面向新工科建設的跨學科嵌入式實驗教學

何杏宇， 楊桂松， 周亦敏

(上海理工大學 a. 出版印刷與藝術設計學院； b. 光電信息與計算機工程學院， 上海 200093)

0 引 言

跨學科研究早已成為科學創新的重要驅動力[1]。尤其，在信息技術廣泛應用和飛速發展的近10年，社會各界明顯感受到學科交叉是創新的主要動力和源泉[2]。在未來，全球矚目的人工智能和智能制造技術的發展與突破也將依賴于電子技術、計算機技術、網絡通信技術、生物科技、以及機械控制等多個學科的深度交叉。為主動應對新一輪科技革命與產業變革，2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設，提倡學科交叉融合[3]。而嵌入式技術作為電子技術、計算機技術和網絡通信技術的交叉產物[4]，它將成為人工智能和智能制造發展過程中能夠使生物科技、機械控制技術等其他科技得以融合和應用的重要基礎技術手段。為了響應新工科建設的號召，本研究提出跨學科的嵌入式實驗教學，放寬該門課程的學科覆蓋范圍，允許能源動力、生物醫學以及機械工程等專業的學生也參與嵌入式技術學習，并對現有嵌入式實驗教學內容和教學形式進行有效改革，形成新的教學體系，以更好地培養從事人工智能和智能制造研究的跨學科創新型人才。

1 關于傳統嵌入式實驗教學的思考

1.1 缺乏學科合作和交叉創新的主動性與引導性

嵌入式技術是眾多學科在應用中得以融合的關鍵技術。雖然按照傳統教育方式培養的嵌入式人才在工作崗位中有與其他學科人才進行合作創新的機會，但目前企業中經常出現這樣的現象：來自計算機相關專業的精通嵌入式技術的人才因欠缺理解其他領域應用需求的能力而創新能力低下；而來自非計算機相關學科具有較好的理論創新能力的人才因不了解嵌入式技術而很難根據理論創新點提出具體的應用設計需求。可見，滯后的跨學科合作培養使得技術創新相對被動，并且需要長時間的相互選擇和磨合。

為了了解校內學科合作和交叉創新的氛圍，本研究針對在校的來自不同學科的本科生進行了問卷調查，據調查結果，完全不關心其他學科知識的學生只有9%，這說明大部分學生還是希望多了解其他學科知識的，但是主動了解其他學科知識的學生只有18%，可見，在沒有學校引導的情況下，學生進行學科合作和交叉創新的主動性并不高。另外，調查結果還顯示，在校期間，有與其他學科同學進行合作創新經驗的學生只有12%，這也進一步說明目前學校欠缺對學生進行跨學科創新的引導，并且沒有充分提供開放的多學科交叉創新的氛圍。如果在大學培養階段就開始引導學生根據興趣往不同學科交叉滲透，盡早打開他們跨學科創新的思維和視野，這會極大降低學生的創新盲目性，以及培養學生的主動創新意識。

1.2 教學內容和教學形式的單一和刻板

為了提高學生的跨學科創新能力，除了提供引導和建立氛圍讓學生解放思想和拓寬視野外，還需要提供豐富的教學資源以及科學的教學方法對學生進行系統化的知識與技能訓練。據了解，傳統的嵌入式實驗教學只面向計算機相關專業[5]，沒有為學生提供開放的多學科交叉融合的教學環境[6]，計算機相關專業的學生無法開放性地了解其他學科對嵌入式技術的應用需求，非計算機相關專業的學生更是沒有接觸嵌入式技術的機會。另外，傳統的嵌入式實驗教學內容單一，教學形式程式化[7]，主要強調基本的計算機軟硬件設計，既無法根據不同應用背景提供多樣性的實驗項目，也無法根據學生的興趣和能力提供適應性的技能訓練。

2 跨學科嵌入式實驗教學所面臨的挑戰

本研究提出的跨學科嵌入式實驗教學將為多個不同的學科服務，例如，汽車電子、醫療器械、能源控制、測試技術、生物電子等專業。在進行實踐嘗試之前，本研究分別針對在校的計算機相關專業和非計算機相關專業(新增的覆蓋專業)的學生進行了關于跨學科嵌入式實驗教學的意愿調查，調查結果如表1所示。

表1 跨學科嵌入式實驗教學的學生問卷結果 %

從表1的調查結果看出，無論是計算機相關專業還是非計算機相關專業，大部分學生認為所學學科對人工智能和智能制造技術的發展有貢獻，并且愿意以跨學科合作的方式來開展嵌入式技術學習。

雖然，跨學科嵌入式實驗教學可以打破以往封閉的創新環境，有利于營造良好的學科合作氛圍，能有效提高學生的主動跨學科創新能力，但是，將該想法付諸實踐要應對一系列新的挑戰：

(1) 不同學科對嵌入式技術的應用需求不同，彼此的結合點也不相同，這將對教學內容的豐富度以及實驗教師的教學能力產生極大挑戰。例如，生物醫學工程注重生理信號的處理[8]，如心電、醫學影像、生化指標等，它要求嵌入式技術處理這些特殊信號的流程與處理傳統工業信號的方式有所不同。又例如，機械電氣工程注重通過電信號來實現機械運動控制，如機器人關節運動控制[9]、汽車牽引變速控制[10]、機床運動控制等，它對嵌入式技術產生的控制信號提出更加精確和靈活的要求。面對來自不同學科的不同應用需求，實驗教師需要積累和收集豐富且多樣化的應用案例和實驗項目，而且還要不斷擴大自身知識面和提高專業技能，才能應對自如。

(2) 學生基礎參差不齊，興趣和專長各異，這將對教學方法和教學模式產生極大挑戰[11]。來自不同專業的學生對嵌入式技術基礎知識的掌握程度各不相同，如果不進行層次化處理，可能會導致拖延優秀學生的步調，也可能會出現基礎薄弱的學生跟不上的情況。另外，在同一個嵌入式設計項目里，來自不同專業的學生擅長的部分也各不相同，如果不因材施教，可能會埋沒學生的優點，失去跨學科合作的原始意義。可見，傳統的集中式授課不再適用，跨學科嵌入式實驗教學應該更關注學生的多元性，對學生進行層次化和差異化的處理[12]。

3 關于跨學科嵌入式實驗教學的改革和探索

跨學科嵌入式實驗教學不僅需要兼顧不同學科的應用需求，而且要考慮不同學科的學生興趣和基礎層次差異，為此，本研究從教學內容和教學形式兩方面展開實驗教學改革和探索。

3.1 教學內容多樣化

在實施跨學科嵌入式實驗教學的初期，本研究收集大量不同學科的應用案例，形成豐富和多樣化的實驗項目庫。例如，為了滿足生物醫學類和機械工程類專業的應用需求，本研究針對性地收集了這兩類學科的應用案例，并新增相應的實驗項目類別。如表2所示，經過內容擴充后的嵌入式實驗項目門類主要包含3大類：生物醫學儀器類、機械運動控制類以及無線通信系統類，其中，生物醫學儀器類主要包含不同原理的檢測和診斷設備的設計類實驗，機械運動控制類主要包括與機器人、車輛以及車床等相關的運動控制實驗，無線通信系統類則是包括不同應用場景下的無線網絡系統構建實驗。在實驗項目類別多樣化的情況下，學生可以根據興趣自由選擇不同的嵌入式實驗項目。

表2 跨學科嵌入式實驗教學的實驗項目類別

3.2 教學形式層次化

本研究對參與跨學科嵌入式實驗教學的學生進行訓前評估以測試其對嵌入式技術基礎知識掌握的程度，并根據學生的基礎差異設計了相應的基礎訓練班、項目化訓練班和實戰化訓練班3個層次化教學形式，如表3所示。

表3 跨學科嵌入式實驗課程的層次化教學

基礎訓練班主要針對欠缺軟硬件設計基礎的學生(大部分來自非計算機相關專業)，采用集中式授課形式，對學生進行一系列基礎技能訓練，包括嵌入式操作系統和交叉編譯環境的熟悉、應用程序的編寫和調試、嵌入式處理器和外圍電路的連接、電路原理圖繪制和PCB設計等。而對于具有良好技能基礎但沒有自主設計經驗的學生，則可以參與項目化訓練班。項目化訓練采用團隊化合作的方式來組織學生分組執行實驗項目，一個分組包括5～8名學生不等，參與的學生需提前填報興趣和特長信息表，以便實驗教師根據興趣來分組，分組后組內成員協商選擇實驗項目并根據特長來自主分配組內任務，例如，對生物醫學儀器感興趣的同學可以選擇與醫療儀器有關的實驗項目，又例如，在機器人手臂設計項目分組里，機械設計與自動化專業學生負責手臂外形和機械結構設計，電子與電氣信息專業學生負責手臂觸覺傳感器信號檢測與處理，計算機專業的學生負責動作識別和運動控制等，項目組學生在掌握嵌入式技術的基礎上，也能了解到機械基礎知識、電路知識、信號處理知識、自動控制知識等多個學科的知識，達到了學科交叉融合的目的，極大地擴展了學生的知識面。而對于已經具備一定的嵌入式系統自主設計能力并希望參加各種嵌入式設計賽事的學生則可以參與實戰化訓練班。實戰化訓練班對學生的自主性要求較高，學生必須根據賽制自主組隊并根據參賽內容自主進行實戰訓練，實驗教師安排定期的答疑和交流時間。

3.3 教學形式項目化

項目教學法有利于培養個人技能的系統性和全面性[13]。本研究還通過項目化訓練培養學生的項目規劃能力和協同執行能力。在項目化培訓初期，所屬相同實驗項目分組的同學需要根據設計需求協商制定出項目任務計劃書，該計劃書包括詳細的軟硬件設計框架、任務劃分情況以及相應的執行進度計劃表。例如，圖1所示為一個機械運動控制類實驗項目的任務計劃書結構，它包括硬件框架設計計劃和軟件框架設計計劃，其中，硬件框架部分分為機械結構和外觀設計、主控電路設計以及檢測和傳動電路設計3個部分，軟件框架部分又分為控制程序設計、信號處理程序設計和通信程序設計3個部分，該實驗項目的成員需要協商安排這6個設計部分的負責人，而每個設計部分的負責人則需要根據所分配的任務制定設計計劃、列出相應的實驗材料清單以及安排執行進度。

本研究采用交互式審核的方式來定期檢查學生的實驗項目執行進度。項目審核小組由多名具有不同技術專長的實驗教師組成，分別審核項目執行過程中的不同環節，以糾正上一步工作的錯誤以及引導下一步工作的開展。嵌入式創新需重視學生的自主性[14]。本研究的項目設計過程以學生為主體，提倡學生主導設計以及注重團隊合作精神的培養。具體地，每一個審核環節都采用交互討論的形式進行，首先學生進行演示和工作匯報，然后教師提出疑問或指出錯誤以供同學討論，最后學生給出改進方案以及描述下一步設計計劃。

圖1 機械運動控制類實驗項目任務計劃書

3.4 教學形式實戰化

“學賽一體”能夠提升技能創新的活力[15]。為了給參加各類嵌入式技術相關比賽的學生提供實戰化的訓練環境，本研究收集各類比賽的歷年試題以建立各類題庫，并給參加實戰化訓練班的團隊指定帶隊教師進行定期答疑和指導。實戰化訓練班面向的比賽主要有大學生機械創新設計大賽、全國大學生電子設計競賽、物聯網設計競賽以及中國機器人大賽等重大賽事。本研究提出的實戰化訓練主要有3個特點：① 以老帶新，建立網絡交流平臺，邀請有參賽經驗的校內外師生傳授經驗；② 與企業接軌，定期邀請企業工程師進行講座，并對實戰訓練的設計環節進行技術點評指導，并安排學生走進企業參與設計實習；③ 舉辦校內外“友誼賽”，增加賽前熱身的鍛煉機會，為大型賽事積累經驗。通過比賽的強化訓練，學生的設計和創新能力能夠得到快速提高[16]。

4 教學成效分析

通過校級和市級大學生創新創業項目和開放式創新實驗室相結合的形式對所提出的跨學科嵌入式實驗教學體系進行了初步實踐，為了驗證其成效，本研究統計了參與學生在各類賽事中的參賽數和獲獎數，據統計，改革實施前參與各類賽事的人數相對較少，尤其參與機器人設計類和車輛設計類的賽事相對更少，而在實施跨學科嵌入式實驗教學后，參與各類賽事的項數明顯增多，而獲獎項數也相應增長(僅2018年就獲得如下獎項：全國大學生電子設計競賽嵌入式邀請賽獲二等獎2項、上海市大學生電子設計競賽獲獎22項、全國大學生生物醫學創新設計競賽獲一等獎1項、全國大學生機器人大賽技術挑戰賽機器人救援總決賽獲特等獎1項、上海市大學生創意機器人挑戰賽一等獎2項、全國大學生智能車競賽獲獎4項、全國大學生機械創新設計大賽獲獎25項)。圖2所示為實戰化訓練班學生參加全國大學生電子設計競賽的部分獲獎作品。

(a) 風力擺控制系統

(b) 雙向DC-DC變換器

為了了解學生的參訓感受，開展學生座談，了解到學生的訓練體會主要在3個方面：① 拓寬了視野，培養了開放式創新思維，解決問題時不再故步自封，養成了主動了解其他學科研究動向的習慣；② 培養了執行項目的系統規劃能力，懂得了如何在團隊合作中與不同專長的成員進行有效率的溝通；③ 通過參加比賽可以獲得自我肯定，尤其能夠增強跨學科創新的自信心。另外，還采訪了企業面試者，了解到有參與過跨學科嵌入式實驗教學的學生，更有自信地介紹自己的項目研發經驗以及分享自己的項目成果。

5 結 語

為了更好地培養出從事人工智能和智能制造研究的新型人才，提出了跨學科嵌入式實驗教學，將該類教學的覆蓋范圍拓展到能源動力、生物醫學以及機械工程等其他非計算機相關專業，通過建立豐富和多樣化的實驗項目庫，滿足不同學科的應用和興趣需求，并通過設計層次化、項目化和實戰化的教學形式，為學生創造了良好的學科交叉融合氛圍，極大地提高了學生跨學科創新的自主性，以及增強了學生的合作創新的協同能力，這對推動新工科建設具有重要意義。