面向新工科建设的跨学科嵌入式实验教学

何杏宇， 杨桂松， 周亦敏

(上海理工大学 a. 出版印刷与艺术设计学院； b. 光电信息与计算机工程学院， 上海 200093)

0 引 言

跨学科研究早已成为科学创新的重要驱动力[1]。尤其，在信息技术广泛应用和飞速发展的近10年，社会各界明显感受到学科交叉是创新的主要动力和源泉[2]。在未来，全球瞩目的人工智能和智能制造技术的发展与突破也将依赖于电子技术、计算机技术、网络通信技术、生物科技、以及机械控制等多个学科的深度交叉。为主动应对新一轮科技革命与产业变革，2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，提倡学科交叉融合[3]。而嵌入式技术作为电子技术、计算机技术和网络通信技术的交叉产物[4]，它将成为人工智能和智能制造发展过程中能够使生物科技、机械控制技术等其他科技得以融合和应用的重要基础技术手段。为了响应新工科建设的号召，本研究提出跨学科的嵌入式实验教学，放宽该门课程的学科覆盖范围，允许能源动力、生物医学以及机械工程等专业的学生也参与嵌入式技术学习，并对现有嵌入式实验教学内容和教学形式进行有效改革，形成新的教学体系，以更好地培养从事人工智能和智能制造研究的跨学科创新型人才。

1 关于传统嵌入式实验教学的思考

1.1 缺乏学科合作和交叉创新的主动性与引导性

嵌入式技术是众多学科在应用中得以融合的关键技术。虽然按照传统教育方式培养的嵌入式人才在工作岗位中有与其他学科人才进行合作创新的机会，但目前企业中经常出现这样的现象：来自计算机相关专业的精通嵌入式技术的人才因欠缺理解其他领域应用需求的能力而创新能力低下；而来自非计算机相关学科具有较好的理论创新能力的人才因不了解嵌入式技术而很难根据理论创新点提出具体的应用设计需求。可见，滞后的跨学科合作培养使得技术创新相对被动，并且需要长时间的相互选择和磨合。

为了了解校内学科合作和交叉创新的氛围，本研究针对在校的来自不同学科的本科生进行了问卷调查，据调查结果，完全不关心其他学科知识的学生只有9%，这说明大部分学生还是希望多了解其他学科知识的，但是主动了解其他学科知识的学生只有18%，可见，在没有学校引导的情况下，学生进行学科合作和交叉创新的主动性并不高。另外，调查结果还显示，在校期间，有与其他学科同学进行合作创新经验的学生只有12%，这也进一步说明目前学校欠缺对学生进行跨学科创新的引导，并且没有充分提供开放的多学科交叉创新的氛围。如果在大学培养阶段就开始引导学生根据兴趣往不同学科交叉渗透，尽早打开他们跨学科创新的思维和视野，这会极大降低学生的创新盲目性，以及培养学生的主动创新意识。

1.2 教学内容和教学形式的单一和刻板

为了提高学生的跨学科创新能力，除了提供引导和建立氛围让学生解放思想和拓宽视野外，还需要提供丰富的教学资源以及科学的教学方法对学生进行系统化的知识与技能训练。据了解，传统的嵌入式实验教学只面向计算机相关专业[5]，没有为学生提供开放的多学科交叉融合的教学环境[6]，计算机相关专业的学生无法开放性地了解其他学科对嵌入式技术的应用需求，非计算机相关专业的学生更是没有接触嵌入式技术的机会。另外，传统的嵌入式实验教学内容单一，教学形式程式化[7]，主要强调基本的计算机软硬件设计，既无法根据不同应用背景提供多样性的实验项目，也无法根据学生的兴趣和能力提供适应性的技能训练。

2 跨学科嵌入式实验教学所面临的挑战

本研究提出的跨学科嵌入式实验教学将为多个不同的学科服务，例如，汽车电子、医疗器械、能源控制、测试技术、生物电子等专业。在进行实践尝试之前，本研究分别针对在校的计算机相关专业和非计算机相关专业(新增的覆盖专业)的学生进行了关于跨学科嵌入式实验教学的意愿调查，调查结果如表1所示。

表1 跨学科嵌入式实验教学的学生问卷结果 %

从表1的调查结果看出，无论是计算机相关专业还是非计算机相关专业，大部分学生认为所学学科对人工智能和智能制造技术的发展有贡献，并且愿意以跨学科合作的方式来开展嵌入式技术学习。

虽然，跨学科嵌入式实验教学可以打破以往封闭的创新环境，有利于营造良好的学科合作氛围，能有效提高学生的主动跨学科创新能力，但是，将该想法付诸实践要应对一系列新的挑战：

(1) 不同学科对嵌入式技术的应用需求不同，彼此的结合点也不相同，这将对教学内容的丰富度以及实验教师的教学能力产生极大挑战。例如，生物医学工程注重生理信号的处理[8]，如心电、医学影像、生化指标等，它要求嵌入式技术处理这些特殊信号的流程与处理传统工业信号的方式有所不同。又例如，机械电气工程注重通过电信号来实现机械运动控制，如机器人关节运动控制[9]、汽车牵引变速控制[10]、机床运动控制等，它对嵌入式技术产生的控制信号提出更加精确和灵活的要求。面对来自不同学科的不同应用需求，实验教师需要积累和收集丰富且多样化的应用案例和实验项目，而且还要不断扩大自身知识面和提高专业技能，才能应对自如。

(2) 学生基础参差不齐，兴趣和专长各异，这将对教学方法和教学模式产生极大挑战[11]。来自不同专业的学生对嵌入式技术基础知识的掌握程度各不相同，如果不进行层次化处理，可能会导致拖延优秀学生的步调，也可能会出现基础薄弱的学生跟不上的情况。另外，在同一个嵌入式设计项目里，来自不同专业的学生擅长的部分也各不相同，如果不因材施教，可能会埋没学生的优点，失去跨学科合作的原始意义。可见，传统的集中式授课不再适用，跨学科嵌入式实验教学应该更关注学生的多元性，对学生进行层次化和差异化的处理[12]。

3 关于跨学科嵌入式实验教学的改革和探索

跨学科嵌入式实验教学不仅需要兼顾不同学科的应用需求，而且要考虑不同学科的学生兴趣和基础层次差异，为此，本研究从教学内容和教学形式两方面展开实验教学改革和探索。

3.1 教学内容多样化

在实施跨学科嵌入式实验教学的初期，本研究收集大量不同学科的应用案例，形成丰富和多样化的实验项目库。例如，为了满足生物医学类和机械工程类专业的应用需求，本研究针对性地收集了这两类学科的应用案例，并新增相应的实验项目类别。如表2所示，经过内容扩充后的嵌入式实验项目门类主要包含3大类：生物医学仪器类、机械运动控制类以及无线通信系统类，其中，生物医学仪器类主要包含不同原理的检测和诊断设备的设计类实验，机械运动控制类主要包括与机器人、车辆以及车床等相关的运动控制实验，无线通信系统类则是包括不同应用场景下的无线网络系统构建实验。在实验项目类别多样化的情况下，学生可以根据兴趣自由选择不同的嵌入式实验项目。

表2 跨学科嵌入式实验教学的实验项目类别

3.2 教学形式层次化

本研究对参与跨学科嵌入式实验教学的学生进行训前评估以测试其对嵌入式技术基础知识掌握的程度，并根据学生的基础差异设计了相应的基础训练班、项目化训练班和实战化训练班3个层次化教学形式，如表3所示。

表3 跨学科嵌入式实验课程的层次化教学

基础训练班主要针对欠缺软硬件设计基础的学生(大部分来自非计算机相关专业)，采用集中式授课形式，对学生进行一系列基础技能训练，包括嵌入式操作系统和交叉编译环境的熟悉、应用程序的编写和调试、嵌入式处理器和外围电路的连接、电路原理图绘制和PCB设计等。而对于具有良好技能基础但没有自主设计经验的学生，则可以参与项目化训练班。项目化训练采用团队化合作的方式来组织学生分组执行实验项目，一个分组包括5～8名学生不等，参与的学生需提前填报兴趣和特长信息表，以便实验教师根据兴趣来分组，分组后组内成员协商选择实验项目并根据特长来自主分配组内任务，例如，对生物医学仪器感兴趣的同学可以选择与医疗仪器有关的实验项目，又例如，在机器人手臂设计项目分组里，机械设计与自动化专业学生负责手臂外形和机械结构设计，电子与电气信息专业学生负责手臂触觉传感器信号检测与处理，计算机专业的学生负责动作识别和运动控制等，项目组学生在掌握嵌入式技术的基础上，也能了解到机械基础知识、电路知识、信号处理知识、自动控制知识等多个学科的知识，达到了学科交叉融合的目的，极大地扩展了学生的知识面。而对于已经具备一定的嵌入式系统自主设计能力并希望参加各种嵌入式设计赛事的学生则可以参与实战化训练班。实战化训练班对学生的自主性要求较高，学生必须根据赛制自主组队并根据参赛内容自主进行实战训练，实验教师安排定期的答疑和交流时间。

3.3 教学形式项目化

项目教学法有利于培养个人技能的系统性和全面性[13]。本研究还通过项目化训练培养学生的项目规划能力和协同执行能力。在项目化培训初期，所属相同实验项目分组的同学需要根据设计需求协商制定出项目任务计划书，该计划书包括详细的软硬件设计框架、任务划分情况以及相应的执行进度计划表。例如，图1所示为一个机械运动控制类实验项目的任务计划书结构，它包括硬件框架设计计划和软件框架设计计划，其中，硬件框架部分分为机械结构和外观设计、主控电路设计以及检测和传动电路设计3个部分，软件框架部分又分为控制程序设计、信号处理程序设计和通信程序设计3个部分，该实验项目的成员需要协商安排这6个设计部分的负责人，而每个设计部分的负责人则需要根据所分配的任务制定设计计划、列出相应的实验材料清单以及安排执行进度。

本研究采用交互式审核的方式来定期检查学生的实验项目执行进度。项目审核小组由多名具有不同技术专长的实验教师组成，分别审核项目执行过程中的不同环节，以纠正上一步工作的错误以及引导下一步工作的开展。嵌入式创新需重视学生的自主性[14]。本研究的项目设计过程以学生为主体，提倡学生主导设计以及注重团队合作精神的培养。具体地，每一个审核环节都采用交互讨论的形式进行，首先学生进行演示和工作汇报，然后教师提出疑问或指出错误以供同学讨论，最后学生给出改进方案以及描述下一步设计计划。

图1 机械运动控制类实验项目任务计划书

3.4 教学形式实战化

“学赛一体”能够提升技能创新的活力[15]。为了给参加各类嵌入式技术相关比赛的学生提供实战化的训练环境，本研究收集各类比赛的历年试题以建立各类题库，并给参加实战化训练班的团队指定带队教师进行定期答疑和指导。实战化训练班面向的比赛主要有大学生机械创新设计大赛、全国大学生电子设计竞赛、物联网设计竞赛以及中国机器人大赛等重大赛事。本研究提出的实战化训练主要有3个特点：① 以老带新，建立网络交流平台，邀请有参赛经验的校内外师生传授经验；② 与企业接轨，定期邀请企业工程师进行讲座，并对实战训练的设计环节进行技术点评指导，并安排学生走进企业参与设计实习；③ 举办校内外“友谊赛”，增加赛前热身的锻炼机会，为大型赛事积累经验。通过比赛的强化训练，学生的设计和创新能力能够得到快速提高[16]。

4 教学成效分析

通过校级和市级大学生创新创业项目和开放式创新实验室相结合的形式对所提出的跨学科嵌入式实验教学体系进行了初步实践，为了验证其成效，本研究统计了参与学生在各类赛事中的参赛数和获奖数，据统计，改革实施前参与各类赛事的人数相对较少，尤其参与机器人设计类和车辆设计类的赛事相对更少，而在实施跨学科嵌入式实验教学后，参与各类赛事的项数明显增多，而获奖项数也相应增长(仅2018年就获得如下奖项：全国大学生电子设计竞赛嵌入式邀请赛获二等奖2项、上海市大学生电子设计竞赛获奖22项、全国大学生生物医学创新设计竞赛获一等奖1项、全国大学生机器人大赛技术挑战赛机器人救援总决赛获特等奖1项、上海市大学生创意机器人挑战赛一等奖2项、全国大学生智能车竞赛获奖4项、全国大学生机械创新设计大赛获奖25项)。图2所示为实战化训练班学生参加全国大学生电子设计竞赛的部分获奖作品。

(a) 风力摆控制系统

(b) 双向DC-DC变换器

为了了解学生的参训感受，开展学生座谈，了解到学生的训练体会主要在3个方面：① 拓宽了视野，培养了开放式创新思维，解决问题时不再故步自封，养成了主动了解其他学科研究动向的习惯；② 培养了执行项目的系统规划能力，懂得了如何在团队合作中与不同专长的成员进行有效率的沟通；③ 通过参加比赛可以获得自我肯定，尤其能够增强跨学科创新的自信心。另外，还采访了企业面试者，了解到有参与过跨学科嵌入式实验教学的学生，更有自信地介绍自己的项目研发经验以及分享自己的项目成果。

5 结 语

为了更好地培养出从事人工智能和智能制造研究的新型人才，提出了跨学科嵌入式实验教学，将该类教学的覆盖范围拓展到能源动力、生物医学以及机械工程等其他非计算机相关专业，通过建立丰富和多样化的实验项目库，满足不同学科的应用和兴趣需求，并通过设计层次化、项目化和实战化的教学形式，为学生创造了良好的学科交叉融合氛围，极大地提高了学生跨学科创新的自主性，以及增强了学生的合作创新的协同能力，这对推动新工科建设具有重要意义。