嵌入式系統類課程項目演示性實踐教學改革研究

王 宇 靳寶全 王 東 崔麗琴 張 麗 鄧 霄

太原理工大學新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室 山西太原 030024

太原理工大學應用物理學專業始建于1994年，經過20余年的改革與實踐，逐漸形成了“以理明智，以工踐行”的辦學特色以及“厚基礎、寬口徑、重應用”的人才培養模式，專業于2006年被評為山西省品牌專業。

本專業以太原理工大學物理學、儀器科學與技術2個一級學科為支撐，在《太原理工大學2016版培養計劃》中相繼開設了一系列嵌入式系統類課程，具體包括嵌入式系統基礎及應用、單片機原理與接口技術、智能儀器設計基礎及現代測試技術及應用等。

嵌入式系統類課程與各類型工程實踐項目有著緊密的聯系，并在各類企事業單位的項目研發部門得到廣泛應用。然而，傳統的課堂教學模式多以概念性講授、練習題解答、板書幻燈片等內容為主，缺少以工程實踐項目為主導、穿插基礎知識和實際技巧的教學方式，導致學生接受效果不佳，并與實際工作脫節較為嚴重。因此，針對應用物理學專業嵌入式系統類課程的教學改革十分必要，其改革將有助于提升該專業學生的創新能力和就業競爭力。

為此，本文提出了以工程實踐項目為主導的教學改革思路，結合生產生活中的嵌入式產品進行項目演示性實踐教學，從而訓練大學生的創新能力。

1 國內外教學方法研究現狀

2009年，哈爾濱理工大學的李巖等人針對原有嵌入式系統課程不適合現代企業和項目研發需求的問題，提出了一種新的教學體系方案，促進學生的就業與學業的進一步發展[1]。2011年，電子科技大學的李文生等人提出了一種以講解具體案例和工程應用來提高學生思考、動手與創新能力的嘗試，提高了學生的學習熱情，獲得了良好的教學效果[2]。2013年，上海電力學院的彭道剛等人采用了講座式教學和項目實踐的方法，不僅提高了學生的上課熱情和對課本知識理解程度，還培養了學生對嵌入式系統的學習興趣和動手實踐能力[3]。2016年，中國地質大學的陳凱等人針對現有教學中實驗板數量不足和內容有所欠缺的問題，開發完善了新的教學實驗板，使學生能夠切實進行操作與實踐，解決了動手能力不足的問題[4]。2017年，杭州電子科技大學的徐平等人對嵌入式系統進行了教學改革，將教師上課為主的模式轉為以學生實踐為主的教學模式，極大地提高了學生對這門課程的學習興趣，促進了學生的就業發展[5]。2018年，吉林大學的陳晨等人針對嵌入式系統實踐教學環節不能滿足現代企業應用的問題，通過完善教學結構和改善培養方案的方式提高了學生的動手實踐能力，增強了畢業生的工作能力[6]。

2 嵌入式系統推動創新創業

嵌入式系統主要分為嵌入式微控制器、嵌入式微處理器、嵌入式數字信號處理器、嵌入式片上系統四類，以單片機、ARM、Linux等為主，可運用于智能儀器設計、工業生產控制等領域。嵌入式系統應用的軟硬件可進行高效率協同設計，在同樣配置的基礎上實現更高的性能，現在對嵌入式系統的研究方向主要為小型化、低功耗、低成本、提高可靠性、多媒體人機界面等，其應用熱點集中在智能家居、網絡技術、電子商務等領域。其中，共享單車先行者“OFO小黃車”、外賣行業領袖“餓了么”、創意企業“禮物說”等都是學生運用嵌入式系統進行創新創業最鮮明的例子，對學生的創新創業有極大的推動作用。同時嵌入式系統在智能家居網絡、工業過程控制中也起著重要的作用，無論是小米的智能家居全產業鏈，還是西門子的全自動化工廠，嵌入式系統皆滲透其中。因而改革嵌入式系統的實踐教學可充分提高本科生對嵌入式系統課程的理解程度，切實提升其對嵌入式系統的運用能力，對本科生創新創業能力的培養有重要的推進作用。

3 教學改革方案

3.1 翻轉課堂 推進動手能力培養

翻轉課堂將學習的主動權交給學生，避免填鴨式的教學方式，增加了課程學習的靈活性，推進了學生動手能力的培養。通過閱讀課件、視頻、電子文檔等，學生可在課前完成嵌入式系統基礎知識的自主學習。在課堂中，學生可將自己對嵌入式系統的理解向學生講解，并就自己的觀點與大家進行討論，充分交流，在討論的過程中，糾正錯誤，取長補短。

在對嵌入式系統有了充分理解以后，學生可進行自我作品的設計與制作，在課堂上對所設計的作品進行前期講解，吸取教師和學生的建議后可進行相應的調整與改進。隨后進行作品制作，就制作中遇到的問題在課堂中與大家進行交流，順利完成作品的制作。課程結束后，學生對嵌入式系統的知識有完整的理解，并完成嵌入式系統作品的設計、制作。通過翻轉課堂的教學方式，結合課程相關作品的實際制作，將課程的重點轉向課程實踐，推進學生動手能力的培養。

3.2 以賽代練 增強團隊意識

通過參加與嵌入式系統相關的比賽(見表1)，可以增強學生對課程知識的深度理解，提高動手能力，增強團隊意識。同時在比賽作品的調試過程中，學生經歷了器件選型與組裝、控制程序調試等工作，有助于學生對課本知識的理解和團隊意識的培養。

表1 大學生嵌入式系統類代表性比賽列表

3.3 加入團隊 實現科研技能錘煉

本專業嵌入式系統類課程的授課教師主要來自于新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室，該實驗室現有科研團隊如圖1所示，每個團隊研究內容及側重點都有所不同。學生可根據興趣愛好加入任一適合自己日后就業或者繼續深造的團隊。通過在團隊中的學習與研究提高學生的科學素養，完善自己的科研技能。在與學生和教師的深度交流中，學生能夠發現自己知識和動手能力的不足，在實際應用中加深對知識的理解與掌握，錘煉科研技能，為以后的就業和繼續深造打下堅實的知識基礎和培養良好的動手實踐能力。

圖1 重點實驗室科研團隊簡介

4 大學生創新能力訓練

4.1 依托本科教學工程項目 推進大學生創新能力培養

太原理工大學通過本科教學工程項目訓練大學生創新創業能力，從各專業發展方向出發，對不同專業背景的學生提供不同的專業訓練項目。應用物理學專業以物理學、儀器科學與技術為方向，基于嵌入式系統在光電檢測、智能儀器等領域的應用，推進大學生創新創業能力培養。2016～2018年，太原理工大學分別批準了99，120，120項本科教學工程項目，其中應用物理學專業的學生參與本科教學工程項目分別為5，5，6項，而與嵌入式系統直接相關的項目分別為5，4，5項(見表2)。因此，嵌入式系統占比最高可達100%，可充分保障本科教學工程對大學生創新能力的培養，尤其是保障大學生嵌入式系統實踐能力的提升。

表2 本科教學工程項目獲批情況

4.2 依托工程技術研究中心 推進大學生創新能力訓練

本專業大四學生可以選擇在山西省測控技術與新型傳感器工程技術研究中心開展畢業設計，通過在研究中心動手實踐，完成自己的畢業設計作品這一過程，使得學生的嵌入式系統開發能力得到了提高，從而能夠順利畢業，為學生們以后的就業或升學提供了實踐與鍛煉的機會。

圖2 學生參與工程技術研究中心的科研工作

5 結語

本文將以工程實踐項目為主導的教學思想運用到應用物理學專業，符合該品牌專業的培養模式。實踐結果表明，經過專業競賽和科研團隊的錘煉，學生的動手實踐能力得到了提高，為以后的就業和繼續深造打下了堅實的基礎。