(yè)文化和行業(yè)動態(tài)來開拓學生視野，并讓他們對專業(yè)及就業(yè)方向有所了解，避免理論與實際應用脫節(jié)。2.1.2將傳統課后習題的作業(yè)形式改為嵌入式。系統項目方案設計嵌入式系統課程以應用為中心，實踐性和工程性強，往往難以通過課后習題的形式幫助學生理解和掌握課程知識點，因此將理論知識與實際需求以及當前最新技術緊密相連，以實際的工程背景問題進行專題研究與討論，根據工程認證要求，鍛煉學生設計開發(fā)系統解決方案、使用現代工具、項目管理與科學應用及團隊溝通協作能力，幫助其理解和運用課堂知識解決實際問題，激發(fā)學習興趣，提高聯系實際的動手能力以及自行分析問題、解決問題的能力。2.1.3結合多個主流教材確定課程內容。由于嵌入式技術日新月異，軟硬件更迭較快，因此不拘泥于單本教材，而選用多本主流參考教材，挑選其中重要的章節(jié)內容講授，與時俱進，實時增加新內容，處理器硬件平臺從S3C2440更新到S5PV210。

2.2實踐教學內容改進與設計

校企協同育人過程中，學校與企業(yè)培育模式不盡相同，企業(yè)更注重實踐能力的培養(yǎng)。在學校與企業(yè)的雙重育人的條件下，如何協調在教學改革過程中與企業(yè)對接的方式以及企業(yè)工程師如何切入實踐教學環(huán)節(jié)，課堂的教學內容如何與課堂的實踐結合起來，以何種方式結合起來既能在學生接受范圍之內又能實現教學目標，以上問題變得異常重要。為此，可以增設項目實訓環(huán)節(jié)，由企業(yè)提供實訓題目和硬件平臺，學生根據項目的要求進行實際代碼編寫、硬件測試功能，項目完成后進行項目答辯，并提交項目說明書。實訓環(huán)節(jié)由企業(yè)工程師主導完成，在嵌入式ARM平臺、觸摸屏和傳感器組成的最小系統的基礎上，全面深入地對行業(yè)內廣泛使用的嵌入式系統技術進行深入學習和項目實踐；使學生在學習過程中通過實際操作對嵌入式系統開發(fā)技術有深刻的理解和掌握。

2.3課程考核指標設計

將課程理論考試改為依據全程監(jiān)控的理念進行考核。課程考核包括4個部分，分別為出勤、作業(yè)、實驗和項目實訓，具體要求及評分方法如下。（1）出勤：理論課程的講授均要求學生參與并簽到，不得缺勤。課堂考勤占總成績的10%。（2）作業(yè)：課程有1次大作業(yè)，根據嵌入式系統的應用場景設計對應的解決方案，要求學生必須獨立完成并在規(guī)定時間內提交。作業(yè)成績占總成績的10%。（3）實驗：課程設有8次實驗課，16學時，要求學生認真準備，全程參與，獨立完成并按時提交實驗報告。實驗成績占總成績的30%。（4）項目實訓：嵌入式項目設計運行結果功能測試及答辯，提交設計報告，共占總成績的50%。

3教學方法與實踐

3.1案例式教學法

針對嵌入式系統課程較強的實踐性特征，引入案例教學法，對于不同知識點采用差異性教學方法[9]，如嵌入式系統工程設計章節(jié)，通過將教學內容設計成案例教學內容來改進教學效果[10]，見表1。

3.2研討式教學法

為進一步加深學生對嵌入式系統三要素及其廣泛應用的理解，將課后作業(yè)改為根據嵌入式系統工程設計原則和方法面向某一具體應用設計嵌入式系統方案并進行研討，從智能交通、智慧城市、智能電網、智能農業(yè)、工業(yè)4.0、物聯網、智能家居等方向尋找問題并提出嵌入式系統解決方案，其要點包含：①項目需求分析，包含系統的設計目的、系統的主要功能、系統的成本要求、系統的功耗要求、系統的主要參數要求、系統的尺寸和重量要求；②結構設計，對整個系統進行整體架構上的設計，從軟件和硬件兩個方面描述。實施方案是首先通過世界大學城網絡教學空間或者課程中心布置方案設計任務，學生通過查找資料自行設計解決方案并提交，期限為1個月；然后由任課教師引導，每位學生在課堂上用PPT展示方案并討論；最后，由學生集體投票評選出最終成績，極大地調動了學生的參與性和積極性。

3.3項目實訓教學法

講座式的教育教學方式和項目驅動的實驗實踐方法可以培養(yǎng)學生的動手能力、實踐創(chuàng)新能力和團隊協作能力[11]。可從項目實訓環(huán)節(jié)入手，采用“知識講授+項目實踐”的教學模式提高教學質量，培養(yǎng)學生的工程能力[12-13]。由協同育人企業(yè)提供實訓題目和自主研發(fā)的硬件平臺GEC210，項目詳細要求見表2。通過項目硬件平臺，指導學生正確使用項目開發(fā)板，了解開發(fā)板的環(huán)境配置與編程；針對項目具體內容進行理論指導，梳理每個項目開發(fā)的具體流程，演示項目中共同的編程基礎，如圖片顯示控制程序原理、LCD屏使用基本步驟、LCD屏點擊與滑動編程原理。實訓項目驅動流程如圖1所示，使學生在掌握嵌入式技術的基礎上，以應用為中心，從產品角度出發(fā)，掌握電子技術、計算機技術、軟件工程等技術的交叉應用，建立產品研發(fā)的整體思路及流程，將理論應用到實際中，為學生將來就業(yè)、創(chuàng)業(yè)打下技術基礎。同時，促進學生養(yǎng)成科學的工作態(tài)度、良好的工作習慣和團隊合作精神。

3.4課程改革特色與效果

3.4.1以實際應用為導向的教學內容設計。將企業(yè)前沿技術引進課堂，通過企業(yè)實際項目成果展示、企業(yè)項目工程師與學生交流、項目開發(fā)板引入等多種方式，彌補了傳統教學與工程應用脫節(jié)、學生課堂學習與職業(yè)要求脫節(jié)、課本理論知識與市場前沿要求脫節(jié)等缺陷。3.4.2更具實際效果的課程考核方法，切實提升學生的實踐能力?？紤]到課程偏重于應用，課程實驗主要針對于基礎操作，通過引入項目，極大地提高了學生的動手能力，加強了學生對基礎知識的掌握和應用，避免了“為考試而學習”“考完就忘”等徒勞無功的現象；項目驗收中的另一新穎點在于最終成果以答辯方式進行展示，鍛煉學生表達、應變能力。3.4.3以課程學習為導向，助力學生職業(yè)規(guī)劃與未來就業(yè)。通過此類課程改革，學生牢固掌握相關技術，具備基本開發(fā)經驗，結合課程中引入的實時職業(yè)信息，能清晰地分析自身興趣、能力，從而積極思考未來從業(yè)；同時項目開發(fā)經歷與項目自身技術含量對其未來就業(yè)也大有裨益。在對該課程實施改革后，分別在湘潭大學的電子信息工程、通信工程、計算機科學與技術以及網絡工程專業(yè)進行了實踐教學，改變“填鴨式”教學方法，以學生為中心，切實調動了學生的課堂積極性，真正讓學生學有所獲，取得了良好的效果。在教學之余，鼓勵學生根據所提交的項目方案以及實訓項目內容進行擴展和深入，使得學生的嵌入式系統應用設計能力有較大的提高，帶領學生參加第十三屆中國大學生ICAN國際創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽以及第十一屆藍橋杯全國軟件和信息技術專業(yè)人才大賽嵌入式組，獲得了國家級獎項2項、省級獎項4項。部分學生通過在粵嵌科技進一步深入培訓學習，在嵌入式系統行業(yè)中找到了滿意的工作，達到了課程改革的目的。

4結語

課程改革既能使授課對象最大限度地掌握課程知識、應用課程知識，又形成了能促進其全面發(fā)展的授課方案及考核方案，讓學生既牢固掌握了基礎理論知識，具備扎實的實踐功底，又能清晰地把握行業(yè)發(fā)展要求，根據市場需求應用所學技能，從而助力學生的個人能力、專業(yè)素養(yǎng)提升以及就業(yè)與人生規(guī)劃。

作者:鄧清勇 龍賽琴 周龍 單位:廣西師范大學計算機科學與工程學院 湘潭大學計算機學院 廣州粵嵌通信科技股份有限公司湖南分公司