面向新工科的嵌入式實踐課程改革與實踐

李德興 王玉松 邢東洋

(中國民航大學 工程技術(shù)訓練中心, 天津 300300)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展和教育理念的更新,高等工程教育經(jīng)歷了多次轉(zhuǎn)型,從“技術(shù)范式”轉(zhuǎn)換為“科學范式”,繼而轉(zhuǎn)換為“工程范式”[1]。2016年,卓越工程師培育計劃的升級版“新工科”概念被提出,我國高校進入了“新工科”建設和發(fā)展時期[2]。新工科的推動和實施,旨在適應以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟發(fā)展,對深化我國工程教育改革、建設工程教育強國、服務和支撐我國經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級具有重大意義[3-4]。2018年,教育部提出了“金課”概念,要求提升大學生的學業(yè)挑戰(zhàn)度,合理增加課程難度,拓展課程深度,擴大課程的可選擇性,真正把“金課”轉(zhuǎn)變成有深度、有難度、有挑戰(zhàn)度的“金課”[5]。

嵌入式系統(tǒng)在智能應用領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢,但嵌入式課程普遍存在與工程應用脫節(jié)的問題,國內(nèi)許多高校對嵌入式實踐課程進行了改革[6-7],改進教學平臺、教學方法等,其目的在于將新工科建設引入嵌入式課程,培養(yǎng)學生的工程應用能力和創(chuàng)新能力。中國民航大學嵌入式實踐課程組通過分析課程中存在的不足,按照新工科建設的標準要求,對該課程進行了全面改革,調(diào)整授課內(nèi)容,改進授課方式,挖掘該課程的“高階性”“創(chuàng)新性”和“挑戰(zhàn)度”,努力打造嵌入式實踐“金課”。

1 傳統(tǒng)嵌入式課程中存在的問題

嵌入式系統(tǒng)定義為:以應用為中心,以計算機技術(shù)為基礎,軟硬件可裁剪,適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。

新工科建設開展后,對嵌入式實踐課程提出了新的要求。課程建設,“新”是取向,要求課程具有新理念,能夠應對變化,引領(lǐng)創(chuàng)新;要求課程建設具有新的途徑,能夠做到繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享;要求具有新的教學手段,能夠充分調(diào)動學生主動學習的積極性。嵌入式實踐課程綜合性、實踐性較強,對授課教師的要求很高,對學生的知識儲備和學習能力要求也很高,教學難度較大。對比新工科建設對本課程的要求,發(fā)現(xiàn)課程的不足之處主要表現(xiàn)在以下幾方面:

1.1 教學觀念落后

在授課過程中,教師安排實驗內(nèi)容,帶領(lǐng)學生按步驟進行實驗,還保留著傳統(tǒng)的以教師為中心開展教學活動的方式,沒有做到以學生為課堂主體,調(diào)動其積極性開展自主學習,學生不會獨立思考,不去質(zhì)疑,沒有創(chuàng)新思維。

1.2 教學內(nèi)容陳舊

原有的教學內(nèi)容局限性大,缺乏創(chuàng)新性,與實踐和應用脫節(jié),不能滿足市場和產(chǎn)業(yè)對人才培養(yǎng)的要求。課程內(nèi)容缺乏高階性、創(chuàng)新性,沒有挑戰(zhàn)度,對后續(xù)課程的學習不能提供足夠的支撐,沒有達到學習收獲期望。

1.3 教學模式單一

現(xiàn)有的教學模式不能跟上信息化、網(wǎng)絡化技術(shù)發(fā)展的腳步。教師課堂講解,提供相關(guān)資料,學生按照步驟進行操作,驗證結(jié)果。沒有充分利用公開課等線上資源,教學形式缺乏先進性和互動性。

1.4 考核方法不夠客觀

課程結(jié)束后,一般根據(jù)學生的實驗結(jié)果確定成績,對其學習過程的考核不足,同時由于“搭車”現(xiàn)象導致成績判定不公正公平,成績不能反映最終的學習效果。

綜上所述,改變課程現(xiàn)狀,提升挑戰(zhàn)度,挖掘課程深度,進而培養(yǎng)學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維模式,是教學中急需解決的問題。

2 課程改革主要內(nèi)容

針對嵌入式實踐課程的特點和存在的問題,基于“新工科”對課程建設的要求,借鑒其他院校新工科建設的先進經(jīng)驗,從教學內(nèi)容、教學模式、考核方法等方面對該課程進行改革。

2.1 以新工科建設為導向明確教學目標

新工科對學科的創(chuàng)新實用性、交叉綜合性與成果導向性有很高的要求,嵌入式課程屬于交叉學科,與信息通信、電子控制、軟件設計等技術(shù)緊密結(jié)合。通過深入調(diào)研,確定嵌入式實踐課程的教學目標是:緊密結(jié)合學科前沿,了解嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的相關(guān)技術(shù),掌握相關(guān)學科的基本知識;以成果為導向,通過團隊協(xié)作的方式完成學習目標,使學生具備嵌入式系統(tǒng)應用項目的開發(fā)能力。

2.2 結(jié)合典型應用,更新教學內(nèi)容

教學設計和教學實施的核心目標要直指通過教學活動最終取得的學習成果。嵌入式系統(tǒng)涉及知識范圍較廣,教學活動中需要根據(jù)不同專業(yè)開設相應的實驗內(nèi)容。中國民航大學教學改革從更新嵌入式開發(fā)平臺、開設專業(yè)契合度高的實驗項目兩方面入手。

1)重構(gòu)實驗平臺

選擇STM32開發(fā)板結(jié)合外圍器件構(gòu)建實驗平臺,基于該平臺可以開設嵌入式課程所涉及的大部分實驗,包括嵌入式操作系統(tǒng)、傳感器應用、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡應用等。程序編寫語言為C語言,避免了學生重新學習編程語言的問題,節(jié)約課時。

2)更新實驗內(nèi)容

按照專業(yè)能力培養(yǎng)目標級別不同進行分層,設定實驗內(nèi)容,構(gòu)建“三-三”課程教學架構(gòu),如圖1所示。實驗項目分為三層,不同級別對應培養(yǎng)不同的工程能力。第一層為基礎實驗,學習嵌入式相關(guān)基礎知識,旨在培養(yǎng)學生的基本學習能力;第二層為綜合實驗,由幾個基礎實驗組合構(gòu)建,培養(yǎng)學生綜合應用能力,例如通過串口接收上位機信息,控制傳感器、紅外、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊完成一定的任務;第三層為項目實訓,基于綜合實驗進行二次開發(fā),學生以團隊形式完成,培養(yǎng)學生創(chuàng)新設計和團隊協(xié)作能力。

圖1 “三-三”課程教學架構(gòu)

項目實訓內(nèi)容包括雷達模擬系統(tǒng)、飛機選擇呼叫模擬系統(tǒng)等與學生所學通信工程專業(yè)契合度較高的實訓項目。要求學生基于嵌入式平臺,自主設計完成。雷達模擬系統(tǒng)開發(fā)需要學生掌握相關(guān)傳感器的應用,引導學生深入學習超聲波傳感器測距原理,并通過算法優(yōu)化實現(xiàn)精確測距;飛機選擇呼叫模擬系統(tǒng)需要學生掌握該系統(tǒng)的工作原理,結(jié)合數(shù)字譯碼、模擬放大、射頻傳輸、濾波器等相關(guān)知識,實現(xiàn)選擇呼叫功能。項目實訓鍛煉學生的綜合應用能力,實現(xiàn)了不同課程內(nèi)容之間的交叉融合,難度等同于本科畢業(yè)設計,具有較高的挑戰(zhàn)度和創(chuàng)新性。

以雷達模擬項目為例,要求能夠探測出80 cm內(nèi)的物體,實時顯示在PC機屏幕上。項目涵蓋綜合實驗中的電機控制、傳感器控制、上位機通信等,同時需要對探測到的數(shù)據(jù)進行優(yōu)化,發(fā)送到上位機,上位機需要編寫顯示程序,模擬雷達探物的顯示界面。每組學生分工明確,分別負責項目管理、硬件驅(qū)動、軟件編寫等工作,協(xié)同完成。對于學有余力的學生,鼓勵其編寫APP手機應用程序,把PC機的顯示程序轉(zhuǎn)移到手機端,教師提供APP開發(fā)例程和框架代碼,幫助學生完成APP開發(fā)。

2.3 “線上線下結(jié)合”,改進教學模式

單一的課堂教學活動不能滿足教學需要,在加強課堂教學建設的同時,開展“線上”課程建設,進行“線上線下混合式”教學。具體方案如下:課堂講解嵌入式系統(tǒng)基礎知識、應用項目開發(fā)流程,重點講解綜合實驗;學生通過慕課、公開課等線上教學資源學習基礎實驗內(nèi)容;采用翻轉(zhuǎn)課堂形式進行項目實訓,由教師布置任務,提出考核指標,學生自行設計方案,與教師討論完善并實施,完成項目達到設計指標,撰寫項目總結(jié)報告,進行實物演示答辯。表1顯示了不同授課方式相對于學生的能力養(yǎng)成。

表1 授課方式與能力培養(yǎng)對照表

通過項目實訓,要求學生線上完成基礎知識學習,線下開展項目實做,使學生從“做中學”,切身體會嵌入式系統(tǒng)應用項目開發(fā)的完整過程,學生在項目開發(fā)時從“問題”入手,尋找解決方案,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新實踐能力,同時訓練學生的設計報告撰寫能力,為今后的學習工作提前做好準備。

為了提高教師的教學能力,同時讓學生了解更多的嵌入式應用信息,開展校企聯(lián)合培養(yǎng)模式,“走出去,請進來”,派遣任課教師去企業(yè)進行培訓,學習嵌入式發(fā)展最前沿的技術(shù),了解應用前景。聘請企業(yè)中參與嵌入式應用項目開發(fā)的專業(yè)人員來校授課,講解實際應用項目的開發(fā)流程,讓學生感受實際的項目運作,激發(fā)學生的學習熱情。

2.4 注重過程考核,改進考核方法

改革前,對于學生的成績判斷主觀性較大,只要學生參與學習,完成實驗內(nèi)容,就能得到較好的成績,缺乏公平性和客觀性。改革后,成績由個人完成部分和小組完成部分組成。表2給出了總成績判定方案,按照該方案制定成績考核表對學生學習情況進行考核。

表2 成績判定基本方案

3 改革成效分析

新的教學模式和考核方式帶來了較好的教學效果,達到了預定的教學目標,受到學生好評。課程結(jié)束后,通過不記名的學習達成度問卷調(diào)查,讓學生反饋自己的學習成效,統(tǒng)計結(jié)果如圖2所示,90%以上的學生對學習效果滿意,表示知識量和工程應用能力都有所增長。

圖2 嵌入式學習達成度反饋結(jié)果

在2018～2019第一學期,隨機抽取4個班級學生進行了問卷調(diào)查,請學生對課程教學模式和考核方式進行客觀評價,表3為根據(jù)參與評價情況得出的改革認可度調(diào)查結(jié)果,從調(diào)查結(jié)果可以得出結(jié)論,97%的學生對本次教學改革表示滿意。學生們表示:通過課程學習,對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)有了一個全新的認識,理論課上枯燥的寄存器、中斷等術(shù)語,變成了形象直觀的控制對象,對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)產(chǎn)生了濃厚的興趣,同時也鍛煉了自己的自主學習和查閱資料的能力。

表3 改革方式認可度統(tǒng)計表

選修本課程的部分學生參與了電子設計大賽和智能車競賽,獲得全國電子設計大賽二等獎和天津市電子設計大賽一等獎,恩智浦杯智能車競賽優(yōu)秀獎,獲獎學生反饋通過本課程學習,對參與比賽起到了一定的幫助,提升了自身創(chuàng)新設計能力。

課程改革同時極大地提高了教師的授課能力和項目開發(fā)能力,通過參與教改和企業(yè)培訓,教師反映自身工程應用能力有了顯著提高。

4 進一步改革思路

4.1 挖掘課程深度,開發(fā)新的實驗項目

嵌入式系統(tǒng)應用廣泛,發(fā)展迅速,在教學中需要緊跟市場步伐,把最前沿的應用成果介紹給學生,激勵學生的學習熱情。深入挖掘課程內(nèi)容,開發(fā)新實驗項目,可以提供給學生更多的選擇和挑戰(zhàn)。同時,根據(jù)項目難易程度不同,可以對考核方式進一步細化,不同難度對應不同成績系數(shù),想要得高分就需要付出更多的努力去挑戰(zhàn)困難的項目。

4.2 加強線上教學建設,拓展教學資源

現(xiàn)有的教學資源不夠豐富。根據(jù)實驗內(nèi)容開發(fā)更多的有針對性的教學資源,使學生在線上學習時有的放矢,牢固掌握課程中的基礎實驗部分,彌補課堂學習中學時不足的現(xiàn)象。同時,引入線上學習監(jiān)控系統(tǒng),為學生的平時成績判定提供參考依據(jù),完善實驗過程量化考核。

4.3 增加開放實驗,共享教學成果

嵌入式課程改革是新工科建設在中國民航大學的一項成功應用案例,其教學模式和成效應該向其他課程推廣。建議增加開放實驗學時,吸引更多的學生學習嵌入式課程。學生有好的創(chuàng)意和項目也可以帶入課程中進行交流,實現(xiàn)學習成果的共享。

5 結(jié)語

基于新工科建設要求開展的嵌入式課程改革,能夠帶領(lǐng)學生深入學習嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)知識,對于學生的自主學習能力和創(chuàng)新意識培養(yǎng)起到了重要作用。通過重構(gòu)課程教學架構(gòu)和更新教學方法,有效地調(diào)動了學生的學習積極性,激發(fā)了學生的學習興趣。考核方法改革注重學生的學習過程評價,體現(xiàn)了考核的公平公正性,對學生的學習起到了督促作用。通過改革,教師和學生都有所收獲,為打造中國民航大學“嵌入式金課”做出了積極探索,為其他課程進行新工科建設探索提供了參考方案。