工程教育理念下嵌入式系統課程設計教學改革與實踐

孫偉　張小瑞　張自嘉　鄧志良

摘要：面向工程教育專業認證，針對傳統嵌入式系統課程設計教學中存在的問題，提出采用案例化、個性化的授課方式，基于教師科研項目精心剪裁課程設計內容，基于能力和興趣合理組建設計團隊，制訂面向團隊的全視角考核評價方法，形成了“內容-過程-評價”三位一體的持續改進措施，充分調動了學生學習的主動性，促進教學活動從“教”到“學”的轉變，取得了良好的教學效果。

關鍵詞：嵌入式系統課程設計工程教育專業認證教學改革

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2022）07（a）-0000-00

Teaching Reform and Practice of Embedded System Course Design based on the Concept of Engineering Education

SUN Wei1， ZHANG Xiaorui2， 3， ZHANG Zijia1， DENGZhiliang1

（1. School of Automation， Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing，Jiangsu Province，210044， China;

2. Wuxi Research Institute， Nanjing University of Information Science & Technology， Wuxi Jiangsu Province，214100， China;

3. Engineering Research Center of Digital Forensics，Ministry of Education， Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing ，Jiangsu Province，210044， China）

Abstract： Towards the professional certification of engineering education， aiming at the existing problems in traditional embedded system course design， a set of reform measures based on content-process-evaluation are proposed， where case-based and personalized teaching methods are adopted， the contents of the course design are derived from teachers’ research projects and are reasonably tailored， development teams are established based on individual ability and interest， and a team-oriented full-view evaluation method is formulated. The proposed measures can adequately mobilize students’ initiative of learning， promote the transformation of teaching activities from “teaching” to “learning” and achieve favorable teaching results.

Key Words： Embedded system; Course design; Engineering education; Professional certification; teaching reform

工程教育是我國高等教育中不可或缺的重要一環，目前，以工程教育認證為基礎的教學建設與改革受到了全國高校的廣泛關注[1-2]。工程教育專業認證注重于學生的能力培養，強調“以學生為中心、成果為導向和持續改進”三個核心理念[3]。在這種全新的教育理念指導下，南京信息工程大學測控技術與儀器專業于2021年6月順利通過工程教育專業認證專家的進校考察，同時也對該專業的實踐課程改革提出了新的更高要求。

嵌入式系統課程設計是測控技術與儀器專業學生需要完成的項目內容最多、考察專業知識最全面、設計難度最高的綜合性課程設計。采用工程教育新理念對嵌入式系統課程設計教學進行改革，能夠從工程角度有效提高學生對測控系統概念的理解，激發學生的自主學習興趣和勇于創新意識，培養學生綜合運用所學專業知識解決復雜工程問題的能力。

1 教學過程中存在的問題

相較于工程教育的核心理念和認證標準，嵌入式系統課程設計的教學仍存在一些問題。

1.1 課程設計內容不夠充實，工程背景不夠突出

首先，原有設計內容大多依據基礎理論知識進行制定，與實際工程應用相脫離，無法充分培養學生的實踐能力[4]，很難做到學以致用[5]。其次，原來的嵌入式系統課程設計內容較簡單，大多是一些演示性或驗證性的實驗，缺乏基于完整開發流程的設計[6-7]。由于設計內容簡單，大多數同學可以在實驗平臺上根據實驗說明輕松完成，缺乏培養學生分析問題和解決實際工程問題的能力。

1.2課程設計教學模式相對單一，師生之間溝通交流偏少

傳統的課程設計教學大部分時間在實驗室開展，教師按照課程設計指導書布置設計任務，然后由學生在實驗室進行設計和實踐，在設計過程中出現問題只能在現場請教老師指導[8]。這種教學方法在充分調動學生自主學習積極性方面稍有欠缺，難以激發他們的獨立思考能力和勇于創新意識。此外，測控專業的嵌入式系統課程設計大都被集中安排在大三下學期的兩周內完成。這樣的課時安排過于集中，在課程設計期間學生不僅要上其他專業課，而且不少同學還要準備復習考研。學生在繁重的學習壓力下，如果不能及時有效地解決遇到的問題，容易對學習失去興趣。

1.3學生分組和任務分工不夠合理，考核方式不夠全面有效

在嵌入式系統課程設計教學中，教師為了方便管理，經常對學生進行簡單分組，較少依據學生的興趣、特點從能力培養角度對他們進行精細化分[9]。此外，對照工程教育專業認證標準，從多視角對學生進行多種能力考核方面還有待加強[10]，如以教師為主進行的考核不能科學量化而導致成績評定的平均主義，過于關注設計技術指標的完成而輕視實踐過程中創新精神和實踐能力的培養[2，11]。

2教學改革思路

該文以工程教育的核心理念為指導，針對傳統《嵌入式系統課程設計》教學過程中存在的薄弱點，通過教師科研項目的驅動，案例化、個性化教學的引導，全方位評價的保障形成三位一體的教學改革方案，以促進課程目標達成度的提升。總體改革框架如圖1所示。

在具體的教學過程中，以學生為中心，融合教學內容、教學組織和教學評價三方面要素展開設計，具體教學過程如圖2所示。從圖2可以看出，該教學過程突出學生的自主性與互動性，不僅有利于培養學生的動手實踐能力與創新意識，還有利于培養學生擔當精神、自我約束能力和團隊協作能力。具體改革思路如下。

2.1精心設計教學和實踐內容

為了更好地實現課程設計的教學，需要對現有的課程內容進行充分篩選，僅保留少數實用的教學模塊并結合具體案例進行講解，同時借助實驗室中的嵌入式試驗箱或開發板提高學生的動手實踐能力，充分發揮案例化教學的效果。另外，教學過程采用個性化教學，加強師生之間的互動交流，準確把握學生的知識基礎和設計能力并對薄弱環節加以輔導，同時也為后續基于學生興趣和特點的分組設計提供重要參考。

在實踐內容選擇方面，立足氣象行業的人才需求，要求教師從實際科研項目中選擇兼具氣象專業特色且覆蓋教學目標的復雜工程問題作為實踐內容。然而教師的實際科研項目對本科生而言往往難度較大，因此在課程設計實施之前要對實際科研項目進行精心裁剪，不僅要減少項目的覆蓋面，而且也要降低技術難度和深度。具體從項目技術指標、項目結構功能兩個方面進行裁剪。

此外在對復雜工程問題的結構和功能進行裁剪時，也要根據教學內容對項目進行分級設置，明確項目中的必做，選做和提升部分，以照顧不同學生的學習情況和層次水平，通過課程設計既給基礎比較差的學生帶來信心和希望，又能激發優等生的創新活力，有針對性地提升每一位學生的學習能力。

2.2合理組建開發團隊及分配設計任務

（1）基于能力和興趣合理劃分小組。課程設計注重培養學生在團隊合作、成員溝通等方面能力，因此針對不同學生在硬件設計、軟件設計、操作系統移植、系統調試等方面的興趣和優勢組成技能互補小組，以更好地達成課程設計目標。

（2）基于模塊劃分和難度分解進行任務分配。小組成員進行任務分配時遵循“集體決策，任務獨立”的原則。集體決策綜合考慮全組成員的建議，不但提升了決策的準確性和合理性，而且通過交流協作充分鍛煉了學生的綜合素養。任務獨立給每個組員分配獨立的設計任務，成員個人負責部分結構或功能的設計和開發，通過動手設計鍛煉學生的專業技能。

2.3完善課程評價方法及反饋機制

制訂嵌入式系統課程設計考核要求時，一方面要充分調動教師和學生的積極性與主動性，另一方面要以學生能力培養為出發點，保質保量完成教學任務。此外，在成果考核中，還應綜合考慮學生的能力水平、努力程度、發展潛力等多方面因素，實現教師、學生全員參與的多量化考核。

具體要做好如下3個方面的相結合：

（1）目標考核和團隊考核相結合。針對小組設計的實物成果，通過現場演示、答辯、技術指標等易于度量的考核目標對團隊整體進行量化評價，在調動學生的學習主動性的同時促進團隊成員之間的交流與合作。

（2）教師評價和學生評價相結合。教師對學生考勤、課程設計報告等個人任務完成情況進行評價，同時結合學生的自我評價、同組學生之間的評價等進行綜合考量。教師評價和學生評價相結合不僅能夠降低教師的主觀偏見，提高考查的全面性，而且能夠改善學生的人際關系，提高學術溝通能力。

（3）階段性評價和終結性評價相結合。階段性評價主要考察學生在各個設計階段的學習主動性，通過考勤、小組討論、執行進度等進行評價。終結性評價著重于學生設計作品的性能、結題答辯情況、個人設計報告等。依照課程設計的教學目標將階段性評價和終結性評價按權重相結合，充分調動學生的積極性與創造性。

3教學改革實踐

基于上述嵌入式系統課程設計的改革思路，該文作者對南京信息工程大學自動化學院測控技術與儀器專業的學生連續進行了三年的教學實踐，取得了預期成效。經改革后該課程設計的教學設計如下。

3.1教學內容實踐項目設計

首先，教學內容采用模塊化教學，按照項目開發中常用的幾個模塊，如中斷，I/O端口設計，定時器設計，中斷系統設計，存儲器設計，通訊接口設計等進行針對性的講解。講解過程選擇在實驗室進行，結合嵌入式系統試驗箱和開發板中的相應模塊進行講解，邊講解邊演示，加深同學們的印象，此外，針對上述重要的開發模塊的設計方法，結合往屆學生在設計開發過程容易出現的問題，專門錄制相關教學和演示視頻，讓同學們課下還能對課堂上沒聽清楚的地方進一步進行鞏固。其次，利用互聯網工具，建立嵌入式系統課程設計學習QQ群，每天在規定時間進行1小時的在線答疑，解決學生在課程設計過程中遇到的難題。

其次，課程設計任務設定，從教師的實際科研項目中精心選擇面向氣象行業特色的、經過認真剪裁的研究內容作為嵌入式系統課程設計的題目。具體題目包括：基于ARM的環境溫濕度檢測系統設計，基于ARM的超聲波風速測量儀設計，基于ARM的雨量計設計，基于ARM的大氣輻射計設計。覆蓋內容以ARM嵌入式系統的設計和開發為基本特征，考慮嵌入式系統的制作材料和成本、平衡系統的復雜度和開發周期。最終成果考核的技術指標被分解為14個可衡量、具有不同難度等級的指標：系統設計完整（是否）、調試完畢（是否）、文檔規范完整（是否）、表述問題條理性（3級）、回答問題準確性（3級）、PCB板焊接水平（3級）、系統精度等級（3級）、功能可擴展性（3級），運行穩定性（3級）、特色和創新（3級）、硬件成本（元）、設計工時（分鐘）、環境適應性（3級）、安全防護等級（3級）。這些考核指標在考核時不強調技術先進性，但包含了傳統教育不太重視的非技術能力指標。

3.2課程實施方式設計

根據要設計的嵌入式系統所具有的功能，每班分為5～6個小組，每組4～5名學生。在分組時，鼓勵大家結合布置的設計題目，根據自己的特長和興趣自由協調組隊并確定選題。為進一步優化團隊構成，充分發揮個人專長，教師會根據自由組隊的結果對相關團隊進行個別調整。確定好團隊和選題后，要求組內每名學生全程負責嵌入式系統中一個功能模塊的設計，包括硬件電路設計、驅動程序編寫、操作系統移植等。但是當遇到硬件選型或應用軟件界面設計等總體任務時，由負責該方面的學生做前期準備，然后所有成員共同討論、決策。在課程設計過程中，要求每周一次例會，例會要形成簡化的會議紀要，包括本周總結、下周安排和具體整改措施。考慮到學生個性化要求，在課程設計經費和設備上要保證每個團隊每個學生的需要，另外，將課程設計的期限延長至8周，實驗室全天候開放，充分調動每一位同學參與課程設計的積極性，保障他們有充足的時間和資源來完成課程設計。

3.3課程評價方法制訂

課程評價數據來自兩方面，一是設計過程的階段性評價數據，包括學生個人考勤成績，每個團隊的周例會評價。二是終結性評價數據，包括學生個人設計報告，個人自我評價，以及每個團隊的實物制作演示和現場答辯成績。其中個人考勤和個人設計報告屬于教師直接評定的個人成績，每個學生都要提交設計報告，主要寫自己負責的模塊，以及簡要介紹自己負責模塊同其他模塊的聯系。周例會評價、團隊答辯和實物制作演示成績屬于教師直接評定的團隊成績。實物制作演示成績的評定依據上述14個指標。最終依據周例會評價、團隊答辯和實物制作演示情況，教師給每個團隊一個分檔打包分。如A檔平均成績設定為91，如果小組有4個人則打包分為364分。接著，小組成員自行協商按實際貢獻進行打分，打分以貢獻度（百分比）的形式給出，然后，根據每個成員的貢獻度，將364分分配到每個團隊成員（如可能為96、92、90、86）。最后將個人考勤成績、設計報告成績、個人自我評價成績和團隊分配成績按照0.1、0.25、0.05、0.6權重進行計算，即可得到學生的綜合評定成績。

3.4課程實施效果分析

從實施效果來看，該文提出的方法能較好的實現該課程能力達成度的要求，不僅能突出學生的主體地位，激發學生參與課程設計的興趣和動力，而且對專業知識、實踐技能與協作精神、創新與應用意識、組織與管理觀念等都能進行鍛煉和培養。表1和表2分別是2020年實驗班和對照班的學生成績和教學評價對比結果。從表1可以看出，經過課程教學改革后，實驗班學生的平均成績相較于對照班有了明顯提高，從表2中也不難發現，實驗班學生對教師教學評價更為積極，評分結果也更高，說明該教學模式能夠充分提高學生的學習積極性和主動性。

為增加區分度，分別取2018年、2019年2020年該專業3個班級的成績進行分析。2018年為教學改革前成績，2019年為初次改革后的成績，2020年為改革措施完善后的成績。其成績正態分布如圖3所示，總體變化趨勢是收窄且右移。學生成績趨于集中，說明通過制度保證了學生均能受到充分而均衡的鍛煉，平均成績穩中有升，說明學生學習興趣和收獲都在逐步增加。

此外，我們也統計了2018-2020年該專業學生上完嵌入式系統課程設計后參與“互聯網+”大學生創新創業大賽、大學生電子設計競賽，大學生機器人大賽并獲獎的情況，2018年參加6人，獲獎2人，2019年參加10人，獲獎4人，2020年參加13人，獲獎7人。

從上述數據中不難看到，學生在做完嵌入式系統課程設計后，他們的學習熱情、實踐能力、競爭意識和創新精神均得到明顯提高。

4結語

該文結合南京信息工程大學的辦學特色和測控技術與儀器專業的特點，面向工程教育專業認證，采用個性化、案例化的授課方式，基于教師科研項目精心剪裁課程設計內容，合理組建開發團隊，制訂面向團隊的全視角考核評價方法，形成了內容-過程-評價融匯貫通的課程改革措施，教學實踐驗證了該方法能調動學生的學習主動性，激發其探究和創造的興趣。

參考文獻

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基金項目：教育部產學合作協同育人項目（項目編號：201902303018）;國家新工科研究與實踐項目（項目編號：E-SXWLHXLX20202612）;南京信息工程大學2019年度教學改革研究課題（項目編號：2019JY048）;南京信息工程大學專業學位研究生案例教學課程建設。

作者簡介：孫偉（1980—），男，博士，副教授，研究方向為嵌入式系統設計、道路環境感知，Email：sunw0125@163.com。