“新工科”背景下嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)模式探索

摘要：為了解決嵌入式系統(tǒng)專業(yè)學(xué)生實(shí)踐能力不強(qiáng)、創(chuàng)新能力不足的問題，并加快推進(jìn)新工科的建設(shè)。以學(xué)生關(guān)注的考核方式為著力點(diǎn)，對(duì)該課程的教育教學(xué)模式做出改進(jìn)，將整個(gè)教學(xué)過程拆分為負(fù)責(zé)簡單理論知識(shí)的基礎(chǔ)階段與負(fù)責(zé)提高學(xué)生實(shí)踐能力的拓展階段，并對(duì)該模式的教學(xué)體系和教學(xué)運(yùn)行模式進(jìn)行了探索。

關(guān)鍵詞：課程教學(xué)改革；嵌入式系統(tǒng)；考核方式

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）19-0165-03

0 引言

在“智能制造”和“人工智能”的大背景下，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)不斷高速發(fā)展，為各行各業(yè)帶來了數(shù)字變革，智慧交通、智能家居以及無人駕駛技術(shù)相繼出現(xiàn)。為了適應(yīng)高速發(fā)展的社會(huì)，不斷革新教育教學(xué)方法，滿足社會(huì)和國家對(duì)人才的需求。教育部在2016年提出“新工科”建設(shè)構(gòu)想[1-4]。目前，人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式系統(tǒng)深度融合構(gòu)建的全面的完整的生態(tài)系統(tǒng)成為工業(yè)4.0時(shí)代的核心技術(shù)[5]。因此，如何在“新工科”的內(nèi)涵和要求下更好地開展嵌入式系統(tǒng)課程的教學(xué)，不僅對(duì)高校學(xué)生的就業(yè)有推動(dòng)作用，而且能對(duì)整個(gè)行業(yè)的發(fā)展提供助力。

嵌入式系統(tǒng)課程教育教學(xué)模式雖然加強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的過程管理，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，但依然是教師向?qū)W生教授嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，很難調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性[6-7]。大部分學(xué)生上課迷迷糊糊，下課合書走人從不復(fù)習(xí)，實(shí)驗(yàn)課上只會(huì)照著實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書敲代碼，考前突擊記憶。雖然學(xué)生能以這種方式通過考試，但是對(duì)今后的學(xué)習(xí)、工作和生活幫助不大。這種情況既造成了教育教學(xué)資源的浪費(fèi)，也體現(xiàn)出目前的嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)模式已不適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展，不能滿足社會(huì)和國家對(duì)人才的要求，到了必須做出改變，探索新的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)模式的時(shí)候。新模式的目的是激發(fā)學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)課程的學(xué)習(xí)興趣，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，以興趣為主導(dǎo)，以實(shí)驗(yàn)為中心，重點(diǎn)增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)操能力，培養(yǎng)學(xué)生的思辨能力、創(chuàng)新能力。

1 嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)模式改革的必要性

嵌入式系統(tǒng)課程的目標(biāo)是幫助學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)能力，培養(yǎng)學(xué)生利用本課程分析和解決實(shí)際問題的能力。該課程的特點(diǎn)是理論知識(shí)主要描述芯片內(nèi)部工作原理，抽象難懂；在軟件設(shè)計(jì)方面，需要學(xué)生有扎實(shí)的C語言編程能力，對(duì)初學(xué)者非常不友好，上手難度大且需要長時(shí)間的鍛煉才能看得到效果；在硬件設(shè)計(jì)方面，需要學(xué)生具備基礎(chǔ)的數(shù)字電路和模擬電路知識(shí)，能夠根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，選擇最優(yōu)的電路；除此之外，還需要學(xué)生掌握至少一種集成開發(fā)環(huán)境。一方面，嵌入式系統(tǒng)課程需要前置課程較多，課程學(xué)習(xí)難度大，需要長時(shí)間的鍛煉才能看到效果的特點(diǎn)決定了該課程在目前的教育模式下，學(xué)生很難產(chǎn)生興趣，大部分學(xué)生“摸魚”現(xiàn)象嚴(yán)重[8]；另一方面，受上課學(xué)時(shí)的限制，學(xué)生學(xué)習(xí)到的嵌入式系統(tǒng)知識(shí)不完整，僅僅是嵌入式系統(tǒng)的入門知識(shí)，但是社會(huì)對(duì)從事嵌入式開發(fā)的要求很高，需要求職者理解常用通信協(xié)議，會(huì)編寫驅(qū)動(dòng)代碼等。

高等學(xué)校雖然采用OBE等以學(xué)生發(fā)展為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向的教育教學(xué)模式[9-10]，但是學(xué)校的教學(xué)考核方式?jīng)]有發(fā)生變化，對(duì)嵌入式系統(tǒng)課程的考查主要以試卷為主，與該課程實(shí)踐性非常強(qiáng)的特點(diǎn)不相符，無法起到督促學(xué)生提高實(shí)踐能力的作用。以試卷考核為主的教學(xué)考查方式只適合考查學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解程度，在考查學(xué)生編程能力時(shí)存在漏洞，不僅不能全面真實(shí)地反映學(xué)生對(duì)嵌入式課程的掌握程度，而且會(huì)給學(xué)生帶來“考前臨時(shí)突擊，大量記憶就可以通過考試”的印象，使得更多的學(xué)生為了通過考試放棄提高實(shí)踐能力，將大量的時(shí)間花費(fèi)在死記硬背理論知識(shí)和代碼上。學(xué)校教學(xué)與社會(huì)需求脫節(jié)，學(xué)生缺乏處理實(shí)際問題的能力，代碼編寫能力達(dá)不到企業(yè)要求。

針對(duì)以上存在的問題，如何培養(yǎng)學(xué)生成為有實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)的社會(huì)急需人才，是嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)考核模式改革的側(cè)重點(diǎn)。通過對(duì)該課程的教學(xué)模式進(jìn)行改進(jìn)，在吸收傳統(tǒng)教學(xué)模式優(yōu)點(diǎn)的情況下緊跟社會(huì)潮流，培養(yǎng)出符合“新工科”要求的工科學(xué)生。

2 教學(xué)模式改進(jìn)的總體思路

教學(xué)模式改進(jìn)的總體上分為3個(gè)主要部分，分別是教學(xué)方法、教學(xué)過程和考核形式。教學(xué)方法的改進(jìn)主要體現(xiàn)在將以前以教會(huì)學(xué)生為目的轉(zhuǎn)變?yōu)橐耘囵B(yǎng)學(xué)生能力為目的，通過教學(xué)方法的改進(jìn)，幫助學(xué)生提高動(dòng)手實(shí)踐和分析實(shí)際問題的能力。教學(xué)過程的改進(jìn)主要體現(xiàn)在加強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的過程管理，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力，加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)操的意愿，通過不斷地實(shí)際操作，逐漸培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生不斷學(xué)習(xí)的動(dòng)力。考核形式不再以試卷為主而是改進(jìn)為卷面分?jǐn)?shù)和實(shí)操分?jǐn)?shù)相結(jié)合，試卷主要體現(xiàn)學(xué)生的理論知識(shí)，實(shí)操則是學(xué)生完成實(shí)踐任務(wù)的進(jìn)度，在一定程度上起到提高學(xué)生分析和使用代碼解決實(shí)際問題的作用。

在這3個(gè)部分中，考核形式是重點(diǎn)，教學(xué)方法和教學(xué)過程是輔助。不改變考核形式，只變動(dòng)教學(xué)方法和教學(xué)過程是無效的。大部分學(xué)生的注意力集中在如何通過考試，如何能考高分，考核才是學(xué)生關(guān)注的重點(diǎn)。因此，只有從學(xué)生最關(guān)注的點(diǎn)出發(fā)，更改考核形式，才能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，引導(dǎo)學(xué)生注重實(shí)踐實(shí)操能力，提高學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力。

3 基于考核方式的教學(xué)體系架構(gòu)

基于考核方式的嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)體系架構(gòu)由兩個(gè)階段，三個(gè)模塊構(gòu)成，如圖1所示。教學(xué)體系主要分為兩個(gè)階段，基礎(chǔ)階段的目標(biāo)是教會(huì)學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)理論知識(shí)的理解、最基本的編程方法和編程思想，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)的感覺；拓展階段的目的是培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題和使用代碼解決嵌入式系統(tǒng)相關(guān)問題的能力。通過調(diào)整基礎(chǔ)階段考核方式和拓展階段考核方式的分值權(quán)重，督促學(xué)生將學(xué)習(xí)重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到代碼編寫和分析解決實(shí)際問題的能力上，提高學(xué)生實(shí)操能力。

基礎(chǔ)階段是理論學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，該階段是學(xué)生剛接觸嵌入式系統(tǒng)課程，對(duì)嵌入式系統(tǒng)完全不了解的情況下，做出的科普性質(zhì)的理論知識(shí)講解。在該階段，知識(shí)的傳授是次要的，重點(diǎn)是不斷列舉與學(xué)生生活息息相關(guān)的例子，分析并使用嵌入式知識(shí)解決這些問題，一方面可以有效提高學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)的興趣，產(chǎn)生“我上我也行”的想法，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣；另一方面在分析問題的時(shí)候，講解最基本的嵌入式系統(tǒng)理論知識(shí)，以科普為主，切忌講解過于深?yuàn)W的知識(shí)點(diǎn)，通過教師對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)點(diǎn)的講解，讓同學(xué)對(duì)嵌入式系統(tǒng)有淺薄的感性的認(rèn)識(shí)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的自信心，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。該階段的教學(xué)方法主要以引起學(xué)生興趣為主，講解嵌入式基礎(chǔ)理論知識(shí)和最基本的GPIO口的程序編寫；教學(xué)過程與傳統(tǒng)方法一致，以教師上課傳授知識(shí)為主；考核方式以試卷為主，主要考查學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握程度。

拓展階段是學(xué)生學(xué)習(xí)的重點(diǎn)階段。在該階段，學(xué)生的重點(diǎn)是學(xué)習(xí)使用嵌入式系統(tǒng)的思維方式解決實(shí)際問題，在不斷地練習(xí)和糾錯(cuò)中加深對(duì)嵌入式系統(tǒng)理論知識(shí)的理解程度。通常情況下，遇到問題后學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的渴望會(huì)達(dá)到較高的狀態(tài)，此時(shí)學(xué)生的主觀能動(dòng)性較高，對(duì)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)和理解都能處在較為高效的狀態(tài)，有助于幫助學(xué)生真正理解理論知識(shí)。在該階段，教學(xué)方法應(yīng)當(dāng)采用引導(dǎo)為主，主要負(fù)責(zé)教會(huì)學(xué)生一般的嵌入式開發(fā)流程和解決問題的方法，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立解決問題和充分利用現(xiàn)有資源設(shè)計(jì)小實(shí)驗(yàn)分析排查問題的能力，養(yǎng)成通過互聯(lián)網(wǎng)查詢及解決問題的習(xí)慣。從傳統(tǒng)的保姆式教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)式教學(xué)，真正地去提高學(xué)生實(shí)踐能力。該階段的教學(xué)過程管理主要是通過考查學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的分析和完成程度來實(shí)現(xiàn)的。教師通過課上觀察學(xué)生實(shí)際分析和處理問題的能力，觀察學(xué)生遇到實(shí)際開發(fā)問題時(shí)，解決問題的方法給學(xué)生打分。這一階段的考核形式主要以隨機(jī)抽取題庫中的編程題，學(xué)生規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成程度為考核指標(biāo)，根據(jù)學(xué)生寫出的代碼質(zhì)量和完成考核任務(wù)的數(shù)量打分。

兩個(gè)階段分別對(duì)應(yīng)兩種考核形式，基礎(chǔ)階段考試以試卷為主，考題來自書本知識(shí)，考查學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)課程理論知識(shí)的掌握程度，卷面成績以30%的權(quán)值計(jì)入考核總成績；拓展階段以實(shí)驗(yàn)考試為主，考題來自高校教師自己組織的題庫和企業(yè)兼職導(dǎo)師提供的企業(yè)面臨的實(shí)際問題的拆分，充分考慮現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，在允許學(xué)生使用網(wǎng)絡(luò)的情況下，要求學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)解決隨機(jī)抽取到的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，教師則根據(jù)學(xué)生提交的代碼按照解決問題的難度和深度給學(xué)生打分，分值按照70%計(jì)入考核成績。以學(xué)生最關(guān)注的考核作為著力點(diǎn)，通過改變傳統(tǒng)的考核方式，增加實(shí)驗(yàn)考核并提高實(shí)驗(yàn)考核分值占比，引起學(xué)生重視。為了通過考核，學(xué)生才會(huì)從傳統(tǒng)的死記硬背的學(xué)習(xí)模式轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)手實(shí)操。只有學(xué)生不斷投入時(shí)間和精力去解決問題，才能真正學(xué)習(xí)到嵌入式系統(tǒng)的知識(shí)，才能真正提高編寫代碼的能力，并最終達(dá)到“新工科”的要求。

將整個(gè)教學(xué)過程分為兩個(gè)階段，其最大優(yōu)勢(shì)在于能有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，避免學(xué)生過早接觸到抽象的理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析和解決問題的能力，并將學(xué)習(xí)模式和思維轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ棠Ｊ胶凸こ趟季S。

4 基于考核方式的教學(xué)運(yùn)行架構(gòu)

在教學(xué)領(lǐng)域，僅有體系架構(gòu)是不完整的，還需要完整的運(yùn)行架構(gòu)。教學(xué)體系架構(gòu)闡述了教學(xué)過程應(yīng)經(jīng)歷的階段及各階段的重點(diǎn)，而教學(xué)運(yùn)行架構(gòu)的目的則在于確保體系架構(gòu)得到正確執(zhí)行，并通過一系列措施持續(xù)激勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)，以達(dá)成預(yù)期目標(biāo)?；诳己朔绞降倪\(yùn)行架構(gòu)如圖2所示。

由圖2可知，基于考試方式的教學(xué)運(yùn)行架構(gòu)圖的本質(zhì)是利用上癮模型刺激學(xué)生，達(dá)到讓學(xué)生學(xué)習(xí)上癮的目的。教學(xué)運(yùn)行框架主要由四部分組成，各個(gè)部分相互關(guān)聯(lián)、互相推進(jìn)，構(gòu)成完整的閉環(huán)。學(xué)習(xí)的第一步是觸發(fā)，在基礎(chǔ)教學(xué)階段，教師通過分析學(xué)生日常生活中遇到的問題，激發(fā)學(xué)生解決問題的欲望，產(chǎn)生解決問題的想法；有解決問題的欲望，就會(huì)做出行動(dòng)。教師在這一階段的主要任務(wù)是根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況將大的任務(wù)切分成小任務(wù)，降低學(xué)生完成的任務(wù)的難度，使得學(xué)生能夠在較輕松的環(huán)境中完成這些簡單的任務(wù)，逐漸培養(yǎng)學(xué)生的自信心；完成每一個(gè)小任務(wù)后，可以適當(dāng)獎(jiǎng)勵(lì)學(xué)生，比如公開表揚(yáng)等，使得完成任務(wù)的學(xué)生可以在同學(xué)欽佩的目光中獲得自豪感；為了保持自豪感，完成任務(wù)的學(xué)生將愿意投入更多的時(shí)間在嵌入式系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)上，獲得更多的成就；未完成任務(wù)的同學(xué)不得不認(rèn)真追趕進(jìn)度。隨著時(shí)間的投入，學(xué)生使用嵌入式系統(tǒng)知識(shí)分析和解決問題的能力不斷提高，獲得的成就感也會(huì)越強(qiáng)，這會(huì)進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)知識(shí)的愿望。

該運(yùn)行架構(gòu)的最大優(yōu)勢(shì)是可以形成閉環(huán)，只需要前期督促學(xué)生順利走完四個(gè)步驟，建立起良性循環(huán)，讓學(xué)生體會(huì)到學(xué)習(xí)帶來的自豪感和滿足感，就可以不斷刺激學(xué)生在嵌入式系統(tǒng)課程上投入更多的時(shí)間和精力，讓學(xué)生真正喜歡上學(xué)習(xí)，真正熱愛嵌入式系統(tǒng)課程。此外，一旦該模型被學(xué)生接受，也可以遷移至其他學(xué)科或者課程，幫助學(xué)生建立良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，有利于學(xué)生養(yǎng)成終身學(xué)習(xí)的思想。

當(dāng)整個(gè)教學(xué)運(yùn)行架構(gòu)執(zhí)行后，教師需要完成的工作是不斷根據(jù)學(xué)生的水平調(diào)節(jié)“行動(dòng)”這一部分任務(wù)被劃分的程度。隨著學(xué)生對(duì)嵌入式知識(shí)和實(shí)踐能力的加強(qiáng)，能夠完成的任務(wù)也逐漸復(fù)雜起來，直到能夠解決企業(yè)面臨的問題，達(dá)到社會(huì)和“新工科”對(duì)嵌入式專業(yè)的高校學(xué)生的要求。

5 結(jié)束語

根據(jù)“新工科”的要求，以國內(nèi)學(xué)生最關(guān)注的考核方式為著力點(diǎn)，通過加入實(shí)驗(yàn)考試的方式，督促學(xué)生加強(qiáng)實(shí)操能力，真正做到培養(yǎng)學(xué)生使用嵌入式知識(shí)分析和解決實(shí)際問題的能力，使其成為社會(huì)和國家急需的人才。為保證學(xué)生能夠終身學(xué)習(xí)并不斷進(jìn)步，總結(jié)出一套學(xué)習(xí)模型，通過對(duì)上癮模型的遷移與改造，將其應(yīng)用于學(xué)習(xí)領(lǐng)域，幫助學(xué)生建立起良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，在較為輕松的環(huán)境中學(xué)習(xí)到嵌入式系統(tǒng)的知識(shí)。事實(shí)證明，該教學(xué)模式更加符合嵌入式系統(tǒng)課程的學(xué)習(xí)過程，有效避免了因門檻過高而造成的勸退現(xiàn)象，有利于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)嵌入式課程的興趣。

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【通聯(lián)編輯：梁書】