“新工科”视角下电子信息类专业嵌入式系统教学改革

朱敏杰

(绍兴文理学院 电子工程系，浙江 绍兴 312000)

0 引言

为主动应对新一轮科技革命与产业变革，实现创新驱动发展，2017年以来，教育部积极倡导“新工科”建设，形成“复旦共识”“天大行动”“北京指南”，积极探索领跑全球工程教育的中国模式和经验.“新工科”以立德树人为引领，培养未来多元化、创新型卓越工程人才[1].

电子信息类专业是“新工科”建设的直接辐射和支撑专业，是当之无愧的“新工科”建设“排头兵”.嵌入式是“中国制造2025”、物联网、移动互联网、大数据与云计算等的核心技术，具有广阔的发展前景.以嵌入式技术为核心的嵌入式系统是电子信息类专业的主干课程，不仅具有完备的理论体系，而且强调跨学科、跨专业，讲究理论、方法、技术的融合及应用[2-3].我国嵌入式系统教学从无到有，经过18年的发展，形成了一套教学体系，取得了一批教学成果，但对标新工科的建设要求，嵌入式系统课程存在的问题也日益凸显：

①教育理念与工程教育存在差距.教学过程缺乏工程教育理念的贯彻与落实，并未真正参考行业发展的导向和需求，“成果导向”“终身学习”“持续改进”“学科交叉”等并未在教学过程中完整体现.

②教学方法与学生志趣存在差距.课程教学大多采用单向讲授为主，缺少互动和反馈，导致学生学习主动性、积极性不高，影响教学质量，使学生难以获得课程学习效益.

③知识体系与培养目标存在差距.专业背景不同、应用场合不同，专业培养目标对嵌入式系统的教学内容和教学要求也应不同.但目前大多地方高校电子信息类专业教学内容未能与专业培养目标相吻合.

本文以绍兴文理学院电子信息类专业嵌入式系统课程为试点，升级教育理念、改变教学方法、更新知识体系，以优化教学体系，重构课程教学，完善评价机制三个着力点进行探索，形成课程改革试点方案[4].

1 教学改革指导思想

1.1 以“新工科”升级教育理念

作为地方应用型高校，对照“新工科”的内涵和建设途径，落实“产教融合”“成果导向”“以学生为中心”，形成“接地气”“近产业”“重应用”的理念，重点分析浙江省、绍兴市的经济、产业发展特色，主动对接绍兴市“先进装备制造”“信息经济”“现代住建”三大与课程紧密结合的支柱产业，着重培养学生在优势产业中的应用创新能力.以学生为中心，以学习成果为导向，以实时评价为依据，及时修改、调整、回应学生要求.教师的任务是以启迪、演示、讨论、评价为主，引导、协助学生达成学习目标.

1.2 问学生志趣改变教学方法

传统教学无法摆脱“教师一言堂”的教学方法，难以达成“新工科”理念下的人才培养目标.学生自身存在学习能力和学习兴趣的差异，通过构建一套以学生志趣为中心、以学生能力成长为目标的教学方法，创建一种可根据自身能力和兴趣选择教学内容和方式的教学模式，从而有效监控学生的学习质量，激发积极性和创造性.

1.3 因行业需求确定知识体系

目前行业对嵌入式人才的需求主要有嵌入式底层开发、嵌入式应用层开发、嵌入式人工智能等.其中嵌入式底层开发侧重于微处理器电路、操作系统移植及驱动程序的设计；嵌入式应用层开发侧重于操作系统之上的软件开发、QT开发、网络编程等；嵌入式人工智能侧重于嵌入式系统与具体的应用场景结合，如物联网、5G应用等.嵌入式底层开发与我校电子信息类专业培养目标最为契合，课程知识体系也围绕这个方向构建.

2 教学改革具体措施

教学改革的具体实施方案主要落实在教学体系、课程教学、评价机制三方面.

2.1 优化教学体系

传统的教学体系优化为“必修+创新”“线上+线下”“虚拟+现实”“阶梯+套餐”的四维教学体系.

对嵌入式系统课程体系进行合理布局，形成必修、创新两个模块，如图1所示.必修由嵌入式系统及嵌入式系统综合课程设计两门课组成；创新由学科竞赛、学生科研、参与教师科研组成.

图1 课程体系

嵌入式系统包括理论教学，课内实验，自主学习.采用“书包实验室”服务学生自主学习，“书包实验室”由实验开发板、万用表、笔式示波器及电脑(学生自备)组成，可以随时、随地开展软、硬件实验，拓展学习时间和空间，如图2所示[5-6].嵌入式系统综合课程设计以实际工程项目展开，通过实物演示、综合答辩、设计报告等综合评定学生的项目成果.必修模块的评价作为一项重要的参考，以评价学生是否具备选修创新模块的能力.

图2 书包实验室

以“新工科”理念进行嵌入式系统课程改革，把握好“线上与线下”“虚拟与现实”两个体系，如图3所示.

图3 “线上+线下”与“虚拟+现实”体系

利用超星泛雅平台建立在线课程网站，开展线上线下混合式教学；鼓励学生加入技术论坛，技术微信公众号，开拓视野，在潜移默化中使学生养成“终身学习”的习惯和“严谨踏实”的作风；教师通过社交软件课程群，与学生进行“一对一”交流，及时解决学生问题，线上互动对学生是“肯定”，说明老师“在乎”，保证学生求知欲得到满足，增加学习动力.虽然这种网络答疑工作量很大，也不能折算成课时，但这正体现教师的责任和担当.

主动给学生“找事做”，让学生从游戏、网剧中解放出来，走出宿舍，进入教室、实验室.利用课外时间，安排学生参观公司、进入教师科研室实习，了解最新的行业趋势和教师科研项目，增强学习兴趣.图4是学生参观“支付宝”大楼的照片.

图4 学生参观“支付宝”大楼合影

嵌入式系统学习过程中，不可能每项设计都采用实物，需要借助集成开发环境、虚拟机、操作系统等软件工具，同时，也需要利用好教科书、参考资料、项目案例等文档及实验开发板、书包实验室等实物工具.

考虑到个性化学习的需要，把课程知识体系分解为“阶梯+套餐”的形式，如图5所示.“嵌入式系统概论”和“ARM cortex-M3体系结构”两级阶梯知识必须掌握，“嵌入式系统概论”可以使学生从宏观上了解嵌入式系统.“ARM cortex-M3体系结构”使学生不再被“功能多”“型号多”“开发模式多”等问题困扰，做好减法，了解众多芯片的本源.

图5 “阶梯+套餐”体系

对于选择硬件的学生，“STM32系列处理器原理与实践”可避免学生局限于具体的内核结构，为学生提供一款资源多、好上手、应用广的芯片，使学生学习“有的放矢”，为学生的各类学科竞赛、学生科研乃至就业创业提供一套完备的技术途径；对选择软件的学生，“嵌入式操作系统”考虑到电子信息类专业课程体系中一般都缺少编译原理、数据结构、操作系统等课程，使得学生学习复杂操作系统具有相当难度，选取小内核嵌入式操作系统μC-OS，更具可操作性.对于学习能力强的学生，鼓励两个套餐都选择.除了知识体系外，在考核环节、实践环节都以套餐化的理念执行.

2.2 重构课程教学

重构课程教学包括理论教学、实验教学、自主学习三个方面，需要说明的是，这三方面都包括线上线下的教学，重构可由图6展开说明.

图6 课程教学拓扑图

鉴于嵌入式系统课程极强的实践性与工程性，理论教学与实验教学的界限不应过于明显.课程团队把理论课与实验课结合起来，理论课进实验室上，实验操作融于理论讲解.学生分成3-4人的学习小组，教学以小组为单位开展.理论课的授课内容安排不应局限于教材章节，而应以实验项目所需的知识点来重构.当完成一个单元的理论授课后，设计实验让学生把所学内容呈现出来.理论教学中部分适合于学生自学的内容，提前布置要求，以“翻转课堂”的形式开展教学.

实验教学分为教师演示、学生实验两部分，其中学生实验项目来源于学生科研项目及学科竞赛案例，将成熟案例分解成为若干个实验项目，循序渐进地让学生完成.改变传统实验课堂“预习就是抄实验讲义，操作就是按步骤连线，报告就是记录结果”的固有模式，实验课堂应是学生展示所学成果，教师考核、监督、建议的学习场所.完成这一改革需要学生在实验前做好充分的准备，需要利用“书包实验室”自主学习，在实验前调试代码和电路.另外，布置1-2个难度高于普通实验项目的案例，由学习小组自己决定是否选修，对于完成度好的项目择优整理，对案例库进行快速迭代与充实.重视“首课引导”的作用，除了上述课程教学框架需要向学生做出明确解释外，还需让学生明白课程需要完成哪些任务，能够获得哪些技能，课程如何考核评价，自己能为课程建设做哪些事，课程在工程实践中有哪些应用等.记录梳理学生在理论和实验环节的反馈意见，作为下一轮改革的依据[7].

2.3 完善评价机制

评价机制包括课程本身的闭环评价机制与学生课程任务达成度评价机制.

课程评价机制构成如下：由毕业要求凝练出课程目标，确定出本课程对毕业要求的支撑度，完成教学大纲的撰写，教学大纲对学生的课程目标(任务)做出规定，并制定详细的达成度评价机制，一轮教学结束后，由师生一起对课程进行评价，并反馈于下一轮课程目标的制定.每轮改革过程中，这个机制具有自我微调的权限.

学生的课程任务评价机制遵循表1展开，课程目标由理论、实验及自主学习来达成，并阐明达成的具体要求.课程目标分为基本目标、进阶目标、高阶目标、完美目标四档，前三档分别占课程总分的60%、30%、10%，完美目标作为学生的选修提高，不计入总分.

表1 课程达成度评价机制

3 结束语

绍兴文理学院电子信息类专业嵌入式系统教学面向“新工科”进行教学改革，已完成两轮试点，受到学生普遍欢迎，学生反映该课程“学有所获”，对参加学科竞赛、学生科研乃至考研面试、就业都有积极作用.以此课程为试点，在多门专业课程中进行改革探索，人才培养质量稳步提高.2019年，电子信息类专业6组学生参加全国大学生电子设计竞赛全部获奖，其中国家二等奖3组，主持国家级学生科研项目4项，考研录取率和就业对口率逐年进步.