面向新工科的嵌入式实践课程改革与实践

李德兴 王玉松 邢东洋

(中国民航大学 工程技术训练中心, 天津 300300)

随着信息技术的发展和教育理念的更新,高等工程教育经历了多次转型,从“技术范式”转换为“科学范式”,继而转换为“工程范式”[1]。2016年,卓越工程师培育计划的升级版“新工科”概念被提出,我国高校进入了“新工科”建设和发展时期[2]。新工科的推动和实施,旨在适应以新技术、新业态、新模式、新产业为代表的新经济发展,对深化我国工程教育改革、建设工程教育强国、服务和支撑我国经济转型升级具有重大意义[3-4]。2018年,教育部提出了“金课”概念,要求提升大学生的学业挑战度,合理增加课程难度,拓展课程深度,扩大课程的可选择性,真正把“金课”转变成有深度、有难度、有挑战度的“金课”[5]。

嵌入式系统在智能应用领域具有很大的优势,但嵌入式课程普遍存在与工程应用脱节的问题,国内许多高校对嵌入式实践课程进行了改革[6-7],改进教学平台、教学方法等,其目的在于将新工科建设引入嵌入式课程,培养学生的工程应用能力和创新能力。中国民航大学嵌入式实践课程组通过分析课程中存在的不足,按照新工科建设的标准要求,对该课程进行了全面改革,调整授课内容,改进授课方式,挖掘该课程的“高阶性”“创新性”和“挑战度”,努力打造嵌入式实践“金课”。

1 传统嵌入式课程中存在的问题

嵌入式系统定义为:以应用为中心,以计算机技术为基础,软硬件可裁剪,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。

新工科建设开展后,对嵌入式实践课程提出了新的要求。课程建设,“新”是取向,要求课程具有新理念,能够应对变化,引领创新;要求课程建设具有新的途径,能够做到继承与创新、交叉与融合、协调与共享;要求具有新的教学手段,能够充分调动学生主动学习的积极性。嵌入式实践课程综合性、实践性较强,对授课教师的要求很高,对学生的知识储备和学习能力要求也很高,教学难度较大。对比新工科建设对本课程的要求,发现课程的不足之处主要表现在以下几方面:

1.1 教学观念落后

在授课过程中,教师安排实验内容,带领学生按步骤进行实验,还保留着传统的以教师为中心开展教学活动的方式,没有做到以学生为课堂主体,调动其积极性开展自主学习,学生不会独立思考,不去质疑,没有创新思维。

1.2 教学内容陈旧

原有的教学内容局限性大,缺乏创新性,与实践和应用脱节,不能满足市场和产业对人才培养的要求。课程内容缺乏高阶性、创新性,没有挑战度,对后续课程的学习不能提供足够的支撑,没有达到学习收获期望。

1.3 教学模式单一

现有的教学模式不能跟上信息化、网络化技术发展的脚步。教师课堂讲解,提供相关资料,学生按照步骤进行操作,验证结果。没有充分利用公开课等线上资源,教学形式缺乏先进性和互动性。

1.4 考核方法不够客观

课程结束后,一般根据学生的实验结果确定成绩,对其学习过程的考核不足,同时由于“搭车”现象导致成绩判定不公正公平,成绩不能反映最终的学习效果。

综上所述,改变课程现状,提升挑战度,挖掘课程深度,进而培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维模式,是教学中急需解决的问题。

2 课程改革主要内容

针对嵌入式实践课程的特点和存在的问题,基于“新工科”对课程建设的要求,借鉴其他院校新工科建设的先进经验,从教学内容、教学模式、考核方法等方面对该课程进行改革。

2.1 以新工科建设为导向明确教学目标

新工科对学科的创新实用性、交叉综合性与成果导向性有很高的要求,嵌入式课程属于交叉学科,与信息通信、电子控制、软件设计等技术紧密结合。通过深入调研,确定嵌入式实践课程的教学目标是:紧密结合学科前沿,了解嵌入式系统开发的相关技术,掌握相关学科的基本知识;以成果为导向,通过团队协作的方式完成学习目标,使学生具备嵌入式系统应用项目的开发能力。

2.2 结合典型应用,更新教学内容

教学设计和教学实施的核心目标要直指通过教学活动最终取得的学习成果。嵌入式系统涉及知识范围较广,教学活动中需要根据不同专业开设相应的实验内容。中国民航大学教学改革从更新嵌入式开发平台、开设专业契合度高的实验项目两方面入手。

1)重构实验平台

选择STM32开发板结合外围器件构建实验平台,基于该平台可以开设嵌入式课程所涉及的大部分实验,包括嵌入式操作系统、传感器应用、通信系统、网络应用等。程序编写语言为C语言,避免了学生重新学习编程语言的问题,节约课时。

2)更新实验内容

按照专业能力培养目标级别不同进行分层,设定实验内容,构建“三-三”课程教学架构,如图1所示。实验项目分为三层,不同级别对应培养不同的工程能力。第一层为基础实验,学习嵌入式相关基础知识,旨在培养学生的基本学习能力;第二层为综合实验,由几个基础实验组合构建,培养学生综合应用能力,例如通过串口接收上位机信息,控制传感器、红外、无线数据传输模块完成一定的任务;第三层为项目实训,基于综合实验进行二次开发,学生以团队形式完成,培养学生创新设计和团队协作能力。

图1 “三-三”课程教学架构

项目实训内容包括雷达模拟系统、飞机选择呼叫模拟系统等与学生所学通信工程专业契合度较高的实训项目。要求学生基于嵌入式平台,自主设计完成。雷达模拟系统开发需要学生掌握相关传感器的应用,引导学生深入学习超声波传感器测距原理,并通过算法优化实现精确测距;飞机选择呼叫模拟系统需要学生掌握该系统的工作原理,结合数字译码、模拟放大、射频传输、滤波器等相关知识,实现选择呼叫功能。项目实训锻炼学生的综合应用能力,实现了不同课程内容之间的交叉融合,难度等同于本科毕业设计,具有较高的挑战度和创新性。

以雷达模拟项目为例,要求能够探测出80 cm内的物体,实时显示在PC机屏幕上。项目涵盖综合实验中的电机控制、传感器控制、上位机通信等,同时需要对探测到的数据进行优化,发送到上位机,上位机需要编写显示程序,模拟雷达探物的显示界面。每组学生分工明确,分别负责项目管理、硬件驱动、软件编写等工作,协同完成。对于学有余力的学生,鼓励其编写APP手机应用程序,把PC机的显示程序转移到手机端,教师提供APP开发例程和框架代码,帮助学生完成APP开发。

2.3 “线上线下结合”,改进教学模式

单一的课堂教学活动不能满足教学需要,在加强课堂教学建设的同时,开展“线上”课程建设,进行“线上线下混合式”教学。具体方案如下:课堂讲解嵌入式系统基础知识、应用项目开发流程,重点讲解综合实验;学生通过慕课、公开课等线上教学资源学习基础实验内容;采用翻转课堂形式进行项目实训,由教师布置任务,提出考核指标,学生自行设计方案,与教师讨论完善并实施,完成项目达到设计指标,撰写项目总结报告,进行实物演示答辩。表1显示了不同授课方式相对于学生的能力养成。

表1 授课方式与能力培养对照表

通过项目实训,要求学生线上完成基础知识学习,线下开展项目实做,使学生从“做中学”,切身体会嵌入式系统应用项目开发的完整过程,学生在项目开发时从“问题”入手,寻找解决方案,培养学生的创新实践能力,同时训练学生的设计报告撰写能力,为今后的学习工作提前做好准备。

为了提高教师的教学能力,同时让学生了解更多的嵌入式应用信息,开展校企联合培养模式,“走出去,请进来”,派遣任课教师去企业进行培训,学习嵌入式发展最前沿的技术,了解应用前景。聘请企业中参与嵌入式应用项目开发的专业人员来校授课,讲解实际应用项目的开发流程,让学生感受实际的项目运作,激发学生的学习热情。

2.4 注重过程考核,改进考核方法

改革前,对于学生的成绩判断主观性较大,只要学生参与学习,完成实验内容,就能得到较好的成绩,缺乏公平性和客观性。改革后,成绩由个人完成部分和小组完成部分组成。表2给出了总成绩判定方案,按照该方案制定成绩考核表对学生学习情况进行考核。

表2 成绩判定基本方案

3 改革成效分析

新的教学模式和考核方式带来了较好的教学效果,达到了预定的教学目标,受到学生好评。课程结束后,通过不记名的学习达成度问卷调查,让学生反馈自己的学习成效,统计结果如图2所示,90%以上的学生对学习效果满意,表示知识量和工程应用能力都有所增长。

图2 嵌入式学习达成度反馈结果

在2018～2019第一学期,随机抽取4个班级学生进行了问卷调查,请学生对课程教学模式和考核方式进行客观评价,表3为根据参与评价情况得出的改革认可度调查结果,从调查结果可以得出结论,97%的学生对本次教学改革表示满意。学生们表示:通过课程学习,对嵌入式系统开发有了一个全新的认识,理论课上枯燥的寄存器、中断等术语,变成了形象直观的控制对象,对嵌入式系统开发产生了浓厚的兴趣,同时也锻炼了自己的自主学习和查阅资料的能力。

表3 改革方式认可度统计表

选修本课程的部分学生参与了电子设计大赛和智能车竞赛,获得全国电子设计大赛二等奖和天津市电子设计大赛一等奖,恩智浦杯智能车竞赛优秀奖,获奖学生反馈通过本课程学习,对参与比赛起到了一定的帮助,提升了自身创新设计能力。

课程改革同时极大地提高了教师的授课能力和项目开发能力,通过参与教改和企业培训,教师反映自身工程应用能力有了显著提高。

4 进一步改革思路

4.1 挖掘课程深度,开发新的实验项目

嵌入式系统应用广泛,发展迅速,在教学中需要紧跟市场步伐,把最前沿的应用成果介绍给学生,激励学生的学习热情。深入挖掘课程内容,开发新实验项目,可以提供给学生更多的选择和挑战。同时,根据项目难易程度不同,可以对考核方式进一步细化,不同难度对应不同成绩系数,想要得高分就需要付出更多的努力去挑战困难的项目。

4.2 加强线上教学建设,拓展教学资源

现有的教学资源不够丰富。根据实验内容开发更多的有针对性的教学资源,使学生在线上学习时有的放矢,牢固掌握课程中的基础实验部分,弥补课堂学习中学时不足的现象。同时,引入线上学习监控系统,为学生的平时成绩判定提供参考依据,完善实验过程量化考核。

4.3 增加开放实验,共享教学成果

嵌入式课程改革是新工科建设在中国民航大学的一项成功应用案例,其教学模式和成效应该向其他课程推广。建议增加开放实验学时,吸引更多的学生学习嵌入式课程。学生有好的创意和项目也可以带入课程中进行交流,实现学习成果的共享。

5 结语

基于新工科建设要求开展的嵌入式课程改革,能够带领学生深入学习嵌入式系统的相关知识,对于学生的自主学习能力和创新意识培养起到了重要作用。通过重构课程教学架构和更新教学方法,有效地调动了学生的学习积极性,激发了学生的学习兴趣。考核方法改革注重学生的学习过程评价,体现了考核的公平公正性,对学生的学习起到了督促作用。通过改革,教师和学生都有所收获,为打造中国民航大学“嵌入式金课”做出了积极探索,为其他课程进行新工科建设探索提供了参考方案。