基于研究性学习的高职嵌入式专业实践教学探索

刘文芝 刘昭斌 过 怡 田立炎

(苏州市职业大学 江苏苏州 215104)

0 引言

随着物联网、云计算俨然已成为信息产业的主旋律之时，《苏州市国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》指出，新一代信息技术(智能电网、物联网、新型显示)是苏州市战略性新兴产业优势产业的重要门类，并推进“智慧苏州”创建工程等［1］。嵌入式技术正是构建“智慧城市”，以及这些产业应用技术中最为核心、最为关键的部分。嵌入式产品也以非常迅猛的速度不断渗透到各个行业、各个领域，广阔的应用领域必然带来巨大的人才需求。而市场环境竞争的日趋激烈，使得企业需要更多的既掌握嵌入式方面的基本技术，又具有较强的实践能力和创新能力的高级技术应用型人才。因此要培养出与区域经济需求相适合的高技能嵌入式人才，必须改革现有的教学方法和模式，将研究性学习融入高职嵌入式专业的教学中。探讨嵌入式技术专业创新人才培养的模式显得尤为必要。

1 高职嵌入式专业实践教学平台

嵌入式系统专业涉及电子、计算机、自动控制等多方面的专业知识，专业课程内容丰富，在有限的大学三年的学习中很难面面俱到，与本科学生相比，高职生重在技能而非理论，更多是加强实践教学。实践教学是培养学生实践能力，培养创新人才的重要教学环节，通过学习基础的理论知识建立起相关概念，通过实训和课程设计更多地去动手操作，才能培养出具有创新精神的高素质应用型人才。因此，经过多年的专业建设，高职院校在嵌入式技术高技能人才培养模式中，本着知识够用，强化专业技能的原则，构建并实施了“基于案例和项目的三维课程模式(3DCC)”课程体系［2］，搭建了以突出学生职业能力与素质培养的专业实践教学体系。本嵌入式专业实践体系主要通过四个层次来实现(如图1)。

图1 嵌入式技术专业实践教学体系

1)基础层实验。重点是学习和验证嵌入式系统相关技术的基本原理，掌握嵌入式实验的基本技能，为后续课程实验打好基础。

2)综合层实验。包括“单片机原理及应用”、“嵌入式系统设计”等应用性和综合性较强的嵌入式系统相关课程的课程实验，强化学生的动手实践能力、综合应用能力，以及初步分析问题和解决问题能力。

3)创新层实验。该部分结合一些实际工程、国家大学生创新性实验计划、大学生嵌入式竞赛和教师科研项目。这些实验或项目主要由学生自发组成的项目小组利用业余时间完成实验。要求学生自拟设计方案，进行可行性审查，提交报告和相关程序。发挥学生的主观能动性，培养学生独立分析问题、解决问题能力和创新能力。

4)拓展层实验。嵌入式系统是软硬结合的产品，存在于各个领域，这就决定了它的多学科交叉特性。该部分实验拓展学生的专业能力，使其具备一定的行业领域知识以及对不同的行业系统整合的能力，以缩短开发周期和降低成本。

但是，受传统教学体系、实验设备和师资力量的影响，高职院校的嵌入式系统专业实践教学存在许多问题，如:教学理念滞后、实践内容脱离实际应用、实践案例缺乏创新等等，导致学生对专业实验课兴趣不大、动手能力差。因此，必须探索建立合理有效的嵌入式系统实践教学体系，整合实践教学内容，引入研究性学习，提高学生对嵌入式系统的学习兴趣。

2 基于能力的嵌入式技术专业实践教学设计

嵌入式技术涉及的领域非常广泛，须通过大量的实验和实践环节来提升学生嵌入式系统的专业知识和实际设计能力，学习时只有强化实践、紧密结合产品开发过程所需掌握的技术，才能培养出具有创新精神的高素质应用型人才。因此，需要结合应用改革实验内容、实施发展性评价、建立多层次实践技能培养机制，构建“四个层次、阶梯型、循序渐进”的专业能力培养实践教学体系，如图1所示。

实验体系整体考虑、统一规划、自下而上，按照四个层次循序渐进，既能保障学生做好基础实验，打下坚实的知识基础，又能保障学生得到充分的综合应用能力训练，提高学生动手实践能力。在实践教学过程中，遵循“学生主体，教师主导”的双主教学模式，将企业案例、竞赛项目和教师科研融入到教学中，充分发挥学生学习的自主性、合作性、探索性和研究性，建立在课堂内以“课程实验——课程设计——专业综合实训——毕业设计”为主线，课堂外以“开放实验室学习——研究性课程自主学习——技能鉴定认证——专业竞赛”为辅助的多层次全方位实践技能培养机制［3］。采用以人为本、个性化的培养方案，让班级中10%～15%能力较强的优秀学生参与创新层和拓展层实验，进行能力的提升。强化项目开发、文档撰写、语言表达、团队协作等能力，为企业提供优秀工程人才。

3 嵌入式技术专业实践教学的研究性学习

3.1 研究性学习的内涵

研究性学习也称探究式学习，是注重过程的学习方式，让学生在学习过程中自主地发现问题并解决问题，避免传统的接收式学习的枯燥乏味。研究性学习是在教师指导下，学生结合所学专业知识及兴趣爱好，选择和确定研究专题，是在研究过程中主动获取知识、应用知识和解决问题的学习活动［4］。

研究性学习特别注重学习过程，强调让学生在研究过程中获得体验，提高学生的自主学习意识。嵌入式技术的应用性和综合性与研究性学习中实践性相契合。因此，可将研究性学习贯穿到基础层、综合层、创新层和拓展层等“四个层次、阶梯型”整个嵌入式技术专业能力培养的实践教学中。学生只有在应用和实践过程中才能正确地理解嵌入式技术的概念、技术与应用，从而掌握设计和应用的方法，提高嵌入式技术学习的兴趣和效果。当然，应该针对不同层次的实验，引入不同的案例，开展不同的研究性学习，下面是以创新层中的机器人竞赛项目为例。

3.2 基于研究性学习的机器人创新实践

智能机器人作为一门综合技术，涉及计算机传感器、自动控制、电子技术以及人工智能等多个专业。通过基于研究性的智能吸尘竞赛机器人的简单设计和实践，使学生掌握对智能机器人的实际操作，从而加深学生自我学习能力，激发嵌入式专业学习的兴趣和创新意识。基于研究性学习的嵌入式专业机器人创新实践的内容是开放的，形式是多样的。同时，设定几个循序渐进的研究性课题贯穿在整个教学过程中，使得嵌入式课堂教学与研究性学习有机地融合在一起。研究性学习一般分为情境体验、课题提出、活动实施和展示交流四个阶段［5］:

1)情境体验。设计一个自主控制的机器人，在一套平面结构的模拟的房子里运动，尽量遍历房子的每一个角落，这个工作受到多个因素的影响，包括墙壁和模拟的家具等，它模拟了现实生活中的家用吸尘机器人清理房间的过程，比赛的成绩将根据电子记分器(一个固定在赛场上空的一个摄像机)计算得到的机器人遍历率给定。

2)课题提出。学生在教师的指导下，通过查阅资料、小组交流，确定自己感兴趣的课题，收集并处理与研究课题相关的信息。一个理想化的除尘机器人系统通常由四个部分组成:移动机构、感知系统、控制系统和除尘系统。因此，将课题分为硬件设计和软件设计两个方向课题，再根据课题的特点，每个课题可以分解为若干子研究性课题:①机器人硬件分析与设计部分可分:微处理器、传感器模块、执行模块、硬件升级。②机器人控制软件设计部分可分:模块初始化、执行过程控制设计、控制算法设计、机器人路径规划问题、转弯策略分析。

3)活动实施。根据研究主题及任务，学生进行自主研究和小组合作。其中，小组3～5人，由学生自愿分组或由教师指定异质分组。课题的实施可以在课堂中探讨、实验室内做实验、也可以上网检索资料，应当充分发挥学生的主动性，提倡学以致用的精神，培养多方面的能力。如“机器人执行控制程序”子课题的活动可以实施以下步骤［6］:①基本动作设计:完成机器人的前、后、左、右运行。②晋级动作设计:设计让机器人走正方形、三角形等各种轨迹，甚至在转弯时转弯策略。锻炼学生熟练运用程序的能力和逻辑思维能力。③基本控制设计:在这个任务中，根据红外传感器、碰撞传感器和灰度传感器完成主控制程序，实现家用吸尘机器人对房间的清理。④控制算法设计:采用智能清洁机器人的路径规划策略、转弯策略，以及提高机器人转弯的稳定性和方向的精确性的方法，对“Z”字形遍历算法则进行了优化和演绎，提高机器人对房间的清理效率。

4)展示交流。在多媒体教室，每个小组的讲解员，在10分钟内通过幻灯片讲解和投影展示本组的研究成果。汇报的内容包含课题名称、研究结论、资料来源、小组成员。通过这一途径，个体知识或小组知识将逐步演化成为人类社会的共有知识。在这个阶段，学习者还通过网络平台进行小组成果交流和评价。

在“智能吸尘竞赛机器人”研究性学习中，可以培养学生查阅资料能力、自学能力、分析问题与解决问题的能力、综合设计与调试能力、科技论文写作能力，培养学生理论联系实际的作风、团结协作精神和创新意识。将机器人竞赛作为验证学生创新能力培养的平台，对提升嵌入式专业学生的创新实践能力和增强就业竞争力发挥了积极作用，也加深了对嵌入式类课程实践教学重要性和必要性的认识，强化了学生动手能力的训练，促进了学生基本素质的培养［7］。

4 结束语

为了提高学生的创新和研究的能力，可以采用多种教学方法和实施策略。将研究性学习融入到高职嵌入式专业机器人创新实践，鼓励学生申报研究性课程和省大学生创新项目，参与自主设计实验、参与嵌入式比赛，可以改变学生以单纯地接受为主的学习方式，引导学生主动探索新知，自觉建构知识结构，积累和丰富直接经验，促进学生个性健全发展和综合素质的提高，培养创新精神、实践能力和终身学习的能力。

［1］刘文芝，贾震斌，过怡.基于工作过程的3G移动应用开发专业课程体系的构［J］.苏州市职业大学学报，2012(4):64-66.

［2］刘文芝，刘昭斌，郑洪静.基于能力本位的高职嵌入式系统专业建设［J］.职业技术教育，2010(8):8-10.

［3］徐丽华，郑洪静.高职嵌入式专业实践教学体系探索与实践［J］.科技信息，2010(30):17.

［4］刘文芝，苏敏.在“计算机维护与升级”教学中研究性学习的应用［J］.苏州市职业大学学报，2008(4):96-98.

［5］董彦，李颖.高职高专计算机专业研究性学习新探［J］.计算机教育，2010(4):100-103.

［6］孙祎英，王翠艳，尉耀元.PBL教学法在机器人实践教学中的应用探索［J］.中国电力教育，2012(2):94-95.

［7］梁志伟，朱松豪.机器人创新实验平台的改革与建设［J］.学周刊，2012(11):12.