新工科導向下嵌入式系統課程教學改革研究

摘要：“新工科”背景下，產業對工科人才的跨學科知識整合能力、創新實踐水平及綜合素養提出了更高要求，傳統工科課程的教學改革已成為必然趨勢。嵌入式系統作為電子信息、計算機等專業的核心課程，需要應對人工智能、機器人等行業快速發展帶來的跨學科需求。文章強化跨學科融合、創新創業教育、實踐教學及思政教育，構建契合技術發展趨勢與產業需求的改革體系：引入智能倉儲物流機器人路徑規劃、智能家居語音交互系統開發等前沿案例；設計基于STM32芯片的智能環境監測、基于樹莓派的物聯網門禁控制等開放式實驗；對接智能制造中的工業機器人自動化產線調試、新能源汽車電子控制系統開發等新興領域，培養跨學科思維與創新實踐能力，融入立德樹人理念，通過案例實現課程思政的育人目標。

關鍵詞：新工科；嵌入式系統；課程思政；跨學科融合；實踐教學

中圖分類號：G642" " " 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）23-0174-04

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

在新工科建設和教育信息化蓬勃發展的背景下，人工智能技術正在全方位重塑嵌入式系統的教學模式。隨著國家對人工智能產業的大力支持和戰略規劃，行業對掌握智能硬件開發能力的專業人才需求不斷增長。作為人工智能領域的核心課程，嵌入式系統教學面臨著巨大挑戰：一方面，需要緊跟智能終端、邊緣計算等新興領域的發展步伐，以滿足行業對人才的新需求；另一方面，還需要解決傳統教學中理論與實際脫節、學生創新能力培養不足等問題[1]。

當前，嵌入式技術已在智能制造、智慧醫療等領域得到廣泛應用[2]。然而，高校嵌入式系統教學多側重基礎硬件開發，而對智能算法應用等前沿內容的教學相對不足。校企合作調研結果顯示，多數企業希望嵌入式人才能夠熟練融合AI算法與硬件，但現有課程設置遠不能滿足這一需求。這種供需差距迫切需要對嵌入式系統課程進行教學改革，構建“理論—實踐—應用”三位一體的培養模式，以提升學生將知識轉化為實際應用的能力[3]。

近年來，許多學者致力于嵌入式系統課程的改革研究。如喻劍等[4]構建獨立實驗課程體系，設計多層次實驗內容并打造模塊化教具平臺，改革嵌入式系統實驗教學，提升了學生實踐能力與學習興趣；王麗等[5]構建虛擬現實與嵌入式系統融合的實驗體系，設計分層實驗內容并引入前沿技術，改革虛擬現實開發技術實驗教學，增強了學生創新實踐能力，并在畢業設計中得到驗證。這些改革雖然取得了一定成效，但在緊密結合現代工業發展實際方面仍有不足，同時在思政教育內容的融入方面還有待加強。

本文以蘇州大學未來科學與工程學院新工科建設實踐為背景，以多學科交叉創新為載體，分析了傳統工科課程的教學現狀，聚焦于智能感知技術驅動的人工智能嵌入式系統課程改革。改革圍繞教學目標、內容與手段三大核心，重構教學模式和考核評價體系，引入前沿行業工程案例作為實踐項目，強化核心技能培養，推動理論與實踐深度融合。在實踐中融入工匠精神與科技報國理念，通過全流程實踐培養精益求精的職業素養，達成知識傳授與價值塑造的有機結合。總結出一套適用于新工科創新型人才培養的嵌入式系統課程教學體系，著重提升學生跨學科創新能力、團隊協作素養與工程實戰水平，為產業變革輸送高素質應用型人才。

1 嵌入式系統課程教學現狀及分析

在新工科建設背景下，當前嵌入式系統課程教學體系主要存在以下問題。

1.1 教學內容與產業需求銜接不足

當前課程以經典硬件架構（如ARM體系結構） 和基礎編程技能（如C語言） 為核心，旨在為學生打下堅實的技術基礎。然而，隨著物聯網、邊緣計算和工業互聯網等技術的快速發展，課程內容對多模態傳感器融合、實時操作系統優化和嵌入式AI部署等前沿技術的覆蓋仍然有限。例如，在智能汽車領域，車載嵌入式系統已普遍采用功能安全標準（ISO 26262） 和AUTOSAR架構，但課程中缺乏相關協議棧開發與功能安全驗證的教學內容；在工業互聯網場景中，邊緣計算節點的低功耗設計和實時數據壓縮算法等關鍵技術也未形成系統化教學模塊。

教學案例多集中于LED控制、串口通信等基礎驗證性實驗，缺乏從數據采集（如MEMS傳感器陣列標定） 到算法設計（如輕量化神經網絡模型部署） ，再到端側部署（如基于容器技術的邊緣計算平臺搭建） 的全流程實踐。這種狀況導致學生難以理解理論知識在工業4.0和智慧醫療等領域的實際應用。例如，不了解如何將數字信號處理算法優化后嵌入可穿戴設備的低功耗芯片，或如何在RTOS中實現工業級實時任務調度。技術儲備與產業需求的脫節，使得畢業生在面對5G工業路由器開發和智能巡檢機器人設計等崗位時，需要經歷較長的崗位適應期。未來可以通過引入行業案例庫、與企業合作開發課程等方式，逐步增強教學內容的時效性[6]。同時，應該關注行業標準和規范的更新，并將其融入課程教學中，使學生畢業后能夠更快地適應工作崗位的要求。

1.2 實踐環節系統性有待提升

現有的實驗多圍繞單一模塊（如傳感器調試、電機控制） 展開，缺乏貫穿項目全周期的系統化訓練。以無人機開發為例，傳感器標定（涉及慣性導航原理） 、飛控算法優化（需PID控制與卡爾曼濾波結合） 、硬件電路抗干擾設計（EMC/EMI測試） 和系統聯調（多傳感器數據融合驗證） 等環節常常被割裂，學生難以形成“需求分析→方案設計→迭代優化”的工程化思維。多數課程未覆蓋項目管理的核心環節，如需求規格說明書編寫、硬件原理圖評審和軟件代碼靜態分析等，導致學生在面對復雜系統時缺乏全局視角。

從工程教育的角度來看，嵌入式系統開發是一個綜合性的工程實踐過程，需要學生綜合運用電子技術、計算機技術和通信技術等多方面的知識。而當前這種碎片化的實踐教學模式，無法讓學生全面體驗項目開發的全過程，難以培養學生的系統思維和工程管理能力。建議推進項目式教學改革，通過設計跨模塊的綜合項目（如智能家居系統開發、智能交通監控系統開發等） ，引導學生在真實問題中整合知識，培養系統級開發能力。

1.3 考核體系需優化

當前的考核仍以理論考試為主，側重知識點的記憶，對系統設計（如硬件PCB合理性評估） 和創新實踐（如算法移植優化能力） 等能力的評價不足。編程題多基于孤立場景（如單個外設驅動開發） ，難以考察跨學科知識的整合（如硬件電路設計與軟件中斷響應的協同優化） 與團隊協作能力（如多人分工開發嵌入式Linux驅動） 。過程性評價的缺失導致學生在算法調試（可能持續數周） 和硬件優化（需多次PCB打樣） 等長期實踐中缺乏有效反饋。例如，某學生在開發CAN總線通信模塊時遇到幀丟失問題，而傳統考核方式無法記錄其在故障排查過程中積累的工程經驗。

這種考核方式與新工科所強調的創新能力、實踐能力和綜合素養培養的目標不相適應。在嵌入式系統開發中，團隊協作、問題解決和創新能力至關重要。可以探索增加項目答辯和代碼復審等環節，將考核貫穿于學習的全過程，并提高實踐能力在總評成績中的權重，從而更全面地評估學生的綜合能力。例如，可以采用多元化考核方式，包括小組項目考核、個人技能測試和課堂表現評價等，從多個維度對學生進行評價。同時，還應建立科學的評價標準，明確各考核環節的評分細則，以確保考核結果的客觀性和公正性。

1.4 思政教育融合需深化

當前課程思政建設存在三個維度的提升空間：從國家戰略層面來看，目前仍處于落實構建工科課程思政育人體系要求的過程中，新工科人才培養的價值塑造頂層設計仍需進一步強化系統性和連貫性；從產業發展需求來看，嵌入式系統技術應用的倫理風險（如智能設備的數據跨境流動、工業控制中的算法決策公平性） 與課程內容的融合深度尚需加強，“技術—倫理—價值”的邏輯鏈條需要更緊密地銜接；從學生成長規律來看，當前的思政教育以分散案例為主，可以進一步挖掘嵌入式開發特性（如硬件調試反復性培養韌性、系統聯調復雜性強化協作） 的育人潛能，以促進職業素養與專業能力的有機融合。

在新工科背景下，培養兼具家國情懷、社會責任感和職業道德的工程人才成為教育核心目標。作為多領域深度應用的關鍵技術，嵌入式系統開發常面臨數據安全和隱私保護等倫理挑戰[7]。對此，建議將工匠精神和科技報國理念融入項目開發的全流程：在硬件調試中錘煉嚴謹作風，于方案設計階段融入倫理思辨，實現潤物無聲的價值塑造和知識傳授。同時，依托智能設備數據泄露和工業控制系統安全等真實案例，引導學生剖析嵌入式系統開發中的倫理困境，推動其職業素養與社會責任意識協同發展，為行業培育德才兼備的復合型人才。

2 嵌入式系統課程的教學模式改革

針對當前嵌入式系統課程在教學內容、實踐環節、考核體系和課程思政等方面存在的問題，結合新工科對工程實踐能力與價值觀塑造的雙重要求，以及智能制造、物聯網等產業技術的發展趨勢，本文提出以“產業需求導向、實踐創新融合”為核心的教學改革方案，具體改革路徑如下。

2.1 推動跨學科交融，培育嵌入式多元思維人才

在嵌入式系統課程教學中，需要打破單一技術領域的局限，深度融合人工智能、通信技術和數據科學等學科，以培養學生系統性地解決復雜工程問題的能力。通過“硬件—算法—系統”的多維度融合，引導學生從電子工程、計算機科學和網絡技術等多學科視角協同創新。

從學科發展的角度來看，嵌入式系統本身已是多學科交叉融合的典型產物。例如，在智能駕駛領域，嵌入式系統須融合傳感器技術、計算機視覺、機器學習與通信技術等多個學科的知識。在教學過程中，可以以智能醫療監測設備開發為例，學生不僅需運用電子工程知識搭建傳感器采集電路，還需結合計算機科學知識開發數據處理算法，實現人體生理數據的實時監測與分析。同時，還應引入通信技術，實現數據的遠程傳輸和共享。通過這類跨學科案例，引導學生多角度思考，提升跨領域創新和解決復雜問題的能力。除此以外，可開設跨學科的選修課程，鼓勵學生自由選修拓展相關知識，從而形成復合型的能力結構。

2.2 嵌入雙創元素，激活嵌入式創新活力

將創新創業教育嵌入課程體系，是激發學生創新意識和實踐能力的重要路徑。可通過引入企業實際創新創業項目案例，如智能家居創業公司如何借助嵌入式技術實現從產品概念到市場應用的全過程，幫助學生了解行業創新趨勢與創業實踐經驗。

此外，積極組織學生參與創新創業類競賽（如全國大學生嵌入式系統創新創業大賽） 、鼓勵自主提出創新想法并落地為實際項目，能有效培養學生將工程知識轉化為創新成果的能力。在項目孵化、產品設計、系統開發等環節，學生需綜合運用嵌入式系統理論與技能，協同完成產品開發與優化，過程中的團隊協作、市場分析和技術迭代都將切實提升其實踐創新素養。

同時，邀請企業專家、創業校友分享實戰經驗和行業見解，為學生提供創新創業指導。建立創新創業孵化基地，整合校企資源和技術平臺，搭建校企協同創新實踐空間，讓學生能在真實場景中體驗研發、市場對接與產品迭代，強化項目管理和技術轉化能力，全面提升學生的創新創業競爭力，助力創新型人才的培養。

2.3 夯實實踐教學，賦能應用能力躍升

目前，嵌入式系統課程實踐環節存在系統性不足的問題，因此需要強化實踐教學，提升學生的實際應用能力。可以增加綜合性實踐項目，例如設計一個智能農業灌溉系統，要求學生完成從傳感器選型與數據采集、控制算法設計，到嵌入式系統開發與遠程監控平臺搭建的全流程實踐。

利用現代技術手段，如虛擬仿真平臺，可以讓學生在虛擬環境中進行系統設計與調試，降低實驗成本，提高實驗效率。同時，加強與企業的合作，建立實習基地，使學生有機會參與企業實際項目的開發，了解行業實際需求和技術標準，提升其解決實際問題的能力。

在實踐教學過程中，引入工程教育認證標準，構建實踐教學質量監控體系，通過實時跟蹤和動態評估，及時優化教學環節。同時，鼓勵教師深度參與企業項目研發，將真實工程案例轉化為教學資源，推動教學內容與企業需求精準對接，切實提升實踐教學實效。

2.4 筑牢思政陣地，強化立德樹人成果

在嵌入式系統課程教學中，應深化思政教育的融合，實現知識傳授與價值引領的有機統一。在課程框架設計上，可建立“知識傳授—能力培養—價值塑造”三維耦合體系：在硬件設計環節嵌入“中國創造”案例庫，例如，通過兆易創新GD32芯片的技術演進解析國產芯片的自主創新路徑；在算法開發階段聚焦“科技自立自強”，以寒武紀MLU芯片突破“卡脖子”技術為例詮釋工程師的擔當；在系統集成環節設置“社會責任評估”必修模塊，要求學生在智能設備開發中分析數字鴻溝等社會影響，并提出解決方案，實現技術能力與責任意識的同步培養。

在教學實施層面，可以創新“隱性思政元素浸潤式”育人模式，針對嵌入式系統開發的典型環節設計具象化的思政載體：在硬件調試階段，以“長征五號火箭控制系統萬次測試”案例提煉“毫米級精度”的工匠精神，建立硬件設計誤差≤0.01 mm等可量化職業標準；在方案迭代階段引入“港珠澳大橋監測系統”127次優化歷程，培養“持續改進”的工程思維；在跨團隊協作環節模擬“北斗終端研發”場景，通過技術文檔共享規范、知識產權保護協議等制度約束，培育科技法治意識與協同創新精神。

在支撐體系建設方面，可以構建“理論認知—案例研討—實踐驗證”的科技倫理教育閉環，配套“雙循環”的思政資源供給模式。一方面，系統講解算法公平性、數據隱私保護等核心概念，并通過華為鴻蒙開源生態（正面案例） 與智能攝像頭數據泄露（反面案例） 等案例開展辯論式教學；另一方面，將倫理合規性評審納入課程設計驗收標準，審查數據采集授權、算法偏見風險等關鍵指標。同時，可以引入國產芯片自主創新案例，以激發民族自豪感與創新使命感，深化立德樹人成效。

3 結論

在新工科建設的大背景下，本次嵌入式系統課程教學改革的核心創新點在于：以產業需求為導向，融入多學科融合案例（如智能制造、物聯網領域的跨學科項目） ，強化綜合性實踐教學，同時緊跟前沿技術領域；更將思政教育與專業課程深度融合，通過硬件調試、方案設計等環節滲透工匠精神與科技報國理念，借助國產芯片案例激發民族自豪感，形成“專業能力培養+價值觀塑造”的雙軌教學模式。

課堂實踐和教學反饋顯示，學生課程滿意度超過98.5%，課堂參與度和實踐積極性大幅提高，嵌入式競賽的獲獎數量也顯著增加。案例教學加深了學生對課程價值的理解，創新創業教育激發了學生的創新熱情，推動學生積極參與科研和創新創業項目。思政教育則塑造了學生正確的價值觀與職業觀，培養出適應新工科需求、兼具家國情懷的人才，為產業創新發展提供助力。

未來，將持續跟蹤產業技術趨勢（如AI邊緣計算、RISC-V架構等） ，動態更新課程案例庫；探索“校企雙元”教學機制，引入企業真實項目，強化實踐深度；同時，挖掘更多國產技術創新案例，深化科技自立自強的使命教育，進一步優化教學方案，為國家培養更多兼具技術能力與家國情懷的嵌入式系統工程人才，助力產業創新發展。

參考文獻：

[1] 石雪飛，李珂.傳統工科課程在新工科建設要求下的改革[J].教育教學論壇，2020（3）：80-82.

[2] 尹洪環，計宏偉，王東愛.《嵌入式系統及其應用》課程教學改革探討與實踐[J].包裝工程，2021，42（S1）：215-217.

[3] 羅珍珍.應用型人才培養目標下的嵌入式微處理器結構與應用課程的教改研究[J].電腦知識與技術，2022，18（5）：164-165，175.

[4] 喻劍.嵌入式系統實驗教學方法改革研究[J].電子元器件與信息技術，2021，5（3）：255-256.

[5] 王麗，陳亞東.結合“嵌入式系統” 和“虛擬現實技術” 創新實踐教學探索與研究[J].電腦知識與技術，2022，18（12）：151-152，162.

[6] 李佳，胡輝，李萬軍，等.基于創新創業教育的本科嵌入式課程教學改革研究[J].北華航天工業學院學報，2023，33（4）：36-38.

[7] 劉超娜，全釗鋒.高等職業教育《電子技術》課程思政建設探索[J].電子元器件與信息技術，2021，5（12）：109-110.

【通聯編輯：唐一東】