“新工科”背景下嵌入式系统课程教学模式探索

摘要：为了解决嵌入式系统专业学生实践能力不强、创新能力不足的问题，并加快推进新工科的建设。以学生关注的考核方式为着力点，对该课程的教育教学模式做出改进，将整个教学过程拆分为负责简单理论知识的基础阶段与负责提高学生实践能力的拓展阶段，并对该模式的教学体系和教学运行模式进行了探索。

关键词：课程教学改革；嵌入式系统；考核方式

中图分类号：G642.0 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）19-0165-03

0 引言

在“智能制造”和“人工智能”的大背景下，云计算、大数据和物联网等技术不断高速发展，为各行各业带来了数字变革，智慧交通、智能家居以及无人驾驶技术相继出现。为了适应高速发展的社会，不断革新教育教学方法，满足社会和国家对人才的需求。教育部在2016年提出“新工科”建设构想[1-4]。目前，人工智能、物联网和嵌入式系统深度融合构建的全面的完整的生态系统成为工业4.0时代的核心技术[5]。因此，如何在“新工科”的内涵和要求下更好地开展嵌入式系统课程的教学，不仅对高校学生的就业有推动作用，而且能对整个行业的发展提供助力。

嵌入式系统课程教育教学模式虽然加强了学生学习的过程管理，强调以学生为中心，但依然是教师向学生教授嵌入式系统领域的专业知识，很难调动学生学习的积极性[6-7]。大部分学生上课迷迷糊糊，下课合书走人从不复习，实验课上只会照着实验指导书敲代码，考前突击记忆。虽然学生能以这种方式通过考试，但是对今后的学习、工作和生活帮助不大。这种情况既造成了教育教学资源的浪费，也体现出目前的嵌入式系统课程教学模式已不适应社会的发展，不能满足社会和国家对人才的要求，到了必须做出改变，探索新的嵌入式系统教学模式的时候。新模式的目的是激发学生对嵌入式系统课程的学习兴趣，发挥学生的主观能动性，以兴趣为主导，以实验为中心，重点增强学生的实操能力，培养学生的思辨能力、创新能力。

1 嵌入式系统课程教学模式改革的必要性

嵌入式系统课程的目标是帮助学生掌握嵌入式系统的硬件设计、软件设计和系统综合设计能力，培养学生利用本课程分析和解决实际问题的能力。该课程的特点是理论知识主要描述芯片内部工作原理，抽象难懂；在软件设计方面，需要学生有扎实的C语言编程能力，对初学者非常不友好，上手难度大且需要长时间的锻炼才能看得到效果；在硬件设计方面，需要学生具备基础的数字电路和模拟电路知识，能够根据实际应用场景，选择最优的电路；除此之外，还需要学生掌握至少一种集成开发环境。一方面，嵌入式系统课程需要前置课程较多，课程学习难度大，需要长时间的锻炼才能看到效果的特点决定了该课程在目前的教育模式下，学生很难产生兴趣，大部分学生“摸鱼”现象严重[8]；另一方面，受上课学时的限制，学生学习到的嵌入式系统知识不完整，仅仅是嵌入式系统的入门知识，但是社会对从事嵌入式开发的要求很高，需要求职者理解常用通信协议，会编写驱动代码等。

高等学校虽然采用OBE等以学生发展为中心，以产出为导向的教育教学模式[9-10]，但是学校的教学考核方式没有发生变化，对嵌入式系统课程的考查主要以试卷为主，与该课程实践性非常强的特点不相符，无法起到督促学生提高实践能力的作用。以试卷考核为主的教学考查方式只适合考查学生对理论知识的理解程度，在考查学生编程能力时存在漏洞，不仅不能全面真实地反映学生对嵌入式课程的掌握程度，而且会给学生带来“考前临时突击，大量记忆就可以通过考试”的印象，使得更多的学生为了通过考试放弃提高实践能力，将大量的时间花费在死记硬背理论知识和代码上。学校教学与社会需求脱节，学生缺乏处理实际问题的能力，代码编写能力达不到企业要求。

针对以上存在的问题，如何培养学生成为有实践能力和创新意识的社会急需人才，是嵌入式系统课程教学考核模式改革的侧重点。通过对该课程的教学模式进行改进，在吸收传统教学模式优点的情况下紧跟社会潮流，培养出符合“新工科”要求的工科学生。

2 教学模式改进的总体思路

教学模式改进的总体上分为3个主要部分，分别是教学方法、教学过程和考核形式。教学方法的改进主要体现在将以前以教会学生为目的转变为以培养学生能力为目的，通过教学方法的改进，帮助学生提高动手实践和分析实际问题的能力。教学过程的改进主要体现在加强学生学习的过程管理，侧重培养学生分析和解决问题的能力，加强学生动手实操的意愿，通过不断地实际操作，逐渐培养学生的学习兴趣，激发学生不断学习的动力。考核形式不再以试卷为主而是改进为卷面分数和实操分数相结合，试卷主要体现学生的理论知识，实操则是学生完成实践任务的进度，在一定程度上起到提高学生分析和使用代码解决实际问题的作用。

在这3个部分中，考核形式是重点，教学方法和教学过程是辅助。不改变考核形式，只变动教学方法和教学过程是无效的。大部分学生的注意力集中在如何通过考试，如何能考高分，考核才是学生关注的重点。因此，只有从学生最关注的点出发，更改考核形式，才能充分调动学生的积极性，引导学生注重实践实操能力，提高学生分析和解决实际问题的能力。

3 基于考核方式的教学体系架构

基于考核方式的嵌入式系统课程教学体系架构由两个阶段，三个模块构成，如图1所示。教学体系主要分为两个阶段，基础阶段的目标是教会学生对嵌入式系统理论知识的理解、最基本的编程方法和编程思想，培养学生对嵌入式系统的感觉；拓展阶段的目的是培养学生独立分析问题和使用代码解决嵌入式系统相关问题的能力。通过调整基础阶段考核方式和拓展阶段考核方式的分值权重，督促学生将学习重点转移到代码编写和分析解决实际问题的能力上，提高学生实操能力。

基础阶段是理论学习的重点，该阶段是学生刚接触嵌入式系统课程，对嵌入式系统完全不了解的情况下，做出的科普性质的理论知识讲解。在该阶段，知识的传授是次要的，重点是不断列举与学生生活息息相关的例子，分析并使用嵌入式知识解决这些问题，一方面可以有效提高学生对嵌入式系统的兴趣，产生“我上我也行”的想法，有利于激发学生学习的兴趣；另一方面在分析问题的时候，讲解最基本的嵌入式系统理论知识，以科普为主，切忌讲解过于深奥的知识点，通过教师对基础理论知识点的讲解，让同学对嵌入式系统有浅薄的感性的认识，有利于培养学生的自信心，调动学生的积极性。该阶段的教学方法主要以引起学生兴趣为主，讲解嵌入式基础理论知识和最基本的GPIO口的程序编写；教学过程与传统方法一致，以教师上课传授知识为主；考核方式以试卷为主，主要考查学生对理论知识的掌握程度。

拓展阶段是学生学习的重点阶段。在该阶段，学生的重点是学习使用嵌入式系统的思维方式解决实际问题，在不断地练习和纠错中加深对嵌入式系统理论知识的理解程度。通常情况下，遇到问题后学生对理论知识的渴望会达到较高的状态，此时学生的主观能动性较高，对理论知识的学习和理解都能处在较为高效的状态，有助于帮助学生真正理解理论知识。在该阶段，教学方法应当采用引导为主，主要负责教会学生一般的嵌入式开发流程和解决问题的方法，培养学生独立解决问题和充分利用现有资源设计小实验分析排查问题的能力，养成通过互联网查询及解决问题的习惯。从传统的保姆式教学转变为引导式教学，真正地去提高学生实践能力。该阶段的教学过程管理主要是通过考查学生对实验项目的分析和完成程度来实现的。教师通过课上观察学生实际分析和处理问题的能力，观察学生遇到实际开发问题时，解决问题的方法给学生打分。这一阶段的考核形式主要以随机抽取题库中的编程题，学生规定时间内完成程度为考核指标，根据学生写出的代码质量和完成考核任务的数量打分。

两个阶段分别对应两种考核形式，基础阶段考试以试卷为主，考题来自书本知识，考查学生对嵌入式系统课程理论知识的掌握程度，卷面成绩以30%的权值计入考核总成绩；拓展阶段以实验考试为主，考题来自高校教师自己组织的题库和企业兼职导师提供的企业面临的实际问题的拆分，充分考虑现实场景，在允许学生使用网络的情况下，要求学生在规定时间内解决随机抽取到的实验项目，教师则根据学生提交的代码按照解决问题的难度和深度给学生打分，分值按照70%计入考核成绩。以学生最关注的考核作为着力点，通过改变传统的考核方式，增加实验考核并提高实验考核分值占比，引起学生重视。为了通过考核，学生才会从传统的死记硬背的学习模式转变为动手实操。只有学生不断投入时间和精力去解决问题，才能真正学习到嵌入式系统的知识，才能真正提高编写代码的能力，并最终达到“新工科”的要求。

将整个教学过程分为两个阶段，其最大优势在于能有效提高学生的学习兴趣，避免学生过早接触到抽象的理论知识，培养学生独立分析和解决问题的能力，并将学习模式和思维转变为工程模式和工程思维。

4 基于考核方式的教学运行架构

在教学领域，仅有体系架构是不完整的，还需要完整的运行架构。教学体系架构阐述了教学过程应经历的阶段及各阶段的重点，而教学运行架构的目的则在于确保体系架构得到正确执行，并通过一系列措施持续激励学生学习，以达成预期目标。基于考核方式的运行架构如图2所示。

由图2可知，基于考试方式的教学运行架构图的本质是利用上瘾模型刺激学生，达到让学生学习上瘾的目的。教学运行框架主要由四部分组成，各个部分相互关联、互相推进，构成完整的闭环。学习的第一步是触发，在基础教学阶段，教师通过分析学生日常生活中遇到的问题，激发学生解决问题的欲望，产生解决问题的想法；有解决问题的欲望，就会做出行动。教师在这一阶段的主要任务是根据学生的学习情况将大的任务切分成小任务，降低学生完成的任务的难度，使得学生能够在较轻松的环境中完成这些简单的任务，逐渐培养学生的自信心；完成每一个小任务后，可以适当奖励学生，比如公开表扬等，使得完成任务的学生可以在同学钦佩的目光中获得自豪感；为了保持自豪感，完成任务的学生将愿意投入更多的时间在嵌入式系统的实验上，获得更多的成就；未完成任务的同学不得不认真追赶进度。随着时间的投入，学生使用嵌入式系统知识分析和解决问题的能力不断提高，获得的成就感也会越强，这会进一步激发学生学习嵌入式系统知识的愿望。

该运行架构的最大优势是可以形成闭环，只需要前期督促学生顺利走完四个步骤，建立起良性循环，让学生体会到学习带来的自豪感和满足感，就可以不断刺激学生在嵌入式系统课程上投入更多的时间和精力，让学生真正喜欢上学习，真正热爱嵌入式系统课程。此外，一旦该模型被学生接受，也可以迁移至其他学科或者课程，帮助学生建立良好的学习习惯，有利于学生养成终身学习的思想。

当整个教学运行架构执行后，教师需要完成的工作是不断根据学生的水平调节“行动”这一部分任务被划分的程度。随着学生对嵌入式知识和实践能力的加强，能够完成的任务也逐渐复杂起来，直到能够解决企业面临的问题，达到社会和“新工科”对嵌入式专业的高校学生的要求。

5 结束语

根据“新工科”的要求，以国内学生最关注的考核方式为着力点，通过加入实验考试的方式，督促学生加强实操能力，真正做到培养学生使用嵌入式知识分析和解决实际问题的能力，使其成为社会和国家急需的人才。为保证学生能够终身学习并不断进步，总结出一套学习模型，通过对上瘾模型的迁移与改造，将其应用于学习领域，帮助学生建立起良好的学习习惯，在较为轻松的环境中学习到嵌入式系统的知识。事实证明，该教学模式更加符合嵌入式系统课程的学习过程，有效避免了因门槛过高而造成的劝退现象，有利于培养学生对嵌入式课程的兴趣。

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【通联编辑：梁书】