創新創業背景下嵌入式控制系統實踐教學改革探索

姚 霽

（西安郵電大學自動化學院，陜西 西安710121）

0 引言

隨著信息電子技術以及人工智能的發展，嵌入式系統在航天航空、工業控制、智慧家居等領域都得到了深入的應用。然而其教學面臨非常大的挑戰：首先，它是一門高融合性的交叉學科，涉及電子與微電子、計算機組成原理、操作系統、網絡通信等各領域；其次，它是一個飛速發展的動態學科，新技術、新產品、新應用層出不窮；此外，它還是一門實踐性極強的學科。因此，學生僅通過課堂學習很難對嵌入式理念有深入理解，只有通過不斷的實驗、項目實踐，才能加深、發展對嵌入式系統理念的理解[1]。然而，傳統的實驗教學已經無法滿足新時代對創新型嵌入式人才的培養要求。早在黨的十八大報告中就明確提出“實施創新驅動發展戰略”的宏偉藍圖，并要求“加大創新創業人才培養的支持力度”。教育部也強調著力建設創新創業優質課程。

1 傳統嵌入式系統實驗中存在的弊端

傳統的應試型教育觀念導致高等教育在一定程度上存在重理論、輕實踐的誤區，也因此影響了對學生培養的全面性，部分學生過于看重考試成績，忽略實驗能力。另外，部分高校沒有明確的實驗教學的培養目標，實驗教材內容陳舊且不成體系，嚴重阻礙了創新型實踐人才的培養[2]。

1.1 實驗教材內容陳舊

沒有合適的實驗教材是目前許多高校嵌入式實驗課程面對的基本問題。陳舊的實驗教材無法反映學科發展的脈搏，且內容多是驗證型的被動型實驗。這種純粹的驗證實驗，導致學生只關心實驗流程和現象，無法深入思考，更別提分析深層的原理。學生也反映通過這種僵化的流程式實驗收獲甚微，無法理解嵌入式技術的內涵。另外，目前部分高校的嵌入式實驗課程與理論課程內容關聯性不強，難以做到相互驗證。同時由于其課程體系復雜、知識點繁多，在實際的實驗過程中很難讓學生理解所有的要點。更為現實的問題是，傳統的實驗內容與產業應用嚴重脫節，更遑論符合當前業內的發展趨勢[3]。傳統的低質量的實驗教學難以匹配對培養人才的實踐能力和創新精神的需求，難以為社會輸送高質量的嵌入式人才。

1.2 實驗教學手段落后

嵌入式系統實驗類別繁復、內容豐富，必須依賴完備的實驗設備。傳統的實驗教學基本依賴開發箱等實驗平臺，而無須學生自己動手搭建、調試相關的硬件模塊，導致學生對嵌入式系統實驗的原理缺乏理解，也不能鍛煉他們的實踐能力。而傳統的嵌入式系統實驗平臺提供的范例，內容又過于簡單且缺乏針對性，很難對實驗對象進行動態調整或在線升級。傳統的實驗設備又不能靈活擴展，因而很難開展綜合性的實驗，也無法發揮學生的主動性。另外，在傳統的實驗教學中，教師通常按照實驗指導書講解操作流程，很少親自給學生示范實驗過程。學生在操作中具有盲從性，按部就班地按照實驗步驟和流程來進行，幾乎所有的實驗內容和環節都是預設的，幾乎沒有能讓學生主動參與的空間[4]。這種實驗方式嚴重束縛了學生的想象力和創造力，無法調動學生的主觀能動性，很難培養學生的實踐創新能力。

1.3 實驗考核手段落后

傳統的嵌入式課程考核過于重視筆試，不能反映其實踐性強的特點。對于實驗的考核標注更是模糊，通常僅根據實驗報告的質量來評價。這種貧乏而無新意的考核辦法缺乏清晰的區分度，容易讓學生走進輕實踐操作、重實驗報告的誤區，不僅使得學生對嵌入式系統實驗味同嚼蠟，喪失興趣，而且不能真正考查學生對嵌入式系統知識的系統理解和實際應用，以及學生的創新發展能力。

2 嵌入式系統實驗改革的探索

為了培養適應新時代創新發展需求的嵌入式人才，針對嵌入式系統傳統實驗教學中存在的弊端，本文進行了深入的研究和思考，并結合筆者在實驗教學中的親身經歷，提出了一系列關于嵌入式實驗教學的改革和創新方案。

2.1 拓展實驗課程內容

嵌入式系統學科知識覆蓋廣、技術更新快的特點決定了嵌入式系統實驗的內容、設備也需要與時俱進。目前，多數高校的嵌入式實驗儀器仍以實驗箱、實驗臺為主，而嵌入式處理器技術發展日新月異，從ARM系列到Cortex系列，各種新型處理器層出不窮。而實驗箱、實驗臺不僅成本高，且固化的實驗內容跟不上技術的更新，因此，嘗試購買低成本的小型開發板來滿足實驗教學的需求，既能節省成本，又能增加實驗設計的靈活性，把更多的實驗內容讓學生來完成。

雖然教師不可能向學生講授市場上所有最新的嵌入式技術，但是實驗器材的靈活性和可擴展性能夠讓教師在實驗內容的設計上保持必要的開放性。一方面，可根據生活中常見的嵌入式系統的應用實例，設計相應的實驗內容；另一方面，可加入一些與企業應用的嵌入式技術密切相關的實驗課題，讓學生盡可能接觸市場上真實的嵌入式系統的開發實例。這種開放性的新鮮的實驗，激發了學生的動手實踐的愿望，拓寬了學生的視野。

2.2 改進實驗授課方式

對于嵌入式系統實驗授課方式的改進，嘗試打破先學理論，再做實驗的傳統模式，采用邊教學邊實驗，甚至以實驗為主的授課模式，以實驗引領理論知識的學習。首先，利用仿真器、開發板等實驗設備演示實驗內容，讓學生在課堂上先看到實驗過程和結果，變抽象為具體，讓他們帶著疑問和興趣去學習實驗中的理論知識[5]。其次，根據嵌入式課程的知識架構設計出與教學內容匹配的實驗主題，并編寫成實驗講義，以原有的理論教材為補充。在具體的實驗教學中，充分體現以教師為引導、學生為主體的理念。針對不同的實驗主題和情境，充分引導學生的思維，發揮學生的主觀能動性，甚至積極鼓勵學生自己查閱資料，確定實驗主題，編排實驗內容，自主討論設計思路與原理，完成設計方案、流程圖制定、程序開發、上機調試等實驗全流程。真正使學生從實驗的被動接受者變為實驗的主動構建者，讓學生體會到進行科學實驗的樂趣。這種自主式的創新實驗授課模式不僅鍛煉了學生的科研創新能力，在一定程度上也豐富了教師的教學資源，真正實踐了教學相長的理念[6]。

因材施教也是實驗教學模式改革的一個方向。當前各類企業、高校舉辦的嵌入式競賽活動豐富多彩，一部分參加競賽的學生在比賽中已經接觸了很多嵌入式系統的實際應用，因此，這批學生會覺得校內的實驗內容過于簡單，無法得到成長。但是對于初次接觸嵌入式系統課程的學生而言，基礎實驗還是必不可少的。因此，在課程開始之初對學生進行測試，然后適當分層，實施不同內容的實驗教學，以便讓不同層次的學生在實驗中都能有所思，有所得。

2.3 健全實驗考核制度

針對嵌入式系統實驗課程實踐性強的特點，在考核中，我們重點關注學生的實踐能力和應用能力，充分發揮考核方式的“指揮棒”的引導作用，引導學生對實驗課程的重視。考核內容包括課堂實驗、課程設計和期末匯報、創新競賽等多個方面。

課堂實驗是學生認識嵌入式系統實際開發的起點。在實驗中，應以考察實驗的規范習慣和基本技能為主，不以實驗結果作為主要考核依據，重點關注學生在實驗中的表現，包括對實驗原理的理解、實驗行為的規范性、分析問題解決問題的能力等，以實驗報告為輔[7]。

課程設計是嵌入式課程的特色環節，也是學生們發揮個人實踐能力的舞臺。課程設計的選題既能保持一定的創新性，又能保證學生通過查閱文獻，結合自己的實踐知識，順利地找到設計方案。而最終課程設計的考核既要關注是否實現預期目標，也要參考設計中表現出的科研探索能力，還應注重設計文檔的撰寫與整理。全面的考核維度讓學生在完成課程設計的過程中充分鍛煉了他們的工程實踐能力。

在期末測試中，增加專門的實驗環節。由學生隨機抽取自己的試題，現場完成實驗。該環節不僅要求學生在規定的時間內全部準確地完成實驗，而且在實驗結束后，要讓學生口述實驗原理、過程、遇到的問題等。這種訓練為他們今后從事真正的嵌入式系統開發，在工作現場進行技術討論交流奠定一定的基礎。

對于參加競賽、創新實踐活動，或參加過企業嵌入式項目實習的學生，應當給予他們適當的附加成績，以鼓勵他們參與更多的嵌入式實踐活動中。

2.4 創建特色化嵌入式課程體系

嵌入式課程實踐性強、應用廣泛，很容易與創新創業系列課程結合起來，實現多維度、多層次的嵌入式系統相關課程的實踐項目的開展。以本專業培養方案中的課程設置為示例，在新生研討課創業基礎課程中，選取信息創新設計（Information Creation Design，ICD）系列課程，以講座、小組討論的形式提出方案，并進行設計重構、模型制作、推演測試等環節的實踐，利用樹莓派開發板套件等適合初學者的實驗器材，讓學生快速實現所設計的作品[8]。

隨著專業課程的深入學習，可適時開設集中實踐環節。讓學生利用ARM開發板，或自己搭建單片機硬件電路，或利用PLC控制器等，完成系統設計及調試。對于有潛力的項目組，及時肯定他們提出的有創意的思想，并幫助他們優化和完善那些不成熟的想法。對于有潛力的項目，我們進行了專業的創新創業項目化訓練，主要包括基本技能設置的基礎性實踐項目、各級各類創新創業項目、以創新創業孵化基地為平臺的創新創業實戰和實戰演練。項目采用團隊式指導、協作式學習的方式進行，以項目為載體，最終需要完成項目實物模型的設計與制作。通過此進階式學習，學生的工程實踐能力及創新創業能力得到了顯著提高，項目的成熟度也大大提高，一大批具有一定商業價值，又切實可行的項目，如“自動分揀設備”“智能小車” “智慧家居”“多旋翼飛行器”“3D打印”“自動輸液”“兒童晨檢機器人”“智能籃球裁判員”等多種創新創業項目在經過反復的打磨后，脫穎而出。

帶著這些項目，我們鼓勵學生先后參加了包括“互聯網+”大學生創新創業大賽、全國大學生電子設計大賽、飛思卡爾智能車大賽、iCAN創新創業大賽等諸多嵌入式創新實踐賽事，并且有信心取得了很好的成績。通過這種以賽促學的方式，學生可以體驗到嵌入式系統開發從構思、設計、選件、實現、編碼、測試的全流程。這鐘寶貴的經歷，不僅鍛煉了學生的實踐能力，也幫助學生建立了與企業溝通的渠道。學生不僅向企業展示了創新能力，也在企業的幫助下讓產品向市場化方向進一步靠近。這不僅給學生就業帶來了機會，也給企業注入了新的活力。

3 結語

嵌入式系統是一門集綜合性、實踐性、時效性、應用性于一體的課程。本文系統分析了嵌入式實驗的傳統教學中存在的不足，結合親身在實驗課程教學中的體會，在實驗內容創新、教學方式改進、考核方法改革以及創建特色課程方面提出了一系列措施和方案，以適應嵌入式系統課程的特點，保持嵌入式實驗的創新性和開放性，與時俱進，密切聯系行業發展的應用場景，保證課程實驗長期發展的活力和生命力。同時積極注重培養學生的創新能力、實踐能力，以培養適應時代發展的創新型復合型嵌入式人才為己任，不斷探索嵌入式實驗課程的改革方向與創新。