“嵌入式系統”實驗教學的改革與探索

王夢覺 梁麗麗

摘要：伴隨著國家經濟和社會的發展，企業對工程人才的要求也發生了變化，企業更加注重學生的解決復雜工程問題能力、創新能力和跨學科交叉融合能力等。高校要培養出滿足時代要求的工程人才，就必須進一步加強工程教育改革。本文深入地分析了“嵌入式系統”傳統教學中存在的不足，積極探索實驗教學的改革路徑，提出教師應該從實施單元整體教學設計、以崗位需求為導向設計實驗內容、更新實驗教學手段、采用“翻轉課堂+問題驅動+案例實踐”的線上線下混合式教學模式、健全實踐教學評價方式等方面入手，落實實驗教學改革，以提升學生的工程實踐能力、團隊合作能力、創新能力和綜合素質。本文提出了“嵌入式系統”實驗教學過程的改革和優化方法，以期為其他新工科專業實驗教學改革提供參考。

關鍵詞：新工科；嵌入式系統；工程實踐能力；實驗教學；改革

新時代對工程人才的要求推動了新一輪的工程教育改革。在數字經濟時代，產業要求工程技術人員需要具備較強的工程實踐能力、創新能力以及較高的綜合素質［1］。高校應該順應時代發展要求，注重提升學生的工程實踐能力、創新能力和綜合素質，培養出更多應用型和創新型人才。

筆者結合“嵌入式系統”三個學期的教學實踐，對傳統教學現狀展開調研和分析，探索實驗教學過程改革的路徑。采用優化教學體系、設計實驗教學內容、更新實踐教學手段、改革實踐教學模式、健全實踐教學評價方式等舉措，將新工科教學理念融入實驗教學中，實現了教學目標，夯實了學生的嵌入式設計和開發的應用能力和實踐技能，達到了該課程承擔的畢業能力要求，提高了教學質量。

1傳統教學中存在的問題

1.1教學的“碎片化”

在傳統的“嵌入式系統”課程的教學中，大多數教師都是根據教材原有的章節順序進行教學，專注于每一節課的教學設計，忽視了教學的整體性，沒有對教材內容進行整合，沒有實施單元整體教學設計。分散的知識點不利于學生建立起這門課的知識體系，阻礙了他們有針對性地進行相關的訓練，也限制了學生對這門課程的知識進行系統的運用，導致學生缺乏解決新問題的能力。

1.2實驗教學內容與職業技能要求脫節

目前，我國高校正朝著“雙師型”師資的方向發展，但是大部分高校中缺乏既有教學經驗又有實際應用技能的“雙師型”教師。教師普遍缺乏企業實踐經歷，不了解行業的現狀和發展趨勢，不能夠根據崗位技能要求對實驗內容進行精心設計，無法將企業真實項目引入實驗課堂，過度依靠課本中的實驗教學資源。然而，“嵌入式系統”課程的實驗教學資源常常缺少真實的工作場景，與企業實際有一定距離。實驗教學內容與實際工作要求脫節，導致大學生在畢業后進入工作崗位時，往往會發現自己所學到的知識和實踐操作存在一定差距，不能很好地適應工作崗位的要求。

1.3學生缺乏實踐訓練

在傳統的“嵌入式系統”課堂教學中，大部分教師以知識講授為主，而忽視了對學生動手能力的訓練。在課時安排上，強調理論課時的重要性，壓縮實驗課時。在實踐教學設計上，教師對實驗內容的設計不夠重視，對實踐教學模式缺乏探索與實踐，這就導致了學生的實踐能力沒有得到鍛煉。在校學習期間，學生沒有機會接觸到嵌入式軟件開發領域常用的設備，不能掌握嵌入式系統的開發過程和方法。在畢業后，學生不具備進行嵌入式軟件開發的能力。

1.4實驗室建設投入不足

一些學校不重視實驗室的建設，實驗教學儀器設備不能夠支撐本專業的實驗教學和綜合實訓的任務，實驗教學依賴于教師的自覺和自發的行為。“嵌入式系統”課程要求學生完成基于STM32F1系列或STM32F4系列的接口編程實驗項目。學生在做實驗時，需要使用計算機進行嵌入式系統的開發與編譯，需要將程序下載到實驗儀器上，以便對程序進行調試和驗證。由于缺少實驗儀器，學生無法驗證自己開發出來的程序是否能實現功能要求，這就導致了學生學習興趣不高，不利于學生實踐能力、創新能力的培養。

1.5教學評價體系不夠健全

由于受到傳統的教學觀念的影響，有些學校重視結果而輕視教學過程，導致“嵌入式系統”課程的評價體系較為簡單，主要采用結課評價這種教學評價方式，即只在學期末進行“嵌入式系統”成績的評定。這種評價方式并沒有將實驗教學的過程和效果完全反映出來，不利于鼓勵學生積極參與到實踐練習當中。

2實驗教學改革探索

2.1優化教學體系

筆者根據本科高年級學生的認知規律和思維發展的階段性特征，結合該課程承擔的畢業能力要求，對教材內容進行了整合，設計了教學單元。

第一章幫助學生對嵌入式系統有初步的了解，第二章使學生對嵌入式系統的基本結構有深入的認知，第三章讓學生熟悉嵌入式系統開發方法和程序調試方法，第四章使學生對STM32常用接口的工作原理和使用有一個較全面的認識，第五章強化訓練學生的嵌入式開發能力。

2.2設計實驗教學內容

筆者把企業項目場景引入“嵌入式系統”實驗教學中，精心設計實踐訓練項目，構建多層次的實驗教學體系。針對課程特點和學生特點，設置了基礎實驗和綜合實驗。其中，基礎實驗注重的是構建項目場景，通過案例引導學生將理論知識應用于實際生活，使學生掌握嵌入式接口開發技術，使學生具備嵌入式接口的使用和相關開發能力［2］；綜合實驗則是采用小組合作學習的方式，要求學生站在整體的角度上，將所學的“嵌入式系統”課程的知識融會貫通，探索問題的解決方法，完成實踐訓練項目。

如下圖所示，學生在完成“采集光強傳感器數據”練習時，需要綜合運用本課程之前學到的LED驅動開發、按鍵驅動開發、定時器驅動開發、UART驅動開發、IIC驅動開發等知識，同時，也需要使用《傳感器與檢測技術》中的光敏傳感器相關基礎知識，才能夠完成綜合實驗。通過精心設計綜合實驗練習，引導學生整合各學科之間的知識，鍛煉了學生跨學科交叉融合能力［3］。

“嵌入式系統”綜合實驗練習項目圖

2.3更新實踐教學手段

實驗教學是“嵌入式系統”課程教學的重要組成部分。高校要重視專業知識的傳授，更要重視學生實踐能力和創新能力的培養。筆者從硬件資源、軟件資源、平臺資源、加強開放實驗室建設等方面入手，對實驗教學手段進行更新。

在硬件方面，充分利用學校現有的實驗室資源，在實驗室完成“嵌入式系統”課程的實驗教學，并組織學生使用開發板獨立完成實踐訓練項目。這樣使學生在參與中感受到學習的樂趣，幫助學生掌握理論知識，也鍛煉了學生的實踐能力。在軟件方面，使用IAREmbeddedWorkbenchforARM軟件平臺，為學生提供了嵌入式系統集成開發環境。在平臺資源方面，開發了教學案例庫。“嵌入式系統”實驗教學中經常會出現STM32F1系列和STM32F4系列處理器這兩種不同的實驗環境。教學案例需要具有代表性，要基于行業主流的嵌入式處理器和主流的“嵌入式系統”實驗環境設計教學案例。此外，還需要加強開放實驗室的建設，為學生提供完成“嵌入式系統”課程的實驗練習、準備畢業論文（設計）、準備學科競賽等的場所。

2.4改革實踐教學模式

在新工科建設的大背景下，為了提高學生們的工程實踐能力和創新能力，必須對“嵌入式系統”實驗教學模式進行改革。在完成“嵌入式系統”各教學單元的知識講解和基礎實驗練習之后，教師會安排一系列的綜合實驗練習作為課程設計環節的內容，以鍛煉學生的工程實踐能力和創新能力。課程設計的教學模式以OBE教育思想為基礎，采用線上與線下相結合的方式進行教學。在混合式教學中，學生的學習由課前、課中和課后三部分組成。

課前：線上自學。教師精心設計項目案例內容，發布綜合實驗練習和考核評價標準。學生充分利用網絡教學資源進行預習。

課中：線下分組討論和合作。教師還原真實的項目場景，組織學生以學習小組的方式參與到課堂活動中，引導學生得出正確的認知。學生在課堂上與其他同學協作，完成綜合實驗練習，并展示研究成果。在小組研究成果展示以后，就進入了評價環節。在這個過程中，學生討論并評價其他小組的表現，教師對學生的學習情況進行全面評價，并進行課堂總結。

課后：教師線下指導，學生持續改進研究成果。

這種教學模式可以讓學生對前面課堂所學的知識進行進一步的鞏固，可以引導學生進行自主學習，從而激發學生的主觀能動性，促進學生綜合素質的提升［4］。

2.5健全實踐教學評價方式

科學的教學評價方式可以將實踐教學與素質教育相結合，提高學生創新能力和綜合能力。“嵌入式系統”作為一門實踐性較強的課程，應實施多元化的教學評價方式，建立起較健全的實踐教學評價體系，從而更好地評價學生的動手能力及綜合素質。在實踐教學過程中，可以采用過程考核和結果考核相結合的評價方式［5］。過程考核具體包括了基礎實驗、課堂表現（含出勤情況）、綜合實驗、課程論文等方面的內容。結果考核采用實踐考試的形式，重點考查學生的嵌入式軟件設計與開發能力、團隊合作能力、創新能力等綜合素質。過程考核=基礎實驗（12.5%）+課堂表現（12.5%）+綜合實驗（50%）+課程論文（25%）。學生的最終成績=結果考核（60%）+過程考核（40%）。

其中，無論是綜合實驗，還是期末考試，都是以分小組合作的方式進行。學生可通過查閱資料、探索解決問題等方式，將理論知識應用于實踐項目中。小組成員除了需要共同完成課程設計、提交源程序文件、提交編譯后的可執行程序、提交小組成員分工以及課程設計報告以外，還需要進行現場答辯。這樣的考核形式，一是考查了學生的實踐能力、交流能力和團隊協作能力；二是考查了學生對嵌入式系統知識的理解和掌握程度；三是考查了學生對嵌入式系統的開發過程和方法的掌握情況。

3教學成效

筆者圍繞著如何解決“嵌入式系統”傳統教學中存在的不足，在這門課上開展了三個學期的實驗教學改革與實踐，取得了以下成效：第一，與教學改革之前相比，學生的學習表現有了很大的改善，考試成績有了明顯提高。“嵌入式系統”課程在實行實驗教學改革后，無不及格學生，優秀率達45%。第二，學生的工程實踐能力得到了鍛煉。去年筆者所帶的19物聯網工程班的學生，在實習過程中都能迅速地適應與嵌入式開發相關的工作，對口就業率比例達到90%以上。第三，改變了教師的傳統教學方式。在教學過程中，做到了過程與結果并重，更加注重學生實踐能力和創新能力的培養。教學方式的改變也得到了學生的認可。第四，提高了教師的業務水平。在實驗教學改革與實踐過程中，教師按照實驗教學改革思路查資料、修改教學方案，提高了自身的專業水平。

參考文獻：

［1］潘曉銘，陳益豐，潘敏輝.基于創新人才培養的高校機械類實驗教學改革［J］.中阿科技論壇（中英文），2021（06）：146148.

［2］孫占華.基于Linux操作系統教學設計的應用分析［J］.計算機光盤軟件與應用，2011（1）：9.

［3］林健.新工科專業課程體系改革和課程建設［J］.高等工程教育研究，2020（1）：124.

［4］王永芹.大學英語“線上+線下”混合式教學模式探究［J］.湖北開放職業學院學報，2021，34（05）：164165.

［5］陳智榕，李杰賡.模擬法庭在高校民商法實踐教學中的運用探討［J］.湖北開放職業學院學報，2021，34（08）：154155.

基金項目：2023年度河北外國語學院教學改革研究與實踐項目“《嵌入式系統》實驗教學的改革與探索”（項目編號：HWJG2023013）

作者簡介：王夢覺（1990—），女，漢族，河北石家莊人，碩士，講師，中級工程師，計算機學院物聯網教研室主任，研究方向：嵌入式系統；梁麗麗（1978—），女，漢族，河北石家莊人，講師，研究方向：軟件工程。