新工科個性化人才培養模式下“嵌入式系統原理與應用”課程教學改革與實踐

摘 要：本文探討了在新工科教育背景下對“嵌入式系統原理與應用”課程進行的教學改革，旨在解決傳統教學模式無法滿足工業4.0時代對工程技術人才實踐能力和創新精神需求的問題。本文通過更新教學內容、采用混合式教學方法、實施模塊化課程設計以及創新綜合評價體系，提升了學生的實際操作能力和問題解決能力。本文引入虛擬仿真實驗和個性化學習模塊，使學生能夠更有效地將理論與實踐結合，激發了學習興趣和創新能力。教學改革的實踐成果表明，這些措施顯著提升了學生的職業技能和市場適應性，為培養能夠引領未來技術變革的新工科人才提供了有力支持。

關鍵詞：新工科；教學改革；工業4.0；個性化培養

1 概述

隨著信息技術的飛速發展，嵌入式系統作為信息技術的重要組成部分，廣泛應用于各個領域，對專業人才的需求日益增長［1］。嵌入式系統是一門交叉學科，融合了計算機科學、電子工程和軟件工程等多個領域的技術，在消費電子、工業控制、汽車電子、航空航天和醫療設備等眾多領域都有廣泛的應用，已成為現代社會中不可或缺的一部分［2］。

在新工科背景下，需要將嵌入式系統技術納入課程體系中，并通過針對性的教學改革方案來培養學生的實踐能力和解決問題的能力［3］。然而傳統的工科教育模式已難以滿足培養具有實踐能力和創新精神的嵌入式系統人才的需求。這就要求學生具備扎實的理論基礎和較強的工程實踐能力、創新能力以及較高的綜合素質［4］。因此，在新工科人才培養理念下，對“嵌入式系統原理與應用”課程進行教學改革，培養學生的實踐問題解決能力，以培養更多滿足工業4.0時代需求的新工科人才［5］。

本文以“新工科個性化人才培養模式”為指導思想，針對“嵌入式系統原理與應用”課程，從面臨的問題、改革思路和方法、改革的效果，深入探討新工科背景下嵌入式課程教學改革的必要性和可行性，并結合實際教學實踐，探索一種更有效、個性化的教學模式旨在培養出更多高素質的新工科背景下的嵌入式人才［6］。

2 課程面臨的主要問題

在新工科教育背景下，“嵌入式系統原理與應用”課程是電子工程和信息技術領域的核心學科，旨在為學生提供理論基礎和實踐能力，以應對不斷變化的科技和行業需求。然而，隨著科技的快速發展，當前的嵌入式系統教育面臨著教學內容滯后、方法單一、實踐不足且評價方式過于依賴考試的問題，導致學生難以適應行業需求、激發起學習興趣和提升綜合職業能力。

2.1 教學內容相對陳舊，難以跟上行業需求

教育內容普遍存在更新滯后的問題，難以與快速發展的行業技術同步。此外，課程中實踐環節的缺乏導致學生無法有效地將理論知識與實際應用相結合，影響了其綜合職業能力的培養。傳統的教學方法較為單一，大多只是依賴課堂講授和考試評估，未能充分調動學生的學習積極性，也未能激發學生的創新思維和問題解決能力。

2.2 教學方法相對單一，教學效果不理想

傳統的教學依賴于課堂講授和書面考試，這種方法在嵌入式系統教育中效果有限，因為它涉及大量的實操技能。學生缺少工程實踐經驗和相關知識，導致在理解一些問題時存在一定困難，僅僅依靠板書、PPT和教材相結合的方式，難以實現預期的教學目標。本課程雖為理論課，但所涉及的實際應用較多，教師需要采用更為直觀的教學方法，以便提升學生的知識理解能力。

2.3 教學內容繁雜，難以提升學生的學習興趣

“嵌入式系統原理與應用”課程通常包含大量的技術和理論知識，涵蓋從低級硬件操作到高級軟件開發的廣泛技能。面對這種信息量龐大和內容跨度大的特性，學生感到壓力很大，難以找到學習的焦點和興趣點。

2.4 成績評價方式過于單一

當前的評價系統往往側重于最終的考試成績，忽視了學習過程中的努力和進步。這種評價方式可能會導致學生對考試結果的過度關注，而忽視了深入學習和探索的重要性。

為應對當前嵌入式系統教育面臨的挑戰，本課程改革設定了明確的目標：首先，更新和強化教學內容以符合行業最新的技術需求，同時增強不同學科之間的融合。其次，課程內容將進行細化，使學生能根據個人興趣選擇具體的嵌入式項目，深化學習體驗。再次，引入混合式教學方法，加強理論知識與實際應用的結合。最后，課程考核方式也將重新設計，以確保評估方式的全面性和科學性，更好地適應新工科教育的要求。這些改革措施旨在全面提升學生的職業技能，激發創新思維，并加強其解決實際問題的能力。

3 課程改革思路和方法

本文立足于新工科個性化人才培養模式下“嵌入式系統原理與應用”課程教學改革，針對本課程四個待解決問題展開研究。本文改革主要思路、具體舉措、創新點如圖1所示。

圖1 課程主要改革思路與舉措

3.1 改進更新教學內容，加強學科融合，為學生構建更完備的知識體系

目前，許多高校的“嵌入式系統設計與應用”課程使用清華大學出版社的教材，盡管內容詳盡，但未能滿足行業快速發展的需求。因此，本文計劃根據學生需求和行業趨勢，對課程進行全面優化。課程將劃分為六個核心模塊，每個模塊的內容和知識點將進行細致拆分，確保學生不僅掌握理論知識，還能通過實踐加深理解。其中，“嵌入式系統硬件體系結構”模塊涵蓋較為抽象的電子工程和計算機科學理論，如中斷管理和總線接口設計。為幫助學生理解這些概念，本文設計了虛擬仿真實驗和案例教學，利用模擬工具展示和調試電子信號的傳播與處理。其他模塊包括“嵌入式開發環境”“嵌入式Linux操作系統”“嵌入式Linux開發”“Linux網絡應用開發”和“嵌入式設備驅動程序設計”，并結合嵌入式開發平臺進行實際操作。此外，本課程將加強與物聯網、人工智能等前沿技術的融合，進一步優化課程結構，強化與行業應用的緊密結合，激發學生的學習熱情，培養創新思維和解決實際問題的能力。

圖2 課程關鍵內容和教學方法

3.2 開展混合式教學，促進理論教學與實踐結合

在新工科背景下，傳統的“嵌入式系統原理與應用”課程教學模式，如依賴PPT和板書進行的理論授課，已無法滿足現代教學需求。這種方式通常忽視了學生的個體差異，采取單向輸出的教學方式，不僅抑制了學生的主動學習積極性，還限制了他們的創新思維。因此，教學策略需要更加靈活和多元化，采用多種教學方法來激發學生的學習興趣和參與感。例如，可以實施興趣引導、啟發式教學、師生互動和翻轉課堂等策略，讓學生在學習過程中更積極主動。此外，考慮到課程的實踐性特點，問題驅動、任務驅動和案例驅動等教學方法的引入顯得尤為重要。混合式教學思路導圖如圖3所示，這些方法能有效地促進學生的自主學習，激發他們的探索精神和創新能力。混合式教學模式不僅能加強師生互動，還能提高學生的學習動力和教學效果。

圖3 混合式教學思路導圖

3.3 分解課程內容，學生自主選擇嵌入式系統模塊或項目學習

“嵌入式系統原理與應用”課程內容繁多、知識點難懂、跨度大，這些容易導致學生難以找到學習的焦點和興趣。因此，可以將課程內容分解成多個模塊，如基礎電路設計、微控制器編程、系統集成、物聯網應用等，學生根據自己的興趣和職業目標選擇相關模塊進行深入學習，從而實現課程內容的個性化。提供跨學科課程選擇，學生能夠在學習嵌入式系統設計的同時，獲得如人工智能、數據分析、網絡安全等相關領域的知識。這種跨學科結合可以拓寬學生的知識面，增加他們在職場上的競爭力。同時，每位學生可以得到一名教師進行定期指導。導師將幫助學生制訂學習計劃，并在學習和項目實施中給予技術和職業建議。

3.4 采用綜合全面的課程考核方式

在新工科背景下，“嵌入式系統原理與應用”課程的考評制度需求日益多樣化和科學化。傳統的評價體系通常由平時作業占比三成和期末考試占比七成構成，這種模式過于強調理論知識的背誦，導致學生在考試后迅速遺忘所學內容，未能深入理解和長期掌握知識。為了應對這一挑戰，學校必須重新設計考評方式，以更好地突出學生的個性和能力。本文擬采用多元化的考核方式，結合作業、小測驗、課前預習和小組項目開發等多樣化的評估手段，全面地考查學生的學習進展和能力發展，尤其要重視嵌入式項目開發。在掌握本課程基本概念和基本理論的前提下，著重提高學生動手實現嵌入式相關項目的能力。

4 課程改革效果

“嵌入式系統原理與應用”課程改革后，更新了教學內容并引入創新的教學方法和評估機制，顯著提高了學生的操作能力和問題解決能力。通過虛擬仿真實驗，學生能夠在模擬環境中掌握復雜的硬件操作和理論概念，如中斷管理和總線接口設計。學生利用仿真軟件構建和調試電子電路，既節省資源，又能無風險地重試，加深理解。

課程的亮點之一是期末項目展示，學生設計了基于ARM處理器的溫控系統。該系統能實時監控溫度并自動調整加熱或冷卻設備，精準的響應速度獲得了企業界專家的認可，展示了學生對嵌入式系統設計的深刻理解和實際應用能力。教學方法上，翻轉課堂和興趣引導的混合式教學激發了學生的學習積極性。學生通過在線視頻學習理論知識，在課堂上進行深入討論和問題解決。這種方式使復雜的概念變得易懂和容易記憶，增強了學生的自學能力和批判性思維。個性化模塊選擇使學生根據興趣和職業目標選擇學習路徑，比如，物聯網模塊讓有興趣的學生學習如何設計和部署物聯網系統，并參與實際的數據通信項目，這為他們提供了寶貴的實踐經驗，提升了就業競爭力。

課程的多元化考核方式通過日常作業、小測驗、課前預習和團隊項目，促使學生不僅掌握理論知識，還能展示實際操作能力和創新思維能力。綜合評估方式強調過程與結果的平衡，激勵學生持續學習和成長。

改革實施后，課程內容的創新和教學方法的多樣化使學生的學習體驗更加豐富和深刻，進一步提高了他們的綜合能力和職業競爭力。

結語

通過本次課程改革，本文成功解決了過時教材、單一教學方法、繁雜內容和評價方式帶來的問題。學生的學習興趣、參與度、實際操作能力顯著提升，創新能力和團隊協作精神也得到加強，證明了改革的成功。此次改革不僅更新了教學內容和方法，教育理念也得到革新，強調培養學生的綜合能力，包括理論知識、實踐能力、問題解決能力以及團隊合作與創新精神。改革獲得積極反饋，學生的職業能力和市場適應性顯著提升。未來將繼續推進教學改革，探索更多的教育新方法，致力于培養能適應并引領變革的工程技術人才，為社會貢獻力量，推動技術與社會進步。

參考文獻：

［1］楊靜，胡秋琦，劉能鋒，等.嵌入式系統設計實驗教學改革與實踐［J］.計算機教育，2022（4）：182187.

［2］童英華.“嵌入式系統與應用”教學改革與探索［J］.物聯網技術，2022，12（8）：137138，141.

［3］羅歡，洪遠泉，蘇鏡，等.新工科背景下嵌入式系統原理課程教學改革探討［J］.物聯網技術，2024，14（9）：159162.

［4］王夢覺，梁麗麗.“嵌入式系統”實驗教學的改革與探索［J］.科技風，2023（36）：122124.

［5］吳躍飛.新工科背景下嵌入式系統課程教學改革與實踐［J］.軟件導刊，2024，23（3）：178183.

［6］吳晨睿.新工科背景下“嵌入式系統”課程教學改革研究［J］.南方農機，2021，52（14）：173174.

基金項目：廣西師范大學2024年新工科研究與實踐項目“新工科個性化人才培養模式下嵌入式系統原理與應用課程教學改革與實踐”（2024JGXG03）

作者簡介：盧寶山（1990— ），男，壯族，廣西河池人，博士研究生，講師，研究方向為面向未來6G網絡的移動邊緣計算（MEC）、深度強化學習（DRL）、可重構智能表面（RIS）、語義通信以及無線資源管理與調度。