面向機械專業的“嵌入式系統”課程教學改革研究

摘 要：“嵌入式系統”作為機電一體化專業的重要課程，在智能制造、工業自動化及機器人控制等領域具有廣泛應用。然而，當前“嵌入式系統”課程仍存在實踐環節不足、教學內容與行業需求匹配度不高、軟硬件協同能力培養薄弱等問題，難以滿足現代智能制造對復合型人才的要求。為此，本研究針對機械工程背景的學生，提出了一套“嵌入式系統”課程教學改革方案，包括課程內容優化、項目驅動教學、多層次實驗體系構建以及嵌入式與智能制造技術融合等方面的改進。通過引入STM32架構、實時控制、工業通信、AI+嵌入式等模塊化課程設計，并結合智能機械手、工業自動化控制、智能物流小車等工程案例，增強學生的系統開發能力。同時，采用翻轉課堂+線上線下混合教學模式，促進自主學習，并構建基于基礎實驗、綜合實驗、工程實訓的實踐教學體系，提升動手能力。研究結果表明，該教學改革方案能夠有效地提高學生的工程實踐能力和創新能力，為培養面向智能制造的嵌入式系統專業人才提供了重要支撐。

關鍵詞：機電一體化；嵌入式；人工智能；實踐教學；教學改革

一、概述

嵌入式系統是一種專用計算機系統，它以硬件與軟件緊密結合的方式實現特定功能，廣泛應用于工業自動化、智能制造、機器人控制等領域。其本質是將計算機技術嵌入產品或設備中，以提高系統的自動化、智能化和實時響應能力。嵌入式系統通常由處理器（如STM32）、存儲器、輸入/輸出接口和實時操作系統（RTOS）等組成，能夠在資源受限的環境下高效運行。當前，嵌入式系統在工業控制、智能機械、物聯網設備等領域發揮著關鍵作用，典型應用包括電機控制、傳感器數據處理、無線通信、工業網絡互聯等［1］。通過嵌入式開發，工業設備可以實現實時監測、遠程控制和智能化決策，從而提升生產效率、降低成本并優化生產流程，為提升工業自動化和智能化升級提供重要支持［2］。

二、“嵌入式系統”課程特點

“嵌入式系統”課程是一門集計算機技術、電子技術、控制技術于一體的交叉學科課程，廣泛應用于智能制造、工業控制、物聯網設備等領域。該課程的核心目標是培養學生掌握嵌入式系統的軟硬件協同設計方法，使其具備設計、開發、調試和優化嵌入式應用的能力，其主要特點如下。

（一）軟硬件協同設計

嵌入式系統具有較強的工程應用屬性，課程強調理論與實踐相結合。通過實驗教學，學生可以直接操作開發板、傳感器、電機驅動模塊等硬件，進行嵌入式軟件編寫和調試，從而提升學生的實踐動手能力［3］。

（二）實時性與可靠性

嵌入式系統通常運行在工業自動化、智能控制等實時性要求較高的環境中，必須保證系統在規定時間內完成任務，因此課程強調實時性控制與系統優化。例如，學生需要學習如何使用定時器中斷、任務調度機制以及低功耗設計，以提高系統的實時響應能力和可靠性。

（三）多學科交叉融合

嵌入式系統設計涉及多個相關學科，如單片機原理、電子電路設計、信號處理、計算機編程（C/C++）、嵌入式操作系統、控制理論等。該課程需要綜合運用不同學科的知識，使學生具備解決實際工程問題的能力，適應當前的發展需求。

（四）面向行業需求的應用性

隨著工業自動化、物聯網、人工智能的發展，嵌入式系統正廣泛應用于智能家居、工業控制、醫療電子、汽車電子等領域。該課程不僅教授基礎知識，還結合行業發展趨勢，引入最新的嵌入式開發技術，如邊緣計算、物聯網通信協議、人工智能嵌入式應用等，培養學生適應產業需求的能力。

（五）強調創新能力培養

課程不僅關注基礎知識和實踐技能的掌握，還鼓勵學生進行創新設計。通過嵌入式競賽（如智能車競賽、物聯網創新大賽）等方式，培養學生的自主學習能力、團隊協作能力和創新思維，為未來從事嵌入式開發等相關工作打下堅實基礎［4］。

三、機械專業“嵌入式系統”課程現狀分析

（一）機械工程需求匹配度不足

機械工程專業的學生主要學習“機械設計”“機電控制”等課程，而“嵌入式系統”教學內容側重于微控制器編程和基礎電路設計，這樣會使學生難以將嵌入式技術與機械系統結合［5］。

（二）缺乏機械控制相關實踐

當前的嵌入式系統實驗多集中在LED控制、按鍵輸入、溫濕度傳感器數據采集等基礎實驗，電機驅動、伺服控制、傳感器融合等實驗較少，使學生在機械自動化領域的應用能力受限［6］。

（三）實踐教學經驗不足

“嵌入式系統”目前的教學方式仍以理論講解和實驗指導為主，缺乏工程實踐以及系統化的項目訓練。這樣學生在實際機電控制項目中，難以構建完整的嵌入式控制系統。

（四）軟硬件協同設計能力薄弱

機械工程專業的學生通常對機械結構、動力學、傳動機構較為熟悉，但在嵌入式系統的軟硬件協同設計方面較為薄弱［7］。學生往往只學習了開發板的基礎應用，而缺乏完整的機電控制系統設計能力，導致其在工業現場難以獨立開發復雜的嵌入式機電控制系統。

（五）交叉學科融合度低

隨著工業4.0和智能制造的推進，嵌入式系統正逐步向聯網化、智能化等方向發展。然而，目前現有課程較少涉及工業與嵌入式系統的協同控制，導致學生缺乏跨平臺數據交互的實踐經驗［8］。

（六）評價體系單一，創新能力培養不足

當前的課程評價以筆試和實驗報告為主，缺乏基于工程項目和創新實踐的綜合評價體系，導致學生創新能力和工程思維的培養不足。

四、教學改革方案設計

（一）課程內容模塊化設計

面向機械專業的學生，“嵌入式系統”課程應以機械應用為主線，融合電子信息與自動化技術，構建面向機電一體化的課程體系。課程內容需要圍繞機械系統的控制需求進行優化與拓展，基礎部分涵蓋嵌入式系統原理、STM32微控制器架構、C語言編程基礎及常用外圍接口（如ADC、PWM、串口通信等），為學生開發嵌入式系統奠定穩固的基礎。核心部分則聚焦于實時控制技術、傳感器信號采集與處理、嵌入式操作系統（如FreeRTOS）的應用，強化學生在運動控制與狀態監測中的編程與集成能力，滿足現代機電系統的高響應、高精度控制要求。

在高級階段，課程引入CAN、Modbus等嵌入式工業通信協議，拓展學生在工業物聯網（IIoT）和遠程智能監控方面的知識深度。同時結合PLC控制系統、工業機器人、智能傳感器網絡等典型機械系統應用，設計綜合性實踐項目，推動嵌入式教學從“代碼實現”向“系統構建”轉變。通過項目驅動與案例教學相結合的方式，學生能夠掌握從硬件選型、程序開發到調試與系統集成的完整流程，提升工程實踐與問題解決能力。

此外，課程強調實踐教學與行業需求對接，借助虛實結合的實驗平臺，如工業現場數據采集系統、小型自動化產線控制系統等，使學生在真實或仿真的工程環境中進行嵌入式開發與測試。最終，通過理論教學、實驗實訓、綜合案例等環節，培養學生具備扎實的嵌入式技術基礎、良好的系統思維能力以及面向智能制造的工程創新素質，服務于機械行業復合型人才的培養目標。

（二）教學方案改革

為全面提升機電一體化專業學生的實踐能力和工程應用素養，“嵌入式系統”課程應強化項目驅動教學理念，使學生在真實工程任務中掌握系統開發的關鍵技術。課程設計以“做中學、學中做”為核心理念，構建任務導向、問題解決型教學體系。通過設置如智能小車控制、工業流水線自動化、機器人路徑規劃等典型項目，引導學生在項目實施過程中綜合應用嵌入式硬件與軟件知識，實現“知識—技能—應用”的有機融合。

在教學過程中，采用任務分解法將復雜工程項目劃分為電機控制、傳感器數據采集、無線通信、界面交互等多個子模塊，幫助學生逐步掌握嵌入式系統開發的核心能力。課程引入翻轉課堂與線上線下混合教學模式，通過開發高質量嵌入式教學視頻和在線資源庫，提供案例分析、實驗指導、程序源碼及工程文件等學習材料，提升學生的自主學習效率與資源調取能力。

此外，該課程注重團隊協作與工程思維培養。通過組織小組參與項目，模擬企業級研發流程，引導學生在需求分析、系統建模、元器件選型、代碼實現、系統集成與調試等環節中開展分工協作。例如，在“智能物流小車”項目中，學生團隊需要分工完成路徑識別、電機驅動、導航算法等模塊，并進行整體系統聯調，從而強化其工程項目管理、跨模塊協作與集成創新能力。

這種以項目為載體的教學模式，不僅提升了學生解決復雜問題的能力，還有效促進了其工程實踐素養、團隊協作精神與創新意識的發展，進一步契合智能制造行業對嵌入式系統復合型人才的培養需求。

（三）實踐教學創新

建立多層次實驗體系，提升機械專業學生的動手和工程實踐能力，“嵌入式系統”課程應構建多層次實驗體系，涵蓋基礎實驗、綜合實驗和項目實訓，培養學生的硬件開發、軟件編程、系統集成及智能控制能力。在基礎實驗階段，重點訓練學生對嵌入式系統核心技能的掌握，包括STM32最小系統搭建、GPIO控制、PWM電機驅動、I2C/SPI/UART通信等基礎接口實驗，并結合傳感器和執行機構的應用，如溫度傳感器與繼電器控制，加深學生對嵌入式系統軟硬件交互的理解。綜合實驗側重于機電系統的應用開發，如步進電機和閉環控制實驗，通過PID調節實現智能調速，提高學生對實時控制系統的掌握能力。

在項目實訓環節，圍繞智能制造和自動化控制的應用場景，設計智能產線控制系統，利用STM32與PLC協同，實現流水線的自動化控制。開發智能機械臂，結合嵌入式控制、傳感器檢測，實現多自由度機械臂的精確運動控制。此外，組織基于STM32的智能車競賽，讓學生在競賽中優化算法、提升實踐技能，并激發創新思維。

該實驗體系的構建能夠使學生在學習基礎技能到工程實踐中，掌握嵌入式系統的完整開發流程，提高其在機電一體化領域的綜合應用能力，為智能制造產業輸送高水平技術人才。

（四）導向型人才培養

為順應智能制造的發展趨勢，提高機電一體化專業學生的行業適應能力，“嵌入式系統”課程應與工業互聯網和人工智能技術深度融合，使學生掌握現代工業控制系統的前沿應用，實現智能化、網絡化的嵌入式開發。

在嵌入式+工業互聯網方向，引入MQTT、Modbus TCP/IP等通信協議，使嵌入式設備能夠與云端進行遠程交互，實現遠程監控、數據分析和智能決策。例如，可搭建一個工業物聯網平臺，讓STM32控制的傳感器節點將溫度、濕度、振動等數據上傳至云端，構建遠程監測系統，提升學生在工業數據采集、遠程設備管理等領域的能力。

在嵌入式+人工智能方向，結合AI+嵌入式的理念，使嵌入式設備具備輕量級AI計算能力，實現機器視覺、語音識別、智能決策等功能。例如，設計智能巡線小車，利用AI模型識別路徑并實現自主導航，通過AI與嵌入式的結合，提高學生在智能控制與自動駕駛方面的技能，增強課程的前沿性和創新性。

嵌入式系統與智能制造技術的融合，使學生掌握了邊緣計算、工業物聯網、智能控制等核心技術，培養了面向智能制造行業的復合型技術人才，提升了學生的就業競爭力和實踐創新能力。

結語

本研究圍繞機械專業“嵌入式系統”課程的教學現狀與存在問題，提出了一套系統化的教學改革方案，旨在提升學生的工程實踐能力、創新能力和行業適應性。通過課程模塊優化，構建基礎—核心—高級—實踐拓展的多層次知識體系，使課程內容更加契合智能制造的需求。通過項目驅動教學，學生在解決實際工程問題的過程中掌握了嵌入式系統開發的關鍵技術。通過構建多層次實驗體系，學生強化了實踐能力，能夠獨立完成機電系統的嵌入式設計與應用。學校通過嵌入式與智能制造技術融合，引入工業互聯網、人工智能、遠程監控等前沿技術，培養了具備智能控制和系統集成能力的行業導向型人才。

教學改革的實施不僅提升學生的自主學習能力和團隊協作能力，也促進了“嵌入式系統”課程與工業實際應用的深度融合。隨著智能制造技術的不斷發展，嵌入式系統教學還需進一步引入邊緣計算、工業大數據、智能優化控制等先進技術。同時，學校還需要加強校企合作、產學研結合，不斷完善課程體系，以培養更多符合現代工業需求的高素質技術人才。

參考文獻：

［1］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.

［2］蔣毅，章軍，平雪良，等.機械電子工程專業嵌入式系統教學初探［J］.科技視界，2015（19）：114.

［3］李精偉，陳磊，邵知宇.基于項目引導式的嵌入式系統課程教學改革探索［J］.造紙裝備及材料，2025，54（2）：244246.

［4］劉睿哲.基于嵌入式系統的10kV開關柜智能控制裝置的設計研究［J］.自動化應用，2024，65（4）：104106.

［5］石杰鵬.農業機械中嵌入式系統設計與應用［J］.農機使用與維修，2024（12）：3437.

［6］范江波.基于嵌入式系統的采摘機器人作業控制研究［J］.農機化研究，2025，47（6）：5357，77.

［7］姜宇凡.基于嵌入式系統的六軸關節型機械臂系統［J］.自動化與信息工程，2024，45（1）：4754，60.

［8］任磊，王長宇，黃克英.基于DSP與FPGA的工業計算機設計［J］.山西電子技術，2024（6）：4142，79.

基金項目：重慶市教委科學技術研究青年項目（KJQN 202400842）

*通信作者：蒲自強（1993— ），男，漢族，重慶人，博士研究生，講師，主要從事機械電子、智能制造課程建設與人才培養。