创新创业背景下嵌入式控制系统实践教学改革探索

姚 霁

（西安邮电大学自动化学院，陕西 西安710121）

0 引言

随着信息电子技术以及人工智能的发展，嵌入式系统在航天航空、工业控制、智慧家居等领域都得到了深入的应用。然而其教学面临非常大的挑战：首先，它是一门高融合性的交叉学科，涉及电子与微电子、计算机组成原理、操作系统、网络通信等各领域；其次，它是一个飞速发展的动态学科，新技术、新产品、新应用层出不穷；此外，它还是一门实践性极强的学科。因此，学生仅通过课堂学习很难对嵌入式理念有深入理解，只有通过不断的实验、项目实践，才能加深、发展对嵌入式系统理念的理解[1]。然而，传统的实验教学已经无法满足新时代对创新型嵌入式人才的培养要求。早在党的十八大报告中就明确提出“实施创新驱动发展战略”的宏伟蓝图，并要求“加大创新创业人才培养的支持力度”。教育部也强调着力建设创新创业优质课程。

1 传统嵌入式系统实验中存在的弊端

传统的应试型教育观念导致高等教育在一定程度上存在重理论、轻实践的误区，也因此影响了对学生培养的全面性，部分学生过于看重考试成绩，忽略实验能力。另外，部分高校没有明确的实验教学的培养目标，实验教材内容陈旧且不成体系，严重阻碍了创新型实践人才的培养[2]。

1.1 实验教材内容陈旧

没有合适的实验教材是目前许多高校嵌入式实验课程面对的基本问题。陈旧的实验教材无法反映学科发展的脉搏，且内容多是验证型的被动型实验。这种纯粹的验证实验，导致学生只关心实验流程和现象，无法深入思考，更别提分析深层的原理。学生也反映通过这种僵化的流程式实验收获甚微，无法理解嵌入式技术的内涵。另外，目前部分高校的嵌入式实验课程与理论课程内容关联性不强，难以做到相互验证。同时由于其课程体系复杂、知识点繁多，在实际的实验过程中很难让学生理解所有的要点。更为现实的问题是，传统的实验内容与产业应用严重脱节，更遑论符合当前业内的发展趋势[3]。传统的低质量的实验教学难以匹配对培养人才的实践能力和创新精神的需求，难以为社会输送高质量的嵌入式人才。

1.2 实验教学手段落后

嵌入式系统实验类别繁复、内容丰富，必须依赖完备的实验设备。传统的实验教学基本依赖开发箱等实验平台，而无须学生自己动手搭建、调试相关的硬件模块，导致学生对嵌入式系统实验的原理缺乏理解，也不能锻炼他们的实践能力。而传统的嵌入式系统实验平台提供的范例，内容又过于简单且缺乏针对性，很难对实验对象进行动态调整或在线升级。传统的实验设备又不能灵活扩展，因而很难开展综合性的实验，也无法发挥学生的主动性。另外，在传统的实验教学中，教师通常按照实验指导书讲解操作流程，很少亲自给学生示范实验过程。学生在操作中具有盲从性，按部就班地按照实验步骤和流程来进行，几乎所有的实验内容和环节都是预设的，几乎没有能让学生主动参与的空间[4]。这种实验方式严重束缚了学生的想象力和创造力，无法调动学生的主观能动性，很难培养学生的实践创新能力。

1.3 实验考核手段落后

传统的嵌入式课程考核过于重视笔试，不能反映其实践性强的特点。对于实验的考核标注更是模糊，通常仅根据实验报告的质量来评价。这种贫乏而无新意的考核办法缺乏清晰的区分度，容易让学生走进轻实践操作、重实验报告的误区，不仅使得学生对嵌入式系统实验味同嚼蜡，丧失兴趣，而且不能真正考查学生对嵌入式系统知识的系统理解和实际应用，以及学生的创新发展能力。

2 嵌入式系统实验改革的探索

为了培养适应新时代创新发展需求的嵌入式人才，针对嵌入式系统传统实验教学中存在的弊端，本文进行了深入的研究和思考，并结合笔者在实验教学中的亲身经历，提出了一系列关于嵌入式实验教学的改革和创新方案。

2.1 拓展实验课程内容

嵌入式系统学科知识覆盖广、技术更新快的特点决定了嵌入式系统实验的内容、设备也需要与时俱进。目前，多数高校的嵌入式实验仪器仍以实验箱、实验台为主，而嵌入式处理器技术发展日新月异，从ARM系列到Cortex系列，各种新型处理器层出不穷。而实验箱、实验台不仅成本高，且固化的实验内容跟不上技术的更新，因此，尝试购买低成本的小型开发板来满足实验教学的需求，既能节省成本，又能增加实验设计的灵活性，把更多的实验内容让学生来完成。

虽然教师不可能向学生讲授市场上所有最新的嵌入式技术，但是实验器材的灵活性和可扩展性能够让教师在实验内容的设计上保持必要的开放性。一方面，可根据生活中常见的嵌入式系统的应用实例，设计相应的实验内容；另一方面，可加入一些与企业应用的嵌入式技术密切相关的实验课题，让学生尽可能接触市场上真实的嵌入式系统的开发实例。这种开放性的新鲜的实验，激发了学生的动手实践的愿望，拓宽了学生的视野。

2.2 改进实验授课方式

对于嵌入式系统实验授课方式的改进，尝试打破先学理论，再做实验的传统模式，采用边教学边实验，甚至以实验为主的授课模式，以实验引领理论知识的学习。首先，利用仿真器、开发板等实验设备演示实验内容，让学生在课堂上先看到实验过程和结果，变抽象为具体，让他们带着疑问和兴趣去学习实验中的理论知识[5]。其次，根据嵌入式课程的知识架构设计出与教学内容匹配的实验主题，并编写成实验讲义，以原有的理论教材为补充。在具体的实验教学中，充分体现以教师为引导、学生为主体的理念。针对不同的实验主题和情境，充分引导学生的思维，发挥学生的主观能动性，甚至积极鼓励学生自己查阅资料，确定实验主题，编排实验内容，自主讨论设计思路与原理，完成设计方案、流程图制定、程序开发、上机调试等实验全流程。真正使学生从实验的被动接受者变为实验的主动构建者，让学生体会到进行科学实验的乐趣。这种自主式的创新实验授课模式不仅锻炼了学生的科研创新能力，在一定程度上也丰富了教师的教学资源，真正实践了教学相长的理念[6]。

因材施教也是实验教学模式改革的一个方向。当前各类企业、高校举办的嵌入式竞赛活动丰富多彩，一部分参加竞赛的学生在比赛中已经接触了很多嵌入式系统的实际应用，因此，这批学生会觉得校内的实验内容过于简单，无法得到成长。但是对于初次接触嵌入式系统课程的学生而言，基础实验还是必不可少的。因此，在课程开始之初对学生进行测试，然后适当分层，实施不同内容的实验教学，以便让不同层次的学生在实验中都能有所思，有所得。

2.3 健全实验考核制度

针对嵌入式系统实验课程实践性强的特点，在考核中，我们重点关注学生的实践能力和应用能力，充分发挥考核方式的“指挥棒”的引导作用，引导学生对实验课程的重视。考核内容包括课堂实验、课程设计和期末汇报、创新竞赛等多个方面。

课堂实验是学生认识嵌入式系统实际开发的起点。在实验中，应以考察实验的规范习惯和基本技能为主，不以实验结果作为主要考核依据，重点关注学生在实验中的表现，包括对实验原理的理解、实验行为的规范性、分析问题解决问题的能力等，以实验报告为辅[7]。

课程设计是嵌入式课程的特色环节，也是学生们发挥个人实践能力的舞台。课程设计的选题既能保持一定的创新性，又能保证学生通过查阅文献，结合自己的实践知识，顺利地找到设计方案。而最终课程设计的考核既要关注是否实现预期目标，也要参考设计中表现出的科研探索能力，还应注重设计文档的撰写与整理。全面的考核维度让学生在完成课程设计的过程中充分锻炼了他们的工程实践能力。

在期末测试中，增加专门的实验环节。由学生随机抽取自己的试题，现场完成实验。该环节不仅要求学生在规定的时间内全部准确地完成实验，而且在实验结束后，要让学生口述实验原理、过程、遇到的问题等。这种训练为他们今后从事真正的嵌入式系统开发，在工作现场进行技术讨论交流奠定一定的基础。

对于参加竞赛、创新实践活动，或参加过企业嵌入式项目实习的学生，应当给予他们适当的附加成绩，以鼓励他们参与更多的嵌入式实践活动中。

2.4 创建特色化嵌入式课程体系

嵌入式课程实践性强、应用广泛，很容易与创新创业系列课程结合起来，实现多维度、多层次的嵌入式系统相关课程的实践项目的开展。以本专业培养方案中的课程设置为示例，在新生研讨课创业基础课程中，选取信息创新设计（Information Creation Design，ICD）系列课程，以讲座、小组讨论的形式提出方案，并进行设计重构、模型制作、推演测试等环节的实践，利用树莓派开发板套件等适合初学者的实验器材，让学生快速实现所设计的作品[8]。

随着专业课程的深入学习，可适时开设集中实践环节。让学生利用ARM开发板，或自己搭建单片机硬件电路，或利用PLC控制器等，完成系统设计及调试。对于有潜力的项目组，及时肯定他们提出的有创意的思想，并帮助他们优化和完善那些不成熟的想法。对于有潜力的项目，我们进行了专业的创新创业项目化训练，主要包括基本技能设置的基础性实践项目、各级各类创新创业项目、以创新创业孵化基地为平台的创新创业实战和实战演练。项目采用团队式指导、协作式学习的方式进行，以项目为载体，最终需要完成项目实物模型的设计与制作。通过此进阶式学习，学生的工程实践能力及创新创业能力得到了显著提高，项目的成熟度也大大提高，一大批具有一定商业价值，又切实可行的项目，如“自动分拣设备”“智能小车” “智慧家居”“多旋翼飞行器”“3D打印”“自动输液”“儿童晨检机器人”“智能篮球裁判员”等多种创新创业项目在经过反复的打磨后，脱颖而出。

带着这些项目，我们鼓励学生先后参加了包括“互联网+”大学生创新创业大赛、全国大学生电子设计大赛、飞思卡尔智能车大赛、iCAN创新创业大赛等诸多嵌入式创新实践赛事，并且有信心取得了很好的成绩。通过这种以赛促学的方式，学生可以体验到嵌入式系统开发从构思、设计、选件、实现、编码、测试的全流程。这钟宝贵的经历，不仅锻炼了学生的实践能力，也帮助学生建立了与企业沟通的渠道。学生不仅向企业展示了创新能力，也在企业的帮助下让产品向市场化方向进一步靠近。这不仅给学生就业带来了机会，也给企业注入了新的活力。

3 结语

嵌入式系统是一门集综合性、实践性、时效性、应用性于一体的课程。本文系统分析了嵌入式实验的传统教学中存在的不足，结合亲身在实验课程教学中的体会，在实验内容创新、教学方式改进、考核方法改革以及创建特色课程方面提出了一系列措施和方案，以适应嵌入式系统课程的特点，保持嵌入式实验的创新性和开放性，与时俱进，密切联系行业发展的应用场景，保证课程实验长期发展的活力和生命力。同时积极注重培养学生的创新能力、实践能力，以培养适应时代发展的创新型复合型嵌入式人才为己任，不断探索嵌入式实验课程的改革方向与创新。