“电子信息+”背景下嵌入式系统教学设计与实施策略研究

王冠军，江海峰，林果园，鲍 宇，赵 莹

(中国矿业大学 计算机科学与技术学院，江苏 徐州221116)

1 改革背景

当前世界范围内新一轮科技革命和产业变革加速进行，在这种背景下“中国制造2025”、“互联网+”、“电子信息+”等重大战略与概念应运而生，新工科教育风起云涌［1］。嵌入式方向人才培养改革在这其中扮演起越来越重要的作用［2－3］。它以引导高等学校加强相关专业和课程建设，提高学生创新能力、理论知识应用能力为目标，使学生精通嵌入式硬件开发和相关软件编程开发工具，掌握嵌入式设计的基本理论和开发流程，达到各类智能硬件开发企业、移动应用开发企业对卓越工程师的基本要求是我们追求的目标，其中的计算思维教育成为当前高校嵌入式方向人才培养中的一项重要内容［4－6］，“卓越工程师教育培养计划”也在这其中扮演十分重要的角色［7－8］。信息技术行业人才倍受青睐，就业前景广阔［9－10］。

2 教学改革创新点

本文针对嵌入式方向人才培养创新性的提出了基于计算思维自主培养的教学模型，培养学生利用计算思维进行复杂嵌入式工程问题求解训练，同时对理论与实践课程体系进行了丰富完善，应用到实际的嵌入式方向课程群的教学实践工作中，搭建了“学竞一体”的嵌入式学科竞赛平台，其创新点体现在:

(1) 教学理念创新。更新教学理念，以学生计算思维能力培养为中心。把“知识传授”转变为“知识探究”，把“知识接受”转变为“能力培养”，培养学生主动运用计算思维通过探究来建构自己的知识结构，而创新型学生的能力培养就是在这一探究过程中实现的。

(2) 教学模式与方法创新。理论课程体系构建3 +X 专业课程体系，在专业主干课程中设置3 个课程组，实施人才分类培养。在专业选修课中，设置X 方向课程，实现某一个方面技术和能力的培养。增强实践教学，构建复杂工程问题背景下的嵌入式人才培养实践教学体系，形成由基础到应用、由理论到实践(“正三角形”) 的循序渐进的实践教学体系。

(3) 学生发展方式创新。创建嵌入式方向创新人才培养平台，学生通过参与校企联合复杂工程求解训练、嵌入式竞赛、创新创业训练项目全面激发自身的创新潜能，促进自身全面发展。建立学生参与的人才培养平台完善机制，实现学生发展支持的全面化与精细化。

3 嵌入式人才培养改革与探讨

3.1 主要目标

本研究结合目前嵌入式人才培养的热点内容，提出“以学生发展为根本、以创新能力提升为主线、以社会需求为出发点、以知识学习为基础、以学科竞赛为延展、以复杂工程实践为手段、以服务社会为宗旨”的教育理念与方法，注重学生知识、能力和素质的全面综合发展，创立了“知识学习、学科竞赛、科学研究、工程实践”结合的嵌入式方向专业创新人才培养模式。学院建立了体系完整、特色鲜明、开放共享的嵌入式方向人才培养创新实践基地，形成“教学、实践、科研、竞赛四位一体互动、互促共创新”的培养模式。建设主要内容有:

(1) 构建以创新实践能力培养为导向的卓越工程师理论课程体系。注重嵌入式方向基础理论，科学型与应用型兼顾。突出求解复杂工程问题的有效方法。重点培养嵌入式系统设计与分析能力，嵌入式应用软件和系统软件开发能力。课程内容更加面向工程，强调宽基础、重实践、重应用，教学内容适当削减部分课程学时。课程教学与考核结合工程实际进行，在专业课教学中逐步推进交互式微课与翻转课堂相结合的教学方式。

(2) 构建层次型嵌入式人才培养实践教学体系。增强实践教学，构建课内课外相结合，以能力培养为主线的实践教学体系。增加创新性、综合性实践。通过学科竞赛和创客实验室等提高学生的实践能力、创新能力，鼓励学生申报研究创新性研究题目。重视引导，通过不同层面的实践，提升不同层面的实践能力。同时与高水平软件企业合作建设了校外实习基地，结合企业实际工程需要，提高学生解决实际问题的能力和就业竞争力。

(3) 基于卓越目标的创新型嵌入式人才培养平台。通过开发针对嵌入式方向类课程的微学习平台，录制相关课程的微视频，利用交互式MOOC +翻转课堂的形式借助“雨课堂”平台进行知识的讲授，全过程培养学生的嵌入式系统开发实践能力，课下利用QQ 群、微信公众号、微博等方式与学生进行交流沟通，提高学生的学习质量与学习效果。

(4) 构建“学竞一体”的嵌入式学科竞赛平台。以教育部产学合作专业综合改革项目为依托，组织成立学科竞赛指导委员会和嵌入式设计俱乐部。组织和指导学生参加各级嵌入式专题邀请赛、机器人比赛、电子设计竞赛，组建高质量竞赛队伍。积极参加高水平嵌入式相关赛事，与学工密切沟通，完善奖励机制，激发师生热情，有力推动创新型学生培养。

图1 计算思维自主培养的教学模型

3.2 实施方案

(1) 以嵌入式方向人才培养为目标，建立了阶梯式引导的计算思维自主养成模式。本文建立了计算思维自主培养的教学模型，通过以不同层次问题为导向，引导学生思维锻炼方向，借助辅助平台，由问题引导学习者运用计算思维思考，完成能力自主培养。如图1 所示。

(2) 以复杂工程求解能力培养为导向，构建了嵌入式设计理论与实践课程体系。理论课程体系中针对考研升学、卓越计划和就业创业等不同类型学生培养的需求，构建3 +X 专业课程体系。在专业主干课程中设置3 个课程组，实施人才分类培养，学生根据自己的基础、兴趣和发展自主选择。在专业选修课中，两门课为一组，设置X方向课程，实现某一个方面技术和能力的培养。增强实践教学，构建了基于工程实践能力和复杂工程问题求解能力的多层次一体化实践教学体系。实践课程体系如图2 所示。

(3) 以卓越目标引领，建立了递进式多样化嵌入式方向创新型人才培养平台。本改革开发了针对嵌入式方向课程的微学习平台，设计了电子设计硬件实验平台，全过程提高学生实践动手能力。组织成立学科竞赛指导委员会和嵌入式设计俱乐部、智能车俱乐部、TURBOT 机器人科技社团。构建“学训赛交融递进式”嵌入式学科竞赛体系，组织和指导学生参加各级创新创业训练计划与高水平嵌入式赛事，通过课程学习→学科竞赛→创新创业训练→企业实践，递进式流程推动了创新型学生培养。

图2 基于“卓越工程师”计划的嵌入式人才培养实践教学体系

4 改革效果

(1) “一个中心、两个平台”的以计算思维能力培养、卓越工程师实践、实践深化双创能力协调共赢的嵌入式方向人才培养模式不断完善，并得到相关部门和专家的认可，同时，成立了嵌入式技术俱乐部、智能车俱乐部、TURBOT 机器人科技社团、智能机器人创客空间等组织，陆续有985 高校等兄弟院校前来学习、观摩。ARM、NXP、Intel、大疆、博创等企业前来合作洽谈。

(2) 建立了一定规模、体系完整、特色鲜明、开放共享的嵌入式方向人才培养创新实践体系，积累了较丰富的创新型人才培养经验，学生工程实践、创新能力强。

(3) 毕业生以其扎实的专业功底和工程创新能力获得国内一流高校青睐。指导学生先后获得百余项科技竞赛的奖励，同时鼓励学生科技创业，目前已培育学生嵌入式及机器人方向创业公司3 家，效益良好。

5 结语

嵌入式方向人才培养是一项复杂系统工程，本文在这方面进行了一些探讨，成果获煤炭工业协会教学成果奖二等奖并遴选为江苏省教学成果奖培育项目，在人才培养中发挥了积极作用。希望本研究能够对嵌入式方向人才培养提供有益参考。