工程實踐融入教學的嵌入式系統及應用課程改革與探索*

張兵 袁進

宿遷學院信息工程學院 江蘇宿遷 223800

0 引言

2017年教育部發布文件推進新工科建設，要求高校要加快發展、建設新工科。新工科的內涵是：以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養未來多元化、創新型卓越工程人才[1]。

物聯網專業的課程與很多專業，如通信工程、計算機、人工智能、電子等專業有重疊，具備新工科的交叉復合特點，物聯網專業的主要技術更是新工科的重要支撐技術。嵌入式系統涉及多個領域的工程應用，也是物聯網和人工智能等新興行業的重要技術。因此，順應社會發展的需求，分析目前物聯網專業的人才需求和高校嵌入式系統人才培養現狀，與新工科建設理念相結合，進行嵌入式系統及應用教學改革，對提高嵌入式系統及應用教學質量，提高物聯網專業的專業建設水平，提高應用技術人才專業水平，有極為重要的幫助，也為國家新工科建設戰略計劃的實施夯實基礎。

1 現狀分析

嵌入式系統及應用是一門綜合性比較強的課程，在物聯網專業中是一門核心的專業必修課。起著承上啟下的重要作用，將前面所學的C 語言程序設計、數電、模電、傳感器等課程的基礎知識應用到嵌入式系統具體的應用場景中，還是后續的無線傳感網、物聯網專業實踐等課程的重要支撐。而嵌入式系統及應用課程課時相對有限[2]，涉及的知識比較多，比如嵌入式系統基礎知識導論、ARM 體系架構、嵌入式實時操作系統及相應的應用開發等，學生在學完課程的內容后只能獲得較為籠統的表層理解，實際應用中動手實踐操作比較困難。

學校嵌入式系統及應用課程的實驗課時與理論課時一般為1 ∶2，側重于理論教學。教師在講授理論課時所需條件相對容易實現，直接用PPT、板書的傳統方式呈現，簡單易行；但對于實踐方面來說，所需的硬件資源比較復雜，尤其在一些教學資源較為緊張的情況下，實踐教學開展不足。教師的科研側重于理論研究，對實踐方面的研究相對少一些，使得教師的理論與實踐兩端不均衡，導致沒有足夠的實踐教學師資。

嵌入式系統實驗課程一般使用固定的實驗箱，學生不了解系統的整體運行，不須設計電路，不須選擇芯片元件，僅按照實驗指導書步驟去做，去驗證實驗結果。具體操作過程中缺少主動性和探究性，沒有獨立開發經驗，換個開發板就不會使用。大部分學生處于臨摹狀態，只是依葫蘆畫瓢，能看懂實驗，但并沒有理論聯系實際，無法對知識點形成深刻的記憶。每個實驗內容單一獨立，相互關聯性不強，綜合性實驗項目較少，不利于綜合實踐能力的培養。

2 工程實踐融入教學的改革

2.1 構建師生共同體的教學目標

為了改變現有的教學現狀，實現新工科培養人才的教學目標，全面提高學生的學習能力，需要重新構建嵌入式系統的教學目標。首先在基礎知識方面要夯實學生對嵌入式系統知識要點的掌握；其次是嵌入式系統能力的提升，包括硬件設計能力、程序編寫能力、算法設計能力、系統調試能力、問題剖析能力等；再次要培養學生的嵌入式系統的思維構建，主要是邏輯思維、工程思維、創新思維等思維能力的構建；最后還要培養學生面向未來職業規劃挑戰的勇氣，具備挑戰有難度項目、克服困難、自主學習的能力，具備挑戰自我，工程規范、團隊協作的能力。

2.2 重塑教學內容

針對學生學習基礎知識的課時不足、理論不知如何與實踐相結合、實踐項目不會做等問題，可以通過四個階梯來重塑教學內容。

第一階梯，線上學習用慕課來夯實學生的學習基礎[3]。學生可以利用碎片化的時間進行線上學習，并且根據知識點的掌握情況多次重復觀看視頻，有不理解的知識點可以帶到課堂向教師線下請教，教師可以充分利用有限的理論課時講解基礎知識的重點、難點，和學生討論學習中的問題。

第二階梯，案例教學[4]，在案例中讓學生知道基礎知識如何被應用。如STM32 的GPIO 口的基礎知識及相關寄存器的設置，可以利用設備指示燈的設計與實現案例來講解如何將具體知識應用到項目之中；中斷的基礎知識和STM32 的中斷機制使用競賽搶答器的設計與實現案例，使學生能更清晰地理解中斷的使用；STM32 定時器及定時器/計數器的基礎知識使用電子時鐘的設計與實現案例、看門狗基礎知識使用環境監測點自復位的設計與實現案例、STM32 的USART 基礎知識使用視頻監控中三維控制鍵盤的設計與實現案例等等。在不同案例中使學生將所學基礎知識能靈活地應用到具體的案例中，提高學生的學習興趣。

第三階梯，翻轉課堂，思維引領。通過第一、第二階梯，學生掌握基礎知識并對基礎知識的具體應用有了了解，在第三階梯引導學生在應用基礎知識解決問題的時候去分析、探索新的問題，使學生在翻轉課堂上對知識結構有更深刻的理解并能靈活應用，從而培養分析問題、解決問題的能力，有利于下一階段項目的完成。

第四階梯，項目挑戰[5-7]。項目實踐是檢驗學生對基礎知識的理解和應用，把第三階梯的項目思維和第一、第二階梯所學知識的綜合應用。在項目開發實踐過程中培養學生發現問題、解決問題的能力。在布置項目過程中充分考慮學生的學習水平，分模塊步步推進，并在項目中體現階梯性，既能解決基礎問題，也有一定的階梯度，便于發揮學生的創新能力。

在具體的課時分配中，線上教學20 課時，案例教學16 課時，翻轉課堂12 課時，項目教學16課時，嵌入式系統及應用總課時64 課時。

2.3 課程教學設計的三個階段

在嵌入式系統及應用的學習過程中，根據學生的知識結構及學習進程，將嵌入式系統及應用課程知識體系融入學生項目開發的思維引導中。根據四個學習階梯把學習過程分為三個階段。

第一階段以模塊化思維為引導，以解決基礎知識模塊為案例出發點。在線上課程中學習STM32F4芯片的基礎知識，將GPIO 口模塊、IIC 模塊、LCD模塊、AD 模塊、傳感器模塊綜合應用，引導學生在項目編程中靈活應用基礎知識。

第二階段以工程思維為引導，以兩三個具有一定挑戰性的項目為引入。要深入理解定時器、中斷及通信的概念及使用方法。

第三階段以創新思維為引領，以完成三個綜合性、創新性項目為目標。通過智慧共享單車系統、智慧氣象系統、智慧城市照明系統三個項目的綜合實踐，引導學生面向未來，迎接更高的挑戰。

項目教學貫穿教學的后半程：立項、開題、技術、中期、測試、結題。在教學中重視實踐教學，教學的后半程重點呈現項目教學的內容。第一階段占7 周時間，讓學生充分掌握基礎知識，通過基礎案例培養學生的模塊化思維。第二階段占4 周時間，通過進階案例培養學生的工程思維。第三階段占5周時間，通過綜合項目案例培養學生的創新思維。項目教學中新的知識占比達50%以上，培養學生的自學能力，使項目具有挑戰性與高階度。如表1所示。

表1 教學過程設計

3 教學考核方式

結合嵌入式系統及應用課程目標中對學生動手實踐和項目開發要求較高的特點，針對嵌入式系統及應用最終考核方式相對單一、重理論、忽視實踐的現狀進行改革。在考核時，教師應增加案例分析和編程方面的實踐主觀題分值，并且增加課內實驗和項目實踐在平時成績中的比重。實驗成績不僅根據實驗報告，要更重視實驗過程中學生的實驗操作過程，根據實驗的完成度和實驗拓展挑戰性給出綜合評價。在項目挑戰中對學生分組，一般3 人一組，項目小組內學生自我評價與相互評價相結合，教師根據項目的完成度和創新性給出綜合評價。項目評分占比：教師和學生的評價各占一半。具體考核形式如表2所示。

表2 教學考核設計

4 教學成效

嵌入式系統及應用課程教學改革從2019年開始已進行3 輪，課程依托超星泛雅平臺開展線上線下混合式教學，線上進行基礎知識與部分項目案例教學，線下進行項目案例的研討、創新思維訓練。真實項目的融入，讓學生先學習再提高，理論與實踐相結合，真正學有所用。在2021—2022 學年秋季的嵌入式系統及應用的教學中，運用本教學模式的兩個班級（2019 級物聯網工程專業）同卷面測試的成績超過了對照授課兩個班級（2019 級電子信息工程專業），如圖1所示。

圖1 本教學班級（2019 級物聯網工程專業）與對照班級（2019 級電子信息工程專業）成績對比

工程實踐融入教學方法改革在相關學科競賽中也獲得了較好的成績，運用本教學模式的2019 級物聯網工程專業在藍橋杯電子信息競賽、計算機設計大賽、節能減排大賽中分別有25 人、6 人、5 人獲獎，對照班級2019 級電子信息工程專業在三個比賽中分別有10 人、3 人、0 人獲獎，學科競賽教學成果顯著。

5 結束語

在國家推進新工科建設背景下，為了培養出高素質，符合行業要求的應用型、創新型復合人才，積極開展嵌入式系統及應用課程教學改革，采用工程融入實踐、項目化的教學方式，使學生在實踐中將所學理論知識與工程實踐相結合，有效培養學生的動手能力、創新能力、工程實踐能力和團隊合作能力，使學生成為物聯網工程領域的應用型人才。