协同育人下嵌入式系统课程改革浅论

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摘要：分析嵌入式系统课程改革的必要性，提出改革目标，从重构教学内容、改革教学方法及课程考核评价方式方面介绍协同育人模式下的嵌入式系统课程教学改革措施，给出相应的教学方法，说明课程改革特色与效果。

关键词：嵌入式系统；OBE；协同育人；教学改革

0引言

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，是传统的嵌入式系统与互联网结合发展的高级形式。物联网产生大数据，逐步形成了云计算、人工智能、区块链、虚拟现实等新兴技术相互叠加的科技爆炸时代。嵌入式是物联网开发的基础，旨在实现万物互联的物联网系统的控制和数据处理操作都是通过嵌入式的技术去实现的，换而言之，物联网就是嵌入式产品的网络化。嵌入式系统技术已广泛应用于国防、国民经济及社会生活各领域，为企业、军队、办公室、实验室以及个人家庭等各种场所实现智能化的控制和管理提供技术解决方案。在此背景下，掌握物联网嵌入式技术的人才必将受到应用型高校和高新技术企业的重用，也意味着这类人才不仅要具有扎实的学科与专业基础知识，更应具备很强的技术与工程实践能力。

1嵌入式系统课程改革的必要性和目标

目前国内各大高校的自动化、计算机、电子信息等专业中都开设了嵌入式系统课程，也有不少学校开设了物联网专业，其中也包含嵌入式课程。由于该课程需要微机原理、C语言和操作系统等先修课程知识，因此主要开设在大三下或大四上。教学方式多为理论课程加实验课程，但教学内容尚无统一规范，或注重概念性、基础性的入门教学；或侧重ARM体系结构、指令系统；或偏重嵌入式操作系统，以Linux及应用开发为主[1]。另外，学生基础差异大，有的是计算机专业，软件知识扎实，但硬件知识缺乏；有的是自动化或电子通信工程专业，硬件知识学习得多，而软件工程、操作系统方面的软件知识缺乏。显然，对于嵌入式系统这种实践性较强的课程来说，以理论教学为主、实验教学为辅的传统教学方式难以满足嵌入式系统人才实践动手能力的培养需求。当前大学的实践教学仍未受到足够重视，验证性实验较多，设计性、综合性实验较少，没有完全建立起结合理论教学的实践教学体系，从而导致人才培养质量难以满足应用型人才需求。目前对于课程成绩的考核主要还是以试卷为主，但实践性较强的课程单凭理论考试的方法难以衡量学生的真实学习能力，难以检验课程的效果，更无法促进学生提高动手能力的自觉性。因此，如何引导学生灵活运用嵌入式系统的知识去解决具体的问题成为课程改革的目标。近几年，工程教育专业认证成为我国工科专业培养人才的基本制度，以工程教育认证的理念和标准对嵌入式系统课程实践体系进行改革和创新，能提高学生的应用能力和创新能力[2]。文献[3]中提出基于OBE模式重构教学内容、改革教学方式和改进考核评价方式，但每个学校有具体的校情，学生层次也不尽相同，因此，需要结合本校学生的特点和课程实际情况来改革。文献[4]中基于工程教育认证要求根据嵌入式课程特点提出一系列实践教学改革措施，工程实践能力培养成为嵌入式系统课程的目标之一。文献[5]中根据嵌入式系统课程遇到的问题提出线上线下混合教学与项目制教学方法培养学生的实践动手能力。文献[6]中从系统能力培养出发，改革了嵌入式系统的知识体系、教学方法和创新实践。文献[7]中针对理论与实践脱节的现状，结合实验内容调整课堂教学内容。文献[8]中以创新能力培养为目标对课程教学体系、实验及实践教学进行改革。为解决传统授课模式片面性与行业发展对人才要求全面性的矛盾，笔者与广州粤嵌通信科技股份有限公司开展校企合作协同育人，进一步贯彻落实《国务院办公厅关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》文件精神，深入推进产学合作协同育人，推动高校人才培养与产业发展紧密结合，探索符合学校实际情况的嵌入式系统课程改革。

2协同育人模式下的嵌入式系统课程改革措施

2.1理论教学内容改进与设计

2.1.1增加嵌入式课程导论。在教学过程中，引入职业前沿信息，培养学生的基本职业素养，帮助其熟悉专业相关行业的发展、具体工作模式、人才素养要求以及平均薪资水平等各种信息，为其今后的职业选择、人生规划打下良好基础。结合嵌入式系统的前沿发展设置相关学习内容、学习课时、学习目标，以此驱动学生了解行业新动态，学习行业前沿知识和新兴的技术。通过与合作企业协调，派遣嵌入式系统工程师入校，企业导师讲授课程导论并与学生课堂交流，通过技术分析让学生初步接触嵌入式课程并大致了解课程重点；以技术成果展示的方式让学生感受嵌入式技术的大致应用范围及领域，清楚嵌入式技术的用途及应用方法；同时介绍企业文化和行业动态来开拓学生视野，并让他们对专业及就业方向有所了解，避免理论与实际应用脱节。2.1.2将传统课后习题的作业形式改为嵌入式。系统项目方案设计嵌入式系统课程以应用为中心，实践性和工程性强，往往难以通过课后习题的形式帮助学生理解和掌握课程知识点，因此将理论知识与实际需求以及当前最新技术紧密相连，以实际的工程背景问题进行专题研究与讨论，根据工程认证要求，锻炼学生设计开发系统解决方案、使用现代工具、项目管理与科学应用及团队沟通协作能力，帮助其理解和运用课堂知识解决实际问题，激发学习兴趣，提高联系实际的动手能力以及自行分析问题、解决问题的能力。2.1.3结合多个主流教材确定课程内容。由于嵌入式技术日新月异，软硬件更迭较快，因此不拘泥于单本教材，而选用多本主流参考教材，挑选其中重要的章节内容讲授，与时俱进，实时增加新内容，处理器硬件平台从S3C2440更新到S5PV210。

2.2实践教学内容改进与设计

校企协同育人过程中，学校与企业培育模式不尽相同，企业更注重实践能力的培养。在学校与企业的双重育人的条件下，如何协调在教学改革过程中与企业对接的方式以及企业工程师如何切入实践教学环节，课堂的教学内容如何与课堂的实践结合起来，以何种方式结合起来既能在学生接受范围之内又能实现教学目标，以上问题变得异常重要。为此，可以增设项目实训环节，由企业提供实训题目和硬件平台，学生根据项目的要求进行实际代码编写、硬件测试功能，项目完成后进行项目答辩，并提交项目说明书。实训环节由企业工程师主导完成，在嵌入式ARM平台、触摸屏和传感器组成的最小系统的基础上，全面深入地对行业内广泛使用的嵌入式系统技术进行深入学习和项目实践；使学生在学习过程中通过实际操作对嵌入式系统开发技术有深刻的理解和掌握。

2.3课程考核指标设计

将课程理论考试改为依据全程监控的理念进行考核。课程考核包括4个部分，分别为出勤、作业、实验和项目实训，具体要求及评分方法如下。（1）出勤：理论课程的讲授均要求学生参与并签到，不得缺勤。课堂考勤占总成绩的10%。（2）作业：课程有1次大作业，根据嵌入式系统的应用场景设计对应的解决方案，要求学生必须独立完成并在规定时间内提交。作业成绩占总成绩的10%。（3）实验：课程设有8次实验课，16学时，要求学生认真准备，全程参与，独立完成并按时提交实验报告。实验成绩占总成绩的30%。（4）项目实训：嵌入式项目设计运行结果功能测试及答辩，提交设计报告，共占总成绩的50%。

3教学方法与实践

3.1案例式教学法

针对嵌入式系统课程较强的实践性特征，引入案例教学法，对于不同知识点采用差异性教学方法[9]，如嵌入式系统工程设计章节，通过将教学内容设计成案例教学内容来改进教学效果[10]，见表1。

3.2研讨式教学法

为进一步加深学生对嵌入式系统三要素及其广泛应用的理解，将课后作业改为根据嵌入式系统工程设计原则和方法面向某一具体应用设计嵌入式系统方案并进行研讨，从智能交通、智慧城市、智能电网、智能农业、工业4.0、物联网、智能家居等方向寻找问题并提出嵌入式系统解决方案，其要点包含：①项目需求分析，包含系统的设计目的、系统的主要功能、系统的成本要求、系统的功耗要求、系统的主要参数要求、系统的尺寸和重量要求；②结构设计，对整个系统进行整体架构上的设计，从软件和硬件两个方面描述。实施方案是首先通过世界大学城网络教学空间或者课程中心布置方案设计任务，学生通过查找资料自行设计解决方案并提交，期限为1个月；然后由任课教师引导，每位学生在课堂上用PPT展示方案并讨论；最后，由学生集体投票评选出最终成绩，极大地调动了学生的参与性和积极性。

3.3项目实训教学法

讲座式的教育教学方式和项目驱动的实验实践方法可以培养学生的动手能力、实践创新能力和团队协作能力[11]。可从项目实训环节入手，采用“知识讲授+项目实践”的教学模式提高教学质量，培养学生的工程能力[12-13]。由协同育人企业提供实训题目和自主研发的硬件平台GEC210，项目详细要求见表2。通过项目硬件平台，指导学生正确使用项目开发板，了解开发板的环境配置与编程；针对项目具体内容进行理论指导，梳理每个项目开发的具体流程，演示项目中共同的编程基础，如图片显示控制程序原理、LCD屏使用基本步骤、LCD屏点击与滑动编程原理。实训项目驱动流程如图1所示，使学生在掌握嵌入式技术的基础上，以应用为中心，从产品角度出发，掌握电子技术、计算机技术、软件工程等技术的交叉应用，建立产品研发的整体思路及流程，将理论应用到实际中，为学生将来就业、创业打下技术基础。同时，促进学生养成科学的工作态度、良好的工作习惯和团队合作精神。

3.4课程改革特色与效果

3.4.1以实际应用为导向的教学内容设计。将企业前沿技术引进课堂，通过企业实际项目成果展示、企业项目工程师与学生交流、项目开发板引入等多种方式，弥补了传统教学与工程应用脱节、学生课堂学习与职业要求脱节、课本理论知识与市场前沿要求脱节等缺陷。3.4.2更具实际效果的课程考核方法，切实提升学生的实践能力。考虑到课程偏重于应用，课程实验主要针对于基础操作，通过引入项目，极大地提高了学生的动手能力，加强了学生对基础知识的掌握和应用，避免了“为考试而学习”“考完就忘”等徒劳无功的现象；项目验收中的另一新颖点在于最终成果以答辩方式进行展示，锻炼学生表达、应变能力。3.4.3以课程学习为导向，助力学生职业规划与未来就业。通过此类课程改革，学生牢固掌握相关技术，具备基本开发经验，结合课程中引入的实时职业信息，能清晰地分析自身兴趣、能力，从而积极思考未来从业；同时项目开发经历与项目自身技术含量对其未来就业也大有裨益。在对该课程实施改革后，分别在湘潭大学的电子信息工程、通信工程、计算机科学与技术以及网络工程专业进行了实践教学，改变“填鸭式”教学方法，以学生为中心，切实调动了学生的课堂积极性，真正让学生学有所获，取得了良好的效果。在教学之余，鼓励学生根据所提交的项目方案以及实训项目内容进行扩展和深入，使得学生的嵌入式系统应用设计能力有较大的提高，带领学生参加第十三届中国大学生ICAN国际创新创业大赛以及第十一届蓝桥杯全国软件和信息技术专业人才大赛嵌入式组，获得了国家级奖项2项、省级奖项4项。部分学生通过在粤嵌科技进一步深入培训学习，在嵌入式系统行业中找到了满意的工作，达到了课程改革的目的。

4结语

课程改革既能使授课对象最大限度地掌握课程知识、应用课程知识，又形成了能促进其全面发展的授课方案及考核方案，让学生既牢固掌握了基础理论知识，具备扎实的实践功底，又能清晰地把握行业发展要求，根据市场需求应用所学技能，从而助力学生的个人能力、专业素养提升以及就业与人生规划。

作者:邓清勇 龙赛琴 周龙 单位:广西师范大学计算机科学与工程学院 湘潭大学计算机学院 广州粤嵌通信科技股份有限公司湖南分公司