面向“双创”教育的嵌入式系统课程改革与实践

屈召贵

(四川旅游学院 信息与工程学院， 四川 成都 610100)

0 引言

为贯彻落实 《国务院办公厅关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》(国办发〔2015〕36 号)文件精神，深入推进高等学校创新创业教育工作，加强高校创新创业教育课程建设，将创新创业教育融入人才培养全过程[1]。各高校开展了创新创业教育系列建设工作，成立创新创业示孵化中心，建设创新创业示范课程，举办“互联网+”创新创业大赛等，积极探索创新创业教育模式，极大的推动了教育改革[2]。在应用型本科院校中的电气信息类专业中大都开设了“嵌入式系统原理及应用”课程。该门课程内容涉及数模电、微型计算机等硬件知识和操作系统等软件知识，综合性强、知识面广。传统的教学方式只是从技术的角度从CPU的结构、汇编语言、处理器的应用和操作系统使用等内容讲解，与创新创业能力的培养没有直接联系，不利于发挥学生的主动性、积极性、创造性和创业意识，没有充分发挥该课程的综合性的特点优势[3～12]。基于此，提出面向创新创业能力培养的课程改革探索，在课程教学体系、大纲、教学方法、考核形式等方面依据应用型人才培养要求，以“双创”教育为载体探索改革与实践。

1 “三个层次，一个核心”教学模式

课程以“三个层次，一个核心”的教学模式开展教学，其结构如图1所示，即在教学内容安排上采用三个层次，在教学目标上形成一个核心能力。

图1 嵌入式系统课程教学模式

依据应用型人才培养的需要，课程内容融合基础理论知识、综合应用实践、创新创业实训“三层次”教学内容安排形式。基础阶段，主要让学生掌握嵌入式系统设计基本方法、微控制器(STM32)的基本结构及应用、嵌入式实时操作系统(μC/OS)工作原理及应用。综合应用阶段，主要完成嵌入式系统课程设计，要求学生以小组为单位，协作完成软硬件并做出实物，撰写设计报告，参加答辩；并组织学生参加“蓝桥杯”全国软件和信息技术人才大赛嵌入式设计与开发大赛和全国大学生电子设计大赛，旨在提高学生的综合应用能力。创新创业阶段，要求学生申报并参与大学生科研项目、创新创业训练计划项目、互联网“+”创新创业大赛，旨在培养创新能力和创业意识。教学内容及按排如表1所示。

通过课程的学习，让学生掌握嵌入式技术，具有扎实的理论知识，较强的实践动手能力。能进行硬件电路设计，制作PCB和电路调测；能进行软件设计、RTOS系统应用和常用算法的实现。

表1 教学内容案排表

“三层次、一个核心”的实践教学模式涵盖全部教学环节，明确各环节的目标、任务、时间按排考核体系，将各环节有机地、循序渐进地贯穿起来，实现了教学内容的整体优化和功能的最大化，实现“双创”教育的目的。

2 以创新为核心创业为引领的教学改革

课程采用理实一体、项目驱动和线上线下混合式教学方法，按照OBE教育理念，以学生为主体，教师为主导的教育理念。注重实践动手能力培养、创新能力培养和创业意识。

2.1 通过产教融合促进教学内容优化

课程教学大纲与企业联合，协同研究制定教学内容、授课时间、教学方法、实践教学平台、考核方式、具体实施等问题。嵌入式系统设计课程为电气信息专业必修课，4个学分,64学时，两周集中综合设计(企业导师指导项目化教学)，课程按排在第5学期。课程教学理论讲课34学时，实验34学时。理论课程内容主要有ARMCortex-M3内核结构(4个学时)、STM32F103微控制器片上外设资源应用(16个学时)和C/OS操作系统原理及应用(12个学时)，课程内容与ST公司中国大学计划部长期合作，提供最新技术指导。实验课主要分为基本验证性实验(8学时)和综合应用设计性实验(20学时)。综合应用设计性实验，其实验内容来自企业实际项目，由校企合作单位指导，以项目方式实施。课程要求每一位同学从项目需求分析、方案设计、详细设计、测试调校等环节，力求让学生掌握电子产品开发的全过程。课程大纲从知识目标、能力目标和素质目标方面全面检查学生的达成度。

2.2 形成“二化，三赛”的教学方法与手段改革

通过“二化，三赛”的课程教学改革，促进创新创业能力培养。“二化”即理论教学与实践教学一体化，教学内容项目化。“三赛”即嵌入式设计校内赛，“蓝桥杯”全国软件和信息技术大赛嵌入式开发与设计大赛和大学生电子设计大赛。

课程教学采用理实一体化模式，授课过程在实验室进行。实验室授课有利于讲练结合，理论与实际统一，有助于学生对知识点的掌握。课程教学采用小班教学模式，指导过程全覆盖，体现以学生为主体、教师为主导的OBE教育理念。

教学内容项目化，以企业的真实项目为载体，以CDIO理念为指导，为让学生从项目可行性论述、软硬件设计、电路制作、调测等，历经一次产品开发的全过程。实验室提供“口袋实验机”平台，为每个项目小组同学提供开发板套件，让学生进行第二次开发。体现了开放式及个性化的教学，教学过程在时间和空间上得到延伸。

课程教学团队重点筛选了三项学科竞赛(校级嵌入式设计大赛、蓝桥杯软件及信息技术大赛、电子设计大赛)贯穿整个教学过程。分阶段分层次进行，在基础阶段，要求学生参加校内的嵌入式设计大赛；在综合应用阶段，要求参加“蓝桥杯”软件及信息技术大赛嵌入式组的训练比赛和全国大学生电子设计大赛的训练比赛。通过课赛融合能激发学生积极主动性，提高创新思维能力。

2.3 形成以创新创业项目为孵化的创业引领

通过课程的教学，引导学生积极申报参与大学生科研项目、创新创业训练计划项目和互联网“+”大赛项目，通过项目的创新，培育创业项目并进行孵化。其中10个获得省级创新创业计计划项目，4个获得国家级创新创业计划项目。

2.4 形成“N+1”的多元考核机制

课程考核主要针对基础层的理论知识、实验知识和课程设计。课程的成绩由“N+1”组成，其中“N”代表平时成绩(占总成绩的60%)，由实验、作业、课程设计和校内课程竞赛构成；“1”代表期末笔试成绩(占总绩的40%)。笔试考试主要考核课程的理论知识的灵活运用；实验主考核实验项目设计、调测、结果分析(占30%)；课程设计主要考核方案分析、软硬件设计和设计报告(占30%)；作业主要考核对各个知识点(占10%)；校内课程竞赛主要考核学生对知识的综合应用能力(占30%)。

在综合应用层和创新创业层的考核不再是以成绩形给出，而是依据人才培养方案直接和学科竞赛与专业创新实践学分挂钩。要求学生参加学科竞赛获得的奖项和大学生创新创业计划训练项目等转换为对应的自主学习与拓展实践教育学分。

3 建立科学合理的保障机制

3.1 实验实训保障

构建了“一室，二地，一中心”的实验实训环境，如图2所示，其中“一室”即嵌入式计算机实验室，主要承担课内实验；“三地”即ARM-ST嵌入式创新实验基地、Altium电子设计联合实训基地，主要承担综合应用实验和创新创业项目；“一中心”即大学生创新创业中心，主要承担大学生创新创业计划训练项目和互联网“+”大赛的指导和项目孵化。

图2 实验室体系基本架构

3.2 师资力量保障

课程教学团队教师共计5位，其中教授1名，副教授2名，讲师2名。双师型教师5名，国家注册电气工程1名。教学团队与企业深度合作，打造双师教师队伍，寒暑假教师到企业顶岗训练，共同进行科学研究、产品开发，共同开发实验项目，编写教材。

4 创新创业成果突出

4.1 创新促进创业效果好

经过实践教学检验，学生创新创业效果明显改善，培养了一批受企业欢迎的综合实践能力强的电子工程师。

课程教学案例中，通过同学创新，有6个获得国家级大学生创新创业计划项目。分别是：四旋翼自动巡逻小型无人机设计与实现、基于DSP的新能源可控整流技术的设计与实现、基于摄像头的无人驾驶小车设计与实现、无线电能及信息传输设计与实现、基于嵌入式的3D打印机设计与实现、基于MSP430和4G网传输的便携式心电监护仪设计与实现。

2013年以来获电子设计竞赛一等奖4项，二等奖16项，三等奖32项； “蓝桥杯”全国软件和信息技术大赛一等奖65项，二等奖64项，三等奖84项。

创业成效显著，2014级学生张宝等同学，创建的四川龙腾古科技有限公司设计生产的“一卡通智慧校园”产品，其产品原型也来自于课程创新项目成果。2013级学生向俊桥，创建四川芯力量科技有限公司，研发的锂电池管理系统。其产品原型就是课程案例项目的创新成果。2013级同学候弘岐、杨彬为首的创新团队创建“四川楼下电子商务有限公司”，开创成都本土O2O“网上超市”的先例，2015年被评为“成都市创新型电子商务企业”，2016年获得“国家级高新技术企业”称号。2012级同学贺代斌创建的四川所能电子科技有限公司，其核心产品，矿井人员定位系统，也来课程案例的创新。

4.2 社会影响大，企合作成绩突出

教学团队被四川省人力资源和社会保障厅、教育厅授予2017年度“四川省教育工作先进集体”。嵌入式系统实验室，于2014年被列入省级实验教学示范中心建设项目，并于2018年合格验收。

与ARM公司成立了“嵌入式创新实践基地”，赠送100套RealView MDK 嵌入式开发软件和40套ARM-ST嵌入式实验开发装置；与Altium公司成立了“四川工商学院-Altium电子设计联合实验室”；德州仪器(TI)公司赠送40套ARM-CortexM4嵌入式实验开发板。这些实验设备极大的促进了嵌入式课程教学。

5 结语

嵌入式系统课程经过多年建设，形成了以能力培养为目标，以课程内容案例建设为抓手，以“双创”教育为载体，构建培养主动适应行业发展需要的应用型和创新型人才。在师资培养、实验室建设、教学资源建设、教学理念、教学模式、教学方法和组织保障等方面大力改革探索，取得了较好的教学效果，人才培养质量显著增强。