面向新工科的嵌入式實(shí)踐課程改革與實(shí)踐

李德興 王玉松 邢東洋

(中國(guó)民航大學(xué) 工程技術(shù)訓(xùn)練中心, 天津 300300)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展和教育理念的更新,高等工程教育經(jīng)歷了多次轉(zhuǎn)型,從“技術(shù)范式”轉(zhuǎn)換為“科學(xué)范式”,繼而轉(zhuǎn)換為“工程范式”[1]。2016年,卓越工程師培育計(jì)劃的升級(jí)版“新工科”概念被提出,我國(guó)高校進(jìn)入了“新工科”建設(shè)和發(fā)展時(shí)期[2]。新工科的推動(dòng)和實(shí)施,旨在適應(yīng)以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟(jì)發(fā)展,對(duì)深化我國(guó)工程教育改革、建設(shè)工程教育強(qiáng)國(guó)、服務(wù)和支撐我國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)具有重大意義[3-4]。2018年,教育部提出了“金課”概念,要求提升大學(xué)生的學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)度,合理增加課程難度,拓展課程深度,擴(kuò)大課程的可選擇性,真正把“金課”轉(zhuǎn)變成有深度、有難度、有挑戰(zhàn)度的“金課”[5]。

嵌入式系統(tǒng)在智能應(yīng)用領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢(shì),但嵌入式課程普遍存在與工程應(yīng)用脫節(jié)的問(wèn)題,國(guó)內(nèi)許多高校對(duì)嵌入式實(shí)踐課程進(jìn)行了改革[6-7],改進(jìn)教學(xué)平臺(tái)、教學(xué)方法等,其目的在于將新工科建設(shè)引入嵌入式課程,培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。中國(guó)民航大學(xué)嵌入式實(shí)踐課程組通過(guò)分析課程中存在的不足,按照新工科建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)要求,對(duì)該課程進(jìn)行了全面改革,調(diào)整授課內(nèi)容,改進(jìn)授課方式,挖掘該課程的“高階性”“創(chuàng)新性”和“挑戰(zhàn)度”,努力打造嵌入式實(shí)踐“金課”。

1 傳統(tǒng)嵌入式課程中存在的問(wèn)題

嵌入式系統(tǒng)定義為:以應(yīng)用為中心,以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ),軟硬件可裁剪,適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

新工科建設(shè)開展后,對(duì)嵌入式實(shí)踐課程提出了新的要求。課程建設(shè),“新”是取向,要求課程具有新理念,能夠應(yīng)對(duì)變化,引領(lǐng)創(chuàng)新;要求課程建設(shè)具有新的途徑,能夠做到繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享;要求具有新的教學(xué)手段,能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性。嵌入式實(shí)踐課程綜合性、實(shí)踐性較強(qiáng),對(duì)授課教師的要求很高,對(duì)學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備和學(xué)習(xí)能力要求也很高,教學(xué)難度較大。對(duì)比新工科建設(shè)對(duì)本課程的要求,發(fā)現(xiàn)課程的不足之處主要表現(xiàn)在以下幾方面:

1.1 教學(xué)觀念落后

在授課過(guò)程中,教師安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,帶領(lǐng)學(xué)生按步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn),還保留著傳統(tǒng)的以教師為中心開展教學(xué)活動(dòng)的方式,沒(méi)有做到以學(xué)生為課堂主體,調(diào)動(dòng)其積極性開展自主學(xué)習(xí),學(xué)生不會(huì)獨(dú)立思考,不去質(zhì)疑,沒(méi)有創(chuàng)新思維。

1.2 教學(xué)內(nèi)容陳舊

原有的教學(xué)內(nèi)容局限性大,缺乏創(chuàng)新性,與實(shí)踐和應(yīng)用脫節(jié),不能滿足市場(chǎng)和產(chǎn)業(yè)對(duì)人才培養(yǎng)的要求。課程內(nèi)容缺乏高階性、創(chuàng)新性,沒(méi)有挑戰(zhàn)度,對(duì)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)不能提供足夠的支撐,沒(méi)有達(dá)到學(xué)習(xí)收獲期望。

1.3 教學(xué)模式單一

現(xiàn)有的教學(xué)模式不能跟上信息化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)發(fā)展的腳步。教師課堂講解,提供相關(guān)資料,學(xué)生按照步驟進(jìn)行操作,驗(yàn)證結(jié)果。沒(méi)有充分利用公開課等線上資源,教學(xué)形式缺乏先進(jìn)性和互動(dòng)性。

1.4 考核方法不夠客觀

課程結(jié)束后,一般根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定成績(jī),對(duì)其學(xué)習(xí)過(guò)程的考核不足,同時(shí)由于“搭車”現(xiàn)象導(dǎo)致成績(jī)判定不公正公平,成績(jī)不能反映最終的學(xué)習(xí)效果。

綜上所述,改變課程現(xiàn)狀,提升挑戰(zhàn)度,挖掘課程深度,進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的綜合能力和高級(jí)思維模式,是教學(xué)中急需解決的問(wèn)題。

2 課程改革主要內(nèi)容

針對(duì)嵌入式實(shí)踐課程的特點(diǎn)和存在的問(wèn)題,基于“新工科”對(duì)課程建設(shè)的要求,借鑒其他院校新工科建設(shè)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、考核方法等方面對(duì)該課程進(jìn)行改革。

2.1 以新工科建設(shè)為導(dǎo)向明確教學(xué)目標(biāo)

新工科對(duì)學(xué)科的創(chuàng)新實(shí)用性、交叉綜合性與成果導(dǎo)向性有很高的要求,嵌入式課程屬于交叉學(xué)科,與信息通信、電子控制、軟件設(shè)計(jì)等技術(shù)緊密結(jié)合。通過(guò)深入調(diào)研,確定嵌入式實(shí)踐課程的教學(xué)目標(biāo)是:緊密結(jié)合學(xué)科前沿,了解嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的相關(guān)技術(shù),掌握相關(guān)學(xué)科的基本知識(shí);以成果為導(dǎo)向,通過(guò)團(tuán)隊(duì)協(xié)作的方式完成學(xué)習(xí)目標(biāo),使學(xué)生具備嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用項(xiàng)目的開發(fā)能力。

2.2 結(jié)合典型應(yīng)用,更新教學(xué)內(nèi)容

教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施的核心目標(biāo)要直指通過(guò)教學(xué)活動(dòng)最終取得的學(xué)習(xí)成果。嵌入式系統(tǒng)涉及知識(shí)范圍較廣,教學(xué)活動(dòng)中需要根據(jù)不同專業(yè)開設(shè)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。中國(guó)民航大學(xué)教學(xué)改革從更新嵌入式開發(fā)平臺(tái)、開設(shè)專業(yè)契合度高的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)煞矫嫒胧帧?/p>

1)重構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

選擇STM32開發(fā)板結(jié)合外圍器件構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái),基于該平臺(tái)可以開設(shè)嵌入式課程所涉及的大部分實(shí)驗(yàn),包括嵌入式操作系統(tǒng)、傳感器應(yīng)用、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等。程序編寫語(yǔ)言為C語(yǔ)言,避免了學(xué)生重新學(xué)習(xí)編程語(yǔ)言的問(wèn)題,節(jié)約課時(shí)。

2)更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

按照專業(yè)能力培養(yǎng)目標(biāo)級(jí)別不同進(jìn)行分層,設(shè)定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,構(gòu)建“三-三”課程教學(xué)架構(gòu),如圖1所示。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為三層,不同級(jí)別對(duì)應(yīng)培養(yǎng)不同的工程能力。第一層為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn),學(xué)習(xí)嵌入式相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí),旨在培養(yǎng)學(xué)生的基本學(xué)習(xí)能力;第二層為綜合實(shí)驗(yàn),由幾個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)組合構(gòu)建,培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用能力,例如通過(guò)串口接收上位機(jī)信息,控制傳感器、紅外、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊完成一定的任務(wù);第三層為項(xiàng)目實(shí)訓(xùn),基于綜合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行二次開發(fā),學(xué)生以團(tuán)隊(duì)形式完成,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

圖1 “三-三”課程教學(xué)架構(gòu)

項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)內(nèi)容包括雷達(dá)模擬系統(tǒng)、飛機(jī)選擇呼叫模擬系統(tǒng)等與學(xué)生所學(xué)通信工程專業(yè)契合度較高的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。要求學(xué)生基于嵌入式平臺(tái),自主設(shè)計(jì)完成。雷達(dá)模擬系統(tǒng)開發(fā)需要學(xué)生掌握相關(guān)傳感器的應(yīng)用,引導(dǎo)學(xué)生深入學(xué)習(xí)超聲波傳感器測(cè)距原理,并通過(guò)算法優(yōu)化實(shí)現(xiàn)精確測(cè)距;飛機(jī)選擇呼叫模擬系統(tǒng)需要學(xué)生掌握該系統(tǒng)的工作原理,結(jié)合數(shù)字譯碼、模擬放大、射頻傳輸、濾波器等相關(guān)知識(shí),實(shí)現(xiàn)選擇呼叫功能。項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)鍛煉學(xué)生的綜合應(yīng)用能力,實(shí)現(xiàn)了不同課程內(nèi)容之間的交叉融合,難度等同于本科畢業(yè)設(shè)計(jì),具有較高的挑戰(zhàn)度和創(chuàng)新性。

以雷達(dá)模擬項(xiàng)目為例,要求能夠探測(cè)出80 cm內(nèi)的物體,實(shí)時(shí)顯示在PC機(jī)屏幕上。項(xiàng)目涵蓋綜合實(shí)驗(yàn)中的電機(jī)控制、傳感器控制、上位機(jī)通信等,同時(shí)需要對(duì)探測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化,發(fā)送到上位機(jī),上位機(jī)需要編寫顯示程序,模擬雷達(dá)探物的顯示界面。每組學(xué)生分工明確,分別負(fù)責(zé)項(xiàng)目管理、硬件驅(qū)動(dòng)、軟件編寫等工作,協(xié)同完成。對(duì)于學(xué)有余力的學(xué)生,鼓勵(lì)其編寫APP手機(jī)應(yīng)用程序,把PC機(jī)的顯示程序轉(zhuǎn)移到手機(jī)端,教師提供APP開發(fā)例程和框架代碼,幫助學(xué)生完成APP開發(fā)。

2.3 “線上線下結(jié)合”,改進(jìn)教學(xué)模式

單一的課堂教學(xué)活動(dòng)不能滿足教學(xué)需要,在加強(qiáng)課堂教學(xué)建設(shè)的同時(shí),開展“線上”課程建設(shè),進(jìn)行“線上線下混合式”教學(xué)。具體方案如下:課堂講解嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)、應(yīng)用項(xiàng)目開發(fā)流程,重點(diǎn)講解綜合實(shí)驗(yàn);學(xué)生通過(guò)慕課、公開課等線上教學(xué)資源學(xué)習(xí)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容;采用翻轉(zhuǎn)課堂形式進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)訓(xùn),由教師布置任務(wù),提出考核指標(biāo),學(xué)生自行設(shè)計(jì)方案,與教師討論完善并實(shí)施,完成項(xiàng)目達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo),撰寫項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告,進(jìn)行實(shí)物演示答辯。表1顯示了不同授課方式相對(duì)于學(xué)生的能力養(yǎng)成。

表1 授課方式與能力培養(yǎng)對(duì)照表

通過(guò)項(xiàng)目實(shí)訓(xùn),要求學(xué)生線上完成基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí),線下開展項(xiàng)目實(shí)做,使學(xué)生從“做中學(xué)”,切身體會(huì)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用項(xiàng)目開發(fā)的完整過(guò)程,學(xué)生在項(xiàng)目開發(fā)時(shí)從“問(wèn)題”入手,尋找解決方案,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力,同時(shí)訓(xùn)練學(xué)生的設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫能力,為今后的學(xué)習(xí)工作提前做好準(zhǔn)備。

為了提高教師的教學(xué)能力,同時(shí)讓學(xué)生了解更多的嵌入式應(yīng)用信息,開展校企聯(lián)合培養(yǎng)模式,“走出去,請(qǐng)進(jìn)來(lái)”,派遣任課教師去企業(yè)進(jìn)行培訓(xùn),學(xué)習(xí)嵌入式發(fā)展最前沿的技術(shù),了解應(yīng)用前景。聘請(qǐng)企業(yè)中參與嵌入式應(yīng)用項(xiàng)目開發(fā)的專業(yè)人員來(lái)校授課,講解實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目的開發(fā)流程,讓學(xué)生感受實(shí)際的項(xiàng)目運(yùn)作,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

2.4 注重過(guò)程考核,改進(jìn)考核方法

改革前,對(duì)于學(xué)生的成績(jī)判斷主觀性較大,只要學(xué)生參與學(xué)習(xí),完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,就能得到較好的成績(jī),缺乏公平性和客觀性。改革后,成績(jī)由個(gè)人完成部分和小組完成部分組成。表2給出了總成績(jī)判定方案,按照該方案制定成績(jī)考核表對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)情況進(jìn)行考核。

表2 成績(jī)判定基本方案

3 改革成效分析

新的教學(xué)模式和考核方式帶來(lái)了較好的教學(xué)效果,達(dá)到了預(yù)定的教學(xué)目標(biāo),受到學(xué)生好評(píng)。課程結(jié)束后,通過(guò)不記名的學(xué)習(xí)達(dá)成度問(wèn)卷調(diào)查,讓學(xué)生反饋?zhàn)约旱膶W(xué)習(xí)成效,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示,90%以上的學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)效果滿意,表示知識(shí)量和工程應(yīng)用能力都有所增長(zhǎng)。

圖2 嵌入式學(xué)習(xí)達(dá)成度反饋結(jié)果

在2018～2019第一學(xué)期,隨機(jī)抽取4個(gè)班級(jí)學(xué)生進(jìn)行了問(wèn)卷調(diào)查,請(qǐng)學(xué)生對(duì)課程教學(xué)模式和考核方式進(jìn)行客觀評(píng)價(jià),表3為根據(jù)參與評(píng)價(jià)情況得出的改革認(rèn)可度調(diào)查結(jié)果,從調(diào)查結(jié)果可以得出結(jié)論,97%的學(xué)生對(duì)本次教學(xué)改革表示滿意。學(xué)生們表示:通過(guò)課程學(xué)習(xí),對(duì)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)有了一個(gè)全新的認(rèn)識(shí),理論課上枯燥的寄存器、中斷等術(shù)語(yǔ),變成了形象直觀的控制對(duì)象,對(duì)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)產(chǎn)生了濃厚的興趣,同時(shí)也鍛煉了自己的自主學(xué)習(xí)和查閱資料的能力。

表3 改革方式認(rèn)可度統(tǒng)計(jì)表

選修本課程的部分學(xué)生參與了電子設(shè)計(jì)大賽和智能車競(jìng)賽,獲得全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽二等獎(jiǎng)和天津市電子設(shè)計(jì)大賽一等獎(jiǎng),恩智浦杯智能車競(jìng)賽優(yōu)秀獎(jiǎng),獲獎(jiǎng)學(xué)生反饋通過(guò)本課程學(xué)習(xí),對(duì)參與比賽起到了一定的幫助,提升了自身創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

課程改革同時(shí)極大地提高了教師的授課能力和項(xiàng)目開發(fā)能力,通過(guò)參與教改和企業(yè)培訓(xùn),教師反映自身工程應(yīng)用能力有了顯著提高。

4 進(jìn)一步改革思路

4.1 挖掘課程深度,開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用廣泛,發(fā)展迅速,在教學(xué)中需要緊跟市場(chǎng)步伐,把最前沿的應(yīng)用成果介紹給學(xué)生,激勵(lì)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。深入挖掘課程內(nèi)容,開發(fā)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,可以提供給學(xué)生更多的選擇和挑戰(zhàn)。同時(shí),根據(jù)項(xiàng)目難易程度不同,可以對(duì)考核方式進(jìn)一步細(xì)化,不同難度對(duì)應(yīng)不同成績(jī)系數(shù),想要得高分就需要付出更多的努力去挑戰(zhàn)困難的項(xiàng)目。

4.2 加強(qiáng)線上教學(xué)建設(shè),拓展教學(xué)資源

現(xiàn)有的教學(xué)資源不夠豐富。根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容開發(fā)更多的有針對(duì)性的教學(xué)資源,使學(xué)生在線上學(xué)習(xí)時(shí)有的放矢,牢固掌握課程中的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部分,彌補(bǔ)課堂學(xué)習(xí)中學(xué)時(shí)不足的現(xiàn)象。同時(shí),引入線上學(xué)習(xí)監(jiān)控系統(tǒng),為學(xué)生的平時(shí)成績(jī)判定提供參考依據(jù),完善實(shí)驗(yàn)過(guò)程量化考核。

4.3 增加開放實(shí)驗(yàn),共享教學(xué)成果

嵌入式課程改革是新工科建設(shè)在中國(guó)民航大學(xué)的一項(xiàng)成功應(yīng)用案例,其教學(xué)模式和成效應(yīng)該向其他課程推廣。建議增加開放實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí),吸引更多的學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式課程。學(xué)生有好的創(chuàng)意和項(xiàng)目也可以帶入課程中進(jìn)行交流,實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)成果的共享。

5 結(jié)語(yǔ)

基于新工科建設(shè)要求開展的嵌入式課程改革,能夠帶領(lǐng)學(xué)生深入學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí),對(duì)于學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)起到了重要作用。通過(guò)重構(gòu)課程教學(xué)架構(gòu)和更新教學(xué)方法,有效地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣?？己朔椒ǜ母镒⒅貙W(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程評(píng)價(jià),體現(xiàn)了考核的公平公正性,對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)起到了督促作用。通過(guò)改革,教師和學(xué)生都有所收獲,為打造中國(guó)民航大學(xué)“嵌入式金課”做出了積極探索,為其他課程進(jìn)行新工科建設(shè)探索提供了參考方案。