嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)課程思政教學(xué)改革實踐探究

吳宗勝，韓改寧

（咸陽師范學(xué)院計算機(jī)學(xué)院，陜西咸陽 712000)

0 引言

高校的根本任務(wù)是立德樹人，進(jìn)行課程思政教育是高校教師實現(xiàn)該任務(wù)的有力舉措[1-2]。為了全面推進(jìn)課程思政建設(shè)，在所有課堂中都應(yīng)該融入思政元素，要將思政教育貫穿教學(xué)全過程，促進(jìn)思想政治工作實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展[3]。

習(xí)近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強(qiáng)調(diào)指出：“要堅持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程，實現(xiàn)全程育人、全方位育人，努力開創(chuàng)我國高等教育事業(yè)發(fā)展新局面。”[4]

當(dāng)前，各高校已經(jīng)掀起了課程思政改革的浪潮，使課程思政成為越來越普遍的教育理念和教學(xué)實踐[5]。然而，有些教師對課程思政的認(rèn)識不足或?qū)φn程思政內(nèi)涵的理解不夠深入，因此不知道如何在自己的課程中開展課程思政教育。很多教師在教學(xué)過程中，普遍存在一種情況，即過于注重知識的傳授，而忽略了價值觀和職業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)[6]。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)是一門自動化控制、物聯(lián)網(wǎng)工程、軌道交通信號與控制等專業(yè)的基礎(chǔ)課程，它涉及硬件設(shè)計、軟件開發(fā)、系統(tǒng)集成等多個方面的知識，是一門專業(yè)性強(qiáng)、實踐性突出的課程[7]。隨著物聯(lián)網(wǎng)和機(jī)器人等技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的范圍越來越廣泛。然而，目前這類課程與思政教育的融合程度不夠高。在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)課程教學(xué)中引入思想政治育人內(nèi)容，可以在學(xué)習(xí)知識和鍛煉技能的同時，培養(yǎng)學(xué)生的家國情懷和社會責(zé)任感，這對于實現(xiàn)全員全程全方位育人有著重要的意義。本文以嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)課程為例，通過分析該課程的教學(xué)內(nèi)容，挖掘相關(guān)思政元素，并探索教學(xué)方法，達(dá)到知識傳授和價值引領(lǐng)的有機(jī)統(tǒng)一，最終培養(yǎng)出能夠肩負(fù)民族復(fù)興大任的新時代人才。

1 教學(xué)目的與育人目標(biāo)

1.1 教學(xué)目的

本課程的教學(xué)目的是通過嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境、開發(fā)方法、開發(fā)流程、編程實踐等基礎(chǔ)教學(xué)及嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計等進(jìn)階實驗，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新思維，使學(xué)生能夠掌握嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)的基本理論和技術(shù)，具備獨立進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用開發(fā)的能力。

1.2 育人目標(biāo)

結(jié)合本課程的教學(xué)目的，通過在課堂教學(xué)中因地制宜融入思政教育，實現(xiàn)培養(yǎng)有理想信念、有社會責(zé)任感、有創(chuàng)新精神、有人文素養(yǎng)的高素質(zhì)人才的育人目標(biāo)。具體來說，包括以下幾個方面：

1) 引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀，使其具有良好的思想道德素質(zhì)和行為習(xí)慣。

2)培養(yǎng)學(xué)生扎實的專業(yè)知識和技能，具備團(tuán)結(jié)協(xié)作、勇于擔(dān)當(dāng)?shù)囊庾R，使其能夠勝任相關(guān)工作，并具備獨立創(chuàng)新能力和國際競爭力。

3)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)家精神，使其具備追求真理、創(chuàng)新思維和實踐能力，能夠積極適應(yīng)和引領(lǐng)時代變化和科技發(fā)展，不斷創(chuàng)新和進(jìn)步。

4)使學(xué)生具有人文情懷和美育素養(yǎng)，尊重人權(quán)、關(guān)心社會、熱愛祖國、崇尚和平，能夠追求個人價值和社會公益并且二者相互促進(jìn)。

5)使學(xué)生具備強(qiáng)烈的社會責(zé)任感和使命感，始終為人民服務(wù)，積極參與社會建設(shè)和公益事業(yè)，為國家和人民做出貢獻(xiàn)。

2 教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法

2.1 教學(xué)內(nèi)容

本課程的教學(xué)內(nèi)容主要包括嵌入式系統(tǒng)的基本概念與原理、嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、嵌入式微處理器與接口、ARM-Linux內(nèi)核、嵌入式系統(tǒng)的移植、設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計、嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試與測試、嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展等方面的內(nèi)容。通過這些內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以全面了解和掌握嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)計與軟件開發(fā)技術(shù)。

2.2 教學(xué)方法

在教學(xué)方法上，我們采用了理論與實踐相結(jié)合的方式進(jìn)行教學(xué)。通過多種教學(xué)方法，包括理論講授、案例分析、實踐教學(xué)、隱性滲透式、課堂討論式等，使學(xué)生在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上能夠進(jìn)行實際操作和實驗設(shè)計，提升學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新思維。同時，課程還將德育元素和知識點進(jìn)行融合，將立德樹人貫穿于教學(xué)過程中。

1)案例驅(qū)動式教學(xué)法

采用案例驅(qū)動式教學(xué)法是將思政教育內(nèi)容融入課程案例教學(xué)過程中。在教授專業(yè)知識和培養(yǎng)技能的同時，還要對學(xué)生進(jìn)行個人觀念和價值觀的塑造，將知識傳授和價值引導(dǎo)有機(jī)結(jié)合。例如：將自改革開放以來，我國在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域取得的巨大成就作為課程案例，厚植愛黨、愛國、愛社會主義的情感；同時，結(jié)合國際和國內(nèi)兩個大局及社會熱點問題和重大事件案例，挖掘課程中所蘊(yùn)含的思政教育元素和承載的思政教育功能。

2)實踐教學(xué)法

實踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生動手能力、團(tuán)隊協(xié)作能力、創(chuàng)新思維和嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)態(tài)度的有效途徑。實踐教學(xué)可通過課內(nèi)實驗和課外實踐的方式進(jìn)行。

課內(nèi)實驗包括課程內(nèi)容的單項實驗和項目分組實驗，在實驗中教師可以在軟件程序或硬件連接中設(shè)置一些隱藏的問題和障礙，學(xué)生可以根據(jù)實驗運(yùn)行結(jié)果來分析故障原因以排查故障，教育學(xué)生應(yīng)該在挫折中具有堅持不懈的探索精神和解決問題的能力，并養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、優(yōu)秀的職業(yè)素養(yǎng)以及追求卓越的工匠精神。

課外實踐主要以參加課外科技活動和競賽為主，如全國“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)大賽、中國大學(xué)生計算機(jī)設(shè)計大賽、中國大學(xué)生工程實踐與創(chuàng)新能力大賽、全國大學(xué)生節(jié)能減排社會實踐與科技競賽，旨在鼓勵大學(xué)生積極參與各類科技競賽，關(guān)注國家科技、能源與環(huán)境發(fā)展政策，并將人文素養(yǎng)融入科學(xué)知識技能中以啟發(fā)創(chuàng)新性思維。通過該類實踐活動引導(dǎo)學(xué)生勤于學(xué)習(xí)、甘于奉獻(xiàn)、勇于創(chuàng)新，肩負(fù)起時代賦予的歷史重任。

3 課程思政教學(xué)案例

習(xí)近平總書記在2019 年3 月18 日的學(xué)校思想政治理論課教師座談會上強(qiáng)調(diào)：“要堅持顯性教育和隱性教育相統(tǒng)一，挖掘其他課程和教學(xué)方式中蘊(yùn)含的思想政治教育資源，實現(xiàn)全員全程全方位育人[8]。”因此，為了達(dá)到全方位育人的目標(biāo)，我們根據(jù)本課程的特點并結(jié)合具體的教學(xué)內(nèi)容，在教學(xué)與實踐中引入了顯性的和隱性的思政教學(xué)元素。以下是本課程設(shè)計的部分教學(xué)案例：

1)教學(xué)內(nèi)容：嵌入式微處理器

知識要點：嵌入式微處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心部件，由運(yùn)算器和控制構(gòu)成，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的算術(shù)和邏輯運(yùn)算等操作，并執(zhí)行用戶指令控制嵌入式系統(tǒng)的各功能部件，保證系統(tǒng)各部分能自動而協(xié)調(diào)地工作。

對應(yīng)的思政元素：愛黨愛國、家國情懷。嵌入式系統(tǒng)使用的微控制器由微處理器CPU 和外圍電路組成，CPU 處在核心的領(lǐng)導(dǎo)地位，與之連接的各部件在其領(lǐng)導(dǎo)下可以有條不紊地協(xié)調(diào)工作。猶如我黨帶領(lǐng)56 個民族走中國特色社會主義道路，實現(xiàn)共同富裕。引導(dǎo)學(xué)生們堅持我黨的領(lǐng)導(dǎo)地位，理解“堅持黨對一切工作的領(lǐng)導(dǎo)”是決定黨和國家前途命運(yùn)的重大原則問題，是實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的根本保證。

2)教學(xué)內(nèi)容：嵌入式微處理器的發(fā)展

知識要點：我國的嵌入式微處理器設(shè)計起步較晚，缺乏自主設(shè)計高端處理器的關(guān)鍵核心技術(shù)。雖然目前部分國產(chǎn)處理器技術(shù)（如龍芯、飛騰和申威）已經(jīng)取得很大的進(jìn)步，但核心技術(shù)仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國際先進(jìn)水平，高性能的微處理器主要還依賴國外進(jìn)口，不僅價格昂貴，而且經(jīng)常面臨出口限制，使得國家信息系統(tǒng)安全面臨巨大威脅[9]。2018年的“中興事件”無疑是一個很好的案例。當(dāng)年美國商務(wù)部發(fā)布出口禁令，禁止美國企業(yè)向中興通訊出售任何電子技術(shù)或通信元件，給依賴美國元器件的中興公司造成了巨大損失。近幾年，以美國為首的資本主義國家瘋狂地打壓我國的科技發(fā)展，斷供高端芯片和制造芯片所用的光刻機(jī)，企圖阻斷我國半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，受影響最大的當(dāng)是華為公司的微控制器麒麟手機(jī)芯片和5G射頻芯片。雖然麒麟芯片的設(shè)計水準(zhǔn)達(dá)到了國際先進(jìn)水平，但無奈臺積電拒絕代工，國內(nèi)廠家也缺少制造芯片的高端光刻機(jī)，導(dǎo)致進(jìn)入無芯可用的尷尬境地。在5G 通信技術(shù)中，華為掌握了大部分的5G 專利，但重要的射頻芯片卻受制于人，導(dǎo)致自己的手機(jī)不能使用5G網(wǎng)絡(luò)。

對應(yīng)的思政元素：奮斗精神、愛國精神、責(zé)任感和使命感。通過“中興事件”和華為麒麟芯片斷供事件，教導(dǎo)學(xué)生要立足國情，刻苦學(xué)習(xí)專業(yè)知識，做到艱苦奮斗、自力更生、自主創(chuàng)新、勇挑重?fù)?dān)，為實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國夢而奮斗；引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注國家科技發(fā)展新動向，理解半導(dǎo)體芯片新技術(shù)對我國發(fā)展的重要戰(zhàn)略意義，增強(qiáng)學(xué)生對我國科技發(fā)展和民族復(fù)興的使命感和責(zé)任感，激發(fā)他們的家國情懷和愛國主義精神。

3)教學(xué)內(nèi)容：嵌入式操作系統(tǒng)

知識要點：常見的嵌入式操作系統(tǒng)包括嵌入式Linux、Windows CE、Android、VxWorks、μC/OS-Ⅱ等。一直以為，我國在桌面操作系統(tǒng)和嵌入式操作系統(tǒng)方面落后于世界先進(jìn)水平。落后就會被挨打，2019年谷歌公司禁止華為手機(jī)使用Google服務(wù)，導(dǎo)致華為手機(jī)不能使用Android 系統(tǒng)，慶幸的是華為公司對此早有先見之明，推出了前期自行研發(fā)的鴻蒙系統(tǒng)，完美替換了Android系統(tǒng)，打破了谷歌的封鎖。

對應(yīng)的思政元素：知識產(chǎn)權(quán)，民族情懷。引導(dǎo)學(xué)生理解自主知識產(chǎn)權(quán)的重要性，并尊重知識產(chǎn)權(quán)，不侵犯他人的創(chuàng)造成果；同時，引導(dǎo)學(xué)生支持民族企業(yè)，發(fā)展民族產(chǎn)業(yè)，使我們國家擺脫外國的技術(shù)封鎖,真正地實現(xiàn)自主創(chuàng)新、自由發(fā)展，助力實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興。

4)教學(xué)內(nèi)容：嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域與發(fā)展趨勢

知識要點：嵌入式系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、軍事電子、智慧交通、信息家電、智能家居、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人、移動支付和智能測控等眾多方面，正在向微型化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化與穿戴式方向發(fā)展。

對應(yīng)的思政元素：愛國情感、民族自豪感。引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注國家十多年來在計算機(jī)技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域所取得的巨大成就，以及這些成就如何改變了人們的生活方式和消費(fèi)方式，從而增強(qiáng)學(xué)生的愛國情感和民族自豪感。

5)教學(xué)內(nèi)容：中斷系統(tǒng)

知識要點：中斷系統(tǒng)可以即時響應(yīng)并處理中斷或異常事件。CPU 是根據(jù)中斷優(yōu)先級的高低順序?qū)χ袛嗾埱筮M(jìn)行響應(yīng)的。中斷的優(yōu)先級相當(dāng)于事情的緊急程度和重要程度，具有高優(yōu)先級的任務(wù)可以打斷優(yōu)先級低的任務(wù)。中斷的處理過程則由預(yù)先定義的中斷服務(wù)程序進(jìn)行處理。

對應(yīng)的思政元素：工作效率、應(yīng)急能力。處理事務(wù)需要注重事情的輕重緩急，合理安排待辦事務(wù)的先后順序，凡事需要做好應(yīng)急預(yù)案（正如中斷處理程序），做到有備無患、遇事不慌，牢牢把握主動權(quán)。引導(dǎo)學(xué)生思考如何安排時間以提高學(xué)習(xí)效率和工作效率，發(fā)揮做事主觀能動性，提高事件發(fā)生的預(yù)見性，培養(yǎng)學(xué)生的對突發(fā)事件的應(yīng)急處理意識與應(yīng)對處理方法。

6)教學(xué)內(nèi)容：GPIO接口驅(qū)動LED

知識要點：GPIO為通用的輸入輸出接口，可以直接連接并驅(qū)動LED 燈。LED 燈是一種節(jié)能環(huán)保的燈具，具有亮度高、功耗低的特點，并可以通過定時器輸出PWM脈沖控制燈的亮度。

對應(yīng)的思政元素：綠色環(huán)保、社會公益、人生價值觀。通過介紹PWM 基本原理和實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)頻的方法，講解LED 燈調(diào)光控制和直流電機(jī)調(diào)速等典型案例，引入節(jié)能控制和綠色發(fā)展的理念。引導(dǎo)學(xué)生重視社會公益、節(jié)能減排，發(fā)展綠色的可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)，推廣綠色設(shè)計理念，實現(xiàn)自己的人生價值。

7)教學(xué)內(nèi)容：設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計

知識要點：設(shè)備驅(qū)動程序框架、代碼編寫規(guī)范。設(shè)備驅(qū)動程序是應(yīng)用軟件和硬件設(shè)備之間的一個軟件層，負(fù)責(zé)與硬件的通信并向用戶提供調(diào)用接口。嵌入式系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動程序需要按照一定的程序框架和規(guī)則進(jìn)行編寫代碼。

對應(yīng)的思政元素：遵紀(jì)守法。通過設(shè)計設(shè)備驅(qū)動程序，引導(dǎo)學(xué)生要遵守代碼編寫規(guī)范，并升華到遵紀(jì)守法。“不以規(guī)矩，無以成方圓。”遵守紀(jì)律、規(guī)則，社會才會安然有序。

8)實踐內(nèi)容：課內(nèi)實驗

知識要點：結(jié)合理論教學(xué)內(nèi)容開展相應(yīng)的課內(nèi)實驗，實踐出真知，通過實驗印證理論，以鞏固所學(xué)知識并提高學(xué)生動手能力、團(tuán)隊協(xié)作能力、分析實際問題和解決實際問題的能力。

對應(yīng)的思政元素：務(wù)實求真、工匠精神、團(tuán)隊意識。通過解決在實驗中出現(xiàn)的諸如硬件電路焊接存在虛焊、引腳接觸不良、代碼中變量類型定義不當(dāng)、程序邏輯錯誤、系統(tǒng)移植中配置與硬件不符等問題，培養(yǎng)學(xué)生實事求是、吃苦耐勞的作風(fēng)、以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，弘揚(yáng)工匠精神；在實施實驗項目過程中，引導(dǎo)學(xué)生相互之間建立信任，共同協(xié)作，團(tuán)結(jié)互助，為實現(xiàn)共同目標(biāo)而努力，使學(xué)生學(xué)會做人做事，并且在此過程中增強(qiáng)其團(tuán)隊意識、創(chuàng)新意識和責(zé)任意識，培養(yǎng)學(xué)生良好的團(tuán)隊協(xié)作精神和集體榮譽(yù)感。

9)實踐內(nèi)容：科技競賽等課外實踐

知識要點：在課內(nèi)實驗的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，鼓勵學(xué)生積極參與各種課外的科技競賽，并結(jié)合當(dāng)前科技熱點，設(shè)計具有創(chuàng)新性的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。通過這類項目的競賽，可以鞏固學(xué)生已學(xué)的基礎(chǔ)知識，并將其靈活應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力。

對應(yīng)的思政元素：開拓創(chuàng)新、責(zé)任使命。引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、勇于創(chuàng)新，通過自主性學(xué)習(xí)和實踐來領(lǐng)悟做人做事的基本原則和社會主義核心價值觀，以此堅定實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的決心，并承擔(dān)歷史賦予的責(zé)任和使命。

4 結(jié)論

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)這門課程不應(yīng)僅僅是技術(shù)和實踐的培養(yǎng)，更應(yīng)該注重思政教育的融入。通過思政教育的引導(dǎo)，可以使學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)知識的同時，樹立正確的世界觀、人生觀、價值觀，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任感和創(chuàng)新能力。因此，在今后的課程教學(xué)中，我們將進(jìn)一步加強(qiáng)對思政教育的重視，不斷探索和實踐，提升學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。這樣才能夠更好地發(fā)揮學(xué)生在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中的作用，為社會的發(fā)展、國家的富強(qiáng)和民族的復(fù)興做出貢獻(xiàn)。