工程教育理念下嵌入式系统课程设计教学改革与实践

2022-06-25孙伟张小瑞张自嘉邓志良

科技资讯 2022年13期

孙伟　张小瑞　张自嘉　邓志良

摘要：面向工程教育专业认证，针对传统嵌入式系统课程设计教学中存在的问题，提出采用案例化、个性化的授课方式，基于教师科研项目精心剪裁课程设计内容，基于能力和兴趣合理组建设计团队，制订面向团队的全视角考核评价方法，形成了“内容-过程-评价”三位一体的持续改进措施，充分调动了学生学习的主动性，促进教学活动从“教”到“学”的转变，取得了良好的教学效果。

关键词：嵌入式系统课程设计工程教育专业认证教学改革

中图分类号：G642.0 文献标识码：A文章编号：1672-3791（2022）07（a）-0000-00

Teaching Reform and Practice of Embedded System Course Design based on the Concept of Engineering Education

SUN Wei1， ZHANG Xiaorui2， 3， ZHANG Zijia1， DENGZhiliang1

（1. School of Automation， Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing，Jiangsu Province，210044， China;

2. Wuxi Research Institute， Nanjing University of Information Science & Technology， Wuxi Jiangsu Province，214100， China;

3. Engineering Research Center of Digital Forensics，Ministry of Education， Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing ，Jiangsu Province，210044， China）

Abstract： Towards the professional certification of engineering education， aiming at the existing problems in traditional embedded system course design， a set of reform measures based on content-process-evaluation are proposed， where case-based and personalized teaching methods are adopted， the contents of the course design are derived from teachers’ research projects and are reasonably tailored， development teams are established based on individual ability and interest， and a team-oriented full-view evaluation method is formulated. The proposed measures can adequately mobilize students’ initiative of learning， promote the transformation of teaching activities from “teaching” to “learning” and achieve favorable teaching results.

Key Words： Embedded system; Course design; Engineering education; Professional certification; teaching reform

工程教育是我國高等教育中不可或缺的重要一环，目前，以工程教育认证为基础的教学建设与改革受到了全国高校的广泛关注[1-2]。工程教育专业认证注重于学生的能力培养，强调“以学生为中心、成果为导向和持续改进”三个核心理念[3]。在这种全新的教育理念指导下，南京信息工程大学测控技术与仪器专业于2021年6月顺利通过工程教育专业认证专家的进校考察，同时也对该专业的实践课程改革提出了新的更高要求。

嵌入式系统课程设计是测控技术与仪器专业学生需要完成的项目内容最多、考察专业知识最全面、设计难度最高的综合性课程设计。采用工程教育新理念对嵌入式系统课程设计教学进行改革，能够从工程角度有效提高学生对测控系统概念的理解，激发学生的自主学习兴趣和勇于创新意识，培养学生综合运用所学专业知识解决复杂工程问题的能力。

1 教学过程中存在的问题

相较于工程教育的核心理念和认证标准，嵌入式系统课程设计的教学仍存在一些问题。

1.1 课程设计内容不够充实，工程背景不够突出

首先，原有设计内容大多依据基础理论知识进行制定，与实际工程应用相脱离，无法充分培养学生的实践能力[4]，很难做到学以致用[5]。其次，原来的嵌入式系统课程设计内容较简单，大多是一些演示性或验证性的实验，缺乏基于完整开发流程的设计[6-7]。由于设计内容简单，大多数同学可以在实验平台上根据实验说明轻松完成，缺乏培养学生分析问题和解决实际工程问题的能力。

1.2课程设计教学模式相对单一，师生之间沟通交流偏少

传统的课程设计教学大部分时间在实验室开展，教师按照课程设计指导书布置设计任务，然后由学生在实验室进行设计和实践，在设计过程中出现问题只能在现场请教老师指导[8]。这种教学方法在充分调动学生自主学习积极性方面稍有欠缺，难以激发他们的独立思考能力和勇于创新意识。此外，测控专业的嵌入式系统课程设计大都被集中安排在大三下学期的两周内完成。这样的课时安排过于集中，在课程设计期间学生不仅要上其他专业课，而且不少同学还要准备复习考研。学生在繁重的学习压力下，如果不能及时有效地解决遇到的问题，容易对学习失去兴趣。

1.3学生分组和任务分工不够合理，考核方式不够全面有效

在嵌入式系统课程设计教学中，教师为了方便管理，经常对学生进行简单分组，较少依据学生的兴趣、特点从能力培养角度对他们进行精细化分[9]。此外，对照工程教育专业认证标准，从多视角对学生进行多种能力考核方面还有待加强[10]，如以教师为主进行的考核不能科学量化而导致成绩评定的平均主义，过于关注设计技術指标的完成而轻视实践过程中创新精神和实践能力的培养[2，11]。

2教学改革思路

该文以工程教育的核心理念为指导，针对传统《嵌入式系统课程设计》教学过程中存在的薄弱点，通过教师科研项目的驱动，案例化、个性化教学的引导，全方位评价的保障形成三位一体的教学改革方案，以促进课程目标达成度的提升。总体改革框架如图1所示。

在具体的教学过程中，以学生为中心，融合教学内容、教学组织和教学评价三方面要素展开设计，具体教学过程如图2所示。从图2可以看出，该教学过程突出学生的自主性与互动性，不仅有利于培养学生的动手实践能力与创新意识，还有利于培养学生担当精神、自我约束能力和团队协作能力。具体改革思路如下。

2.1精心设计教学和实践内容

为了更好地实现课程设计的教学，需要对现有的课程内容进行充分筛选，仅保留少数实用的教学模块并结合具体案例进行讲解，同时借助实验室中的嵌入式试验箱或开发板提高学生的动手实践能力，充分发挥案例化教学的效果。另外，教学过程采用个性化教学，加强师生之间的互动交流，准确把握学生的知识基础和设计能力并对薄弱环节加以辅导，同时也为后续基于学生兴趣和特点的分组设计提供重要参考。

在实践内容选择方面，立足气象行业的人才需求，要求教师从实际科研项目中选择兼具气象专业特色且覆盖教学目标的复杂工程问题作为实践内容。然而教师的实际科研项目对本科生而言往往难度较大，因此在课程设计实施之前要对实际科研项目进行精心裁剪，不仅要减少项目的覆盖面，而且也要降低技术难度和深度。具体从项目技术指标、项目结构功能两个方面进行裁剪。

此外在对复杂工程问题的结构和功能进行裁剪时，也要根据教学内容对项目进行分级设置，明确项目中的必做，选做和提升部分，以照顾不同学生的学习情况和层次水平，通过课程设计既给基础比较差的学生带来信心和希望，又能激发优等生的创新活力，有针对性地提升每一位学生的学习能力。

2.2合理组建开发团队及分配设计任务

（1）基于能力和兴趣合理划分小组。课程设计注重培养学生在团队合作、成员沟通等方面能力，因此针对不同学生在硬件设计、软件设计、操作系统移植、系统调试等方面的兴趣和优势组成技能互补小组，以更好地达成课程设计目标。

（2）基于模块划分和难度分解进行任务分配。小组成员进行任务分配时遵循“集体决策，任务独立”的原则。集体决策综合考虑全组成员的建议，不但提升了决策的准确性和合理性，而且通过交流协作充分锻炼了学生的综合素养。任务独立给每个组员分配独立的设计任务，成员个人负责部分结构或功能的设计和开发，通过动手设计锻炼学生的专业技能。

2.3完善课程评价方法及反馈机制

制订嵌入式系统课程设计考核要求时，一方面要充分调动教师和学生的积极性与主动性，另一方面要以学生能力培养为出发点，保质保量完成教学任务。此外，在成果考核中，还应综合考虑学生的能力水平、努力程度、发展潜力等多方面因素，实现教师、学生全员参与的多量化考核。

具体要做好如下3个方面的相结合：

（1）目标考核和团队考核相结合。针对小组设计的实物成果，通过现场演示、答辩、技术指标等易于度量的考核目标对团队整体进行量化评价，在调动学生的学习主动性的同时促进团队成员之间的交流与合作。

（2）教师评价和学生评价相结合。教师对学生考勤、课程设计报告等个人任务完成情况进行评价，同时结合学生的自我评价、同组学生之间的评价等进行综合考量。教师评价和学生评价相结合不仅能够降低教师的主观偏见，提高考查的全面性，而且能够改善学生的人际关系，提高学术沟通能力。

（3）阶段性评价和终结性评价相结合。阶段性评价主要考察学生在各个设计阶段的学习主动性，通过考勤、小组讨论、执行进度等进行评价。终结性评价着重于学生设计作品的性能、结题答辩情况、个人设计报告等。依照课程设计的教学目标将阶段性评价和终结性评价按权重相结合，充分调动学生的积极性与创造性。

3教学改革实践

基于上述嵌入式系统课程设计的改革思路，该文作者对南京信息工程大学自动化学院测控技术与仪器专业的学生连续进行了三年的教学实践，取得了预期成效。经改革后该课程设计的教学设计如下。

3.1教学内容实践项目设计

首先，教学内容采用模块化教学，按照项目开发中常用的几个模块，如中断，I/O端口设计，定时器设计，中断系统设计，存储器设计，通讯接口设计等进行针对性的讲解。讲解过程选择在实验室进行，结合嵌入式系统试验箱和开发板中的相应模块进行讲解，边讲解边演示，加深同学们的印象，此外，针对上述重要的开发模块的设计方法，结合往届学生在设计开发过程容易出现的问题，专门录制相关教学和演示视频，让同学们课下还能对课堂上没听清楚的地方进一步进行巩固。其次，利用互联网工具，建立嵌入式系统课程设计学习QQ群，每天在规定时间进行1小时的在线答疑，解决学生在课程设计过程中遇到的难题。

其次，课程设计任务设定，从教师的实际科研项目中精心选择面向气象行业特色的、经过认真剪裁的研究内容作为嵌入式系统课程设计的题目。具体题目包括：基于ARM的环境温湿度检测系统设计，基于ARM的超声波风速测量仪设计，基于ARM的雨量计设计，基于ARM的大气辐射计设计。覆盖内容以ARM嵌入式系统的设计和开发为基本特征，考虑嵌入式系统的制作材料和成本、平衡系统的复杂度和开发周期。最终成果考核的技术指标被分解为14个可衡量、具有不同难度等级的指标：系统设计完整（是否）、调试完毕（是否）、文档规范完整（是否）、表述问题条理性（3级）、回答问题准确性（3级）、PCB板焊接水平（3级）、系统精度等级（3级）、功能可扩展性（3级），运行稳定性（3级）、特色和创新（3级）、硬件成本（元）、设计工时（分钟）、环境适应性（3级）、安全防护等级（3级）。这些考核指标在考核时不强调技术先进性，但包含了传统教育不太重视的非技术能力指标。

3.2课程实施方式设计

根据要设计的嵌入式系统所具有的功能，每班分为5～6个小组，每组4～5名学生。在分组时，鼓励大家结合布置的设计题目，根据自己的特长和兴趣自由协调组队并确定选题。为进一步优化团队构成，充分发挥个人专长，教师会根据自由组队的结果对相关团队进行个别调整。确定好团队和选题后，要求组内每名学生全程负责嵌入式系统中一个功能模块的设计，包括硬件电路设计、驱动程序编写、操作系统移植等。但是当遇到硬件选型或应用软件界面设计等总体任务时，由负责该方面的学生做前期准备，然后所有成员共同讨论、决策。在课程设计过程中，要求每周一次例会，例会要形成简化的会议纪要，包括本周总结、下周安排和具体整改措施。考虑到学生个性化要求，在课程设计经费和设备上要保证每个团队每个学生的需要，另外，将课程设计的期限延长至8周，实验室全天候开放，充分调动每一位同学参与课程设计的积极性，保障他们有充足的时间和资源来完成课程设计。

3.3课程评价方法制订

课程评价数据来自两方面，一是设计过程的阶段性评价数据，包括学生个人考勤成绩，每个团队的周例会评价。二是终结性评价数据，包括学生个人设计报告，个人自我评价，以及每个团队的实物制作演示和现场答辩成绩。其中个人考勤和个人设计报告属于教师直接评定的个人成绩，每个学生都要提交设计报告，主要写自己负责的模块，以及简要介绍自己负责模块同其他模块的联系。周例会评价、团队答辩和实物制作演示成绩属于教师直接评定的团队成绩。实物制作演示成绩的评定依据上述14个指标。最终依据周例会评价、团队答辩和实物制作演示情况，教师给每个团队一个分档打包分。如A档平均成绩设定为91，如果小组有4个人则打包分为364分。接着，小组成员自行协商按实际贡献进行打分，打分以贡献度（百分比）的形式给出，然后，根据每个成员的贡献度，将364分分配到每个团队成员（如可能为96、92、90、86）。最后将个人考勤成绩、设计报告成绩、个人自我评价成绩和团队分配成绩按照0.1、0.25、0.05、0.6权重进行计算，即可得到学生的综合评定成绩。

3.4课程实施效果分析

从实施效果来看，该文提出的方法能较好的实现该课程能力达成度的要求，不仅能突出学生的主体地位，激发学生参与课程设计的兴趣和动力，而且对专业知识、实践技能与协作精神、创新与应用意识、组织与管理观念等都能进行锻炼和培养。表1和表2分别是2020年实验班和对照班的学生成绩和教学评价对比结果。从表1可以看出，经过课程教学改革后，实验班学生的平均成绩相较于对照班有了明显提高，从表2中也不难发现，实验班学生对教师教学评价更为积极，评分结果也更高，说明该教学模式能够充分提高学生的学习积极性和主动性。

为增加区分度，分别取2018年、2019年2020年该专业3个班级的成绩进行分析。2018年为教学改革前成绩，2019年为初次改革后的成绩，2020年为改革措施完善后的成绩。其成绩正态分布如图3所示，总体变化趋势是收窄且右移。学生成绩趋于集中，说明通过制度保证了学生均能受到充分而均衡的锻炼，平均成绩稳中有升，说明学生学习兴趣和收获都在逐步增加。

此外，我们也统计了2018-2020年该专业学生上完嵌入式系统课程设计后参与“互联网+”大学生创新创业大赛、大学生电子设计竞赛，大学生机器人大赛并获奖的情况，2018年参加6人，获奖2人，2019年参加10人，获奖4人，2020年参加13人，获奖7人。

从上述数据中不难看到，学生在做完嵌入式系统课程设计后，他们的学习热情、实践能力、竞争意识和创新精神均得到明显提高。

4结语

该文结合南京信息工程大学的办学特色和测控技术与仪器专业的特点，面向工程教育专业认证，采用个性化、案例化的授课方式，基于教师科研项目精心剪裁课程设计内容，合理组建开发团队，制订面向团队的全视角考核评价方法，形成了内容-过程-评价融汇贯通的课程改革措施，教学实践验证了该方法能调动学生的学习主动性，激发其探究和创造的兴趣。

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