協(xié)同育人下嵌入式系統(tǒng)課程改革淺論
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摘要：分析嵌入式系統(tǒng)課程改革的必要性，提出改革目標(biāo)，從重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容、改革教學(xué)方法及課程考核評價方式方面介紹協(xié)同育人模式下的嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)改革措施，給出相應(yīng)的教學(xué)方法，說明課程改革特色與效果。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；OBE；協(xié)同育人；教學(xué)改革
0引言
物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，是傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合發(fā)展的高級形式。物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生大數(shù)據(jù)，逐步形成了云計算、人工智能、區(qū)塊鏈、虛擬現(xiàn)實等新興技術(shù)相互疊加的科技爆炸時代。嵌入式是物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)的基礎(chǔ)，旨在實現(xiàn)萬物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)處理操作都是通過嵌入式的技術(shù)去實現(xiàn)的，換而言之，物聯(lián)網(wǎng)就是嵌入式產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)化。嵌入式系統(tǒng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于國防、國民經(jīng)濟(jì)及社會生活各領(lǐng)域，為企業(yè)、軍隊、辦公室、實驗室以及個人家庭等各種場所實現(xiàn)智能化的控制和管理提供技術(shù)解決方案。在此背景下，掌握物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術(shù)的人才必將受到應(yīng)用型高校和高新技術(shù)企業(yè)的重用，也意味著這類人才不僅要具有扎實的學(xué)科與專業(yè)基礎(chǔ)知識，更應(yīng)具備很強的技術(shù)與工程實踐能力。
1嵌入式系統(tǒng)課程改革的必要性和目標(biāo)
目前國內(nèi)各大高校的自動化、計算機、電子信息等專業(yè)中都開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)課程，也有不少學(xué)校開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)，其中也包含嵌入式課程。由于該課程需要微機原理、C語言和操作系統(tǒng)等先修課程知識，因此主要開設(shè)在大三下或大四上。教學(xué)方式多為理論課程加實驗課程，但教學(xué)內(nèi)容尚無統(tǒng)一規(guī)范，或注重概念性、基礎(chǔ)性的入門教學(xué)；或側(cè)重ARM體系結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)；或偏重嵌入式操作系統(tǒng)，以Linux及應(yīng)用開發(fā)為主[1]。另外，學(xué)生基礎(chǔ)差異大，有的是計算機專業(yè)，軟件知識扎實，但硬件知識缺乏；有的是自動化或電子通信工程專業(yè)，硬件知識學(xué)習(xí)得多，而軟件工程、操作系統(tǒng)方面的軟件知識缺乏。顯然，對于嵌入式系統(tǒng)這種實踐性較強的課程來說，以理論教學(xué)為主、實驗教學(xué)為輔的傳統(tǒng)教學(xué)方式難以滿足嵌入式系統(tǒng)人才實踐動手能力的培養(yǎng)需求。當(dāng)前大學(xué)的實踐教學(xué)仍未受到足夠重視，驗證性實驗較多，設(shè)計性、綜合性實驗較少，沒有完全建立起結(jié)合理論教學(xué)的實踐教學(xué)體系，從而導(dǎo)致人才培養(yǎng)質(zhì)量難以滿足應(yīng)用型人才需求。目前對于課程成績的考核主要還是以試卷為主，但實踐性較強的課程單憑理論考試的方法難以衡量學(xué)生的真實學(xué)習(xí)能力，難以檢驗課程的效果，更無法促進(jìn)學(xué)生提高動手能力的自覺性。因此，如何引導(dǎo)學(xué)生靈活運用嵌入式系統(tǒng)的知識去解決具體的問題成為課程改革的目標(biāo)。近幾年，工程教育專業(yè)認(rèn)證成為我國工科專業(yè)培養(yǎng)人才的基本制度，以工程教育認(rèn)證的理念和標(biāo)準(zhǔn)對嵌入式系統(tǒng)課程實踐體系進(jìn)行改革和創(chuàng)新，能提高學(xué)生的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力[2]。文獻(xiàn)[3]中提出基于OBE模式重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容、改革教學(xué)方式和改進(jìn)考核評價方式，但每個學(xué)校有具體的校情，學(xué)生層次也不盡相同，因此，需要結(jié)合本校學(xué)生的特點和課程實際情況來改革。文獻(xiàn)[4]中基于工程教育認(rèn)證要求根據(jù)嵌入式課程特點提出一系列實踐教學(xué)改革措施，工程實踐能力培養(yǎng)成為嵌入式系統(tǒng)課程的目標(biāo)之一。文獻(xiàn)[5]中根據(jù)嵌入式系統(tǒng)課程遇到的問題提出線上線下混合教學(xué)與項目制教學(xué)方法培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力。文獻(xiàn)[6]中從系統(tǒng)能力培養(yǎng)出發(fā)，改革了嵌入式系統(tǒng)的知識體系、教學(xué)方法和創(chuàng)新實踐。文獻(xiàn)[7]中針對理論與實踐脫節(jié)的現(xiàn)狀，結(jié)合實驗內(nèi)容調(diào)整課堂教學(xué)內(nèi)容。文獻(xiàn)[8]中以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標(biāo)對課程教學(xué)體系、實驗及實踐教學(xué)進(jìn)行改革。為解決傳統(tǒng)授課模式片面性與行業(yè)發(fā)展對人才要求全面性的矛盾，筆者與廣州粵嵌通信科技股份有限公司開展校企合作協(xié)同育人，進(jìn)一步貫徹落實《國務(wù)院辦公廳關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》文件精神，深入推進(jìn)產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人，推動高校人才培養(yǎng)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展緊密結(jié)合，探索符合學(xué)校實際情況的嵌入式系統(tǒng)課程改革。
2協(xié)同育人模式下的嵌入式系統(tǒng)課程改革措施
2.1理論教學(xué)內(nèi)容改進(jìn)與設(shè)計
2.1.1增加嵌入式課程導(dǎo)論。在教學(xué)過程中，引入職業(yè)前沿信息，培養(yǎng)學(xué)生的基本職業(yè)素養(yǎng)，幫助其熟悉專業(yè)相關(guān)行業(yè)的發(fā)展、具體工作模式、人才素養(yǎng)要求以及平均薪資水平等各種信息，為其今后的職業(yè)選擇、人生規(guī)劃打下良好基礎(chǔ)。結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的前沿發(fā)展設(shè)置相關(guān)學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)課時、學(xué)習(xí)目標(biāo)，以此驅(qū)動學(xué)生了解行業(yè)新動態(tài)，學(xué)習(xí)行業(yè)前沿知識和新興的技術(shù)。通過與合作企業(yè)協(xié)調(diào)，派遣嵌入式系統(tǒng)工程師入校，企業(yè)導(dǎo)師講授課程導(dǎo)論并與學(xué)生課堂交流，通過技術(shù)分析讓學(xué)生初步接觸嵌入式課程并大致了解課程重點；以技術(shù)成果展示的方式讓學(xué)生感受嵌入式技術(shù)的大致應(yīng)用范圍及領(lǐng)域，清楚嵌入式技術(shù)的用途及應(yīng)用方法；同時介紹企業(yè)文化和行業(yè)動態(tài)來開拓學(xué)生視野，并讓他們對專業(yè)及就業(yè)方向有所了解，避免理論與實際應(yīng)用脫節(jié)。2.1.2將傳統(tǒng)課后習(xí)題的作業(yè)形式改為嵌入式。系統(tǒng)項目方案設(shè)計嵌入式系統(tǒng)課程以應(yīng)用為中心，實踐性和工程性強，往往難以通過課后習(xí)題的形式幫助學(xué)生理解和掌握課程知識點，因此將理論知識與實際需求以及當(dāng)前最新技術(shù)緊密相連，以實際的工程背景問題進(jìn)行專題研究與討論，根據(jù)工程認(rèn)證要求，鍛煉學(xué)生設(shè)計開發(fā)系統(tǒng)解決方案、使用現(xiàn)代工具、項目管理與科學(xué)應(yīng)用及團(tuán)隊溝通協(xié)作能力，幫助其理解和運用課堂知識解決實際問題，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高聯(lián)系實際的動手能力以及自行分析問題、解決問題的能力。2.1.3結(jié)合多個主流教材確定課程內(nèi)容。由于嵌入式技術(shù)日新月異，軟硬件更迭較快，因此不拘泥于單本教材，而選用多本主流參考教材，挑選其中重要的章節(jié)內(nèi)容講授，與時俱進(jìn)，實時增加新內(nèi)容，處理器硬件平臺從S3C2440更新到S5PV210。
2.2實踐教學(xué)內(nèi)容改進(jìn)與設(shè)計
校企協(xié)同育人過程中，學(xué)校與企業(yè)培育模式不盡相同，企業(yè)更注重實踐能力的培養(yǎng)。在學(xué)校與企業(yè)的雙重育人的條件下，如何協(xié)調(diào)在教學(xué)改革過程中與企業(yè)對接的方式以及企業(yè)工程師如何切入實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，課堂的教學(xué)內(nèi)容如何與課堂的實踐結(jié)合起來，以何種方式結(jié)合起來既能在學(xué)生接受范圍之內(nèi)又能實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，以上問題變得異常重要。為此，可以增設(shè)項目實訓(xùn)環(huán)節(jié)，由企業(yè)提供實訓(xùn)題目和硬件平臺，學(xué)生根據(jù)項目的要求進(jìn)行實際代碼編寫、硬件測試功能，項目完成后進(jìn)行項目答辯，并提交項目說明書。實訓(xùn)環(huán)節(jié)由企業(yè)工程師主導(dǎo)完成，在嵌入式ARM平臺、觸摸屏和傳感器組成的最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，全面深入地對行業(yè)內(nèi)廣泛使用的嵌入式系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行深入學(xué)習(xí)和項目實踐；使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中通過實際操作對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)有深刻的理解和掌握。
2.3課程考核指標(biāo)設(shè)計
將課程理論考試改為依據(jù)全程監(jiān)控的理念進(jìn)行考核。課程考核包括4個部分，分別為出勤、作業(yè)、實驗和項目實訓(xùn)，具體要求及評分方法如下。（1）出勤：理論課程的講授均要求學(xué)生參與并簽到，不得缺勤。課堂考勤占總成績的10%。（2）作業(yè)：課程有1次大作業(yè)，根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用場景設(shè)計對應(yīng)的解決方案，要求學(xué)生必須獨立完成并在規(guī)定時間內(nèi)提交。作業(yè)成績占總成績的10%。（3）實驗：課程設(shè)有8次實驗課，16學(xué)時，要求學(xué)生認(rèn)真準(zhǔn)備，全程參與，獨立完成并按時提交實驗報告。實驗成績占總成績的30%。（4）項目實訓(xùn)：嵌入式項目設(shè)計運行結(jié)果功能測試及答辯，提交設(shè)計報告，共占總成績的50%。
3教學(xué)方法與實踐
3.1案例式教學(xué)法
針對嵌入式系統(tǒng)課程較強的實踐性特征，引入案例教學(xué)法，對于不同知識點采用差異性教學(xué)方法[9]，如嵌入式系統(tǒng)工程設(shè)計章節(jié)，通過將教學(xué)內(nèi)容設(shè)計成案例教學(xué)內(nèi)容來改進(jìn)教學(xué)效果[10]，見表1。
3.2研討式教學(xué)法
為進(jìn)一步加深學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)三要素及其廣泛應(yīng)用的理解，將課后作業(yè)改為根據(jù)嵌入式系統(tǒng)工程設(shè)計原則和方法面向某一具體應(yīng)用設(shè)計嵌入式系統(tǒng)方案并進(jìn)行研討，從智能交通、智慧城市、智能電網(wǎng)、智能農(nóng)業(yè)、工業(yè)4.0、物聯(lián)網(wǎng)、智能家居等方向?qū)ふ覇栴}并提出嵌入式系統(tǒng)解決方案，其要點包含：①項目需求分析，包含系統(tǒng)的設(shè)計目的、系統(tǒng)的主要功能、系統(tǒng)的成本要求、系統(tǒng)的功耗要求、系統(tǒng)的主要參數(shù)要求、系統(tǒng)的尺寸和重量要求；②結(jié)構(gòu)設(shè)計，對整個系統(tǒng)進(jìn)行整體架構(gòu)上的設(shè)計，從軟件和硬件兩個方面描述。實施方案是首先通過世界大學(xué)城網(wǎng)絡(luò)教學(xué)空間或者課程中心布置方案設(shè)計任務(wù)，學(xué)生通過查找資料自行設(shè)計解決方案并提交，期限為1個月；然后由任課教師引導(dǎo)，每位學(xué)生在課堂上用PPT展示方案并討論；最后，由學(xué)生集體投票評選出最終成績，極大地調(diào)動了學(xué)生的參與性和積極性。
3.3項目實訓(xùn)教學(xué)法
講座式的教育教學(xué)方式和項目驅(qū)動的實驗實踐方法可以培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、實踐創(chuàng)新能力和團(tuán)隊協(xié)作能力[11]。可從項目實訓(xùn)環(huán)節(jié)入手，采用“知識講授+項目實踐”的教學(xué)模式提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的工程能力[12-13]。由協(xié)同育人企業(yè)提供實訓(xùn)題目和自主研發(fā)的硬件平臺GEC210，項目詳細(xì)要求見表2。通過項目硬件平臺，指導(dǎo)學(xué)生正確使用項目開發(fā)板，了解開發(fā)板的環(huán)境配置與編程；針對項目具體內(nèi)容進(jìn)行理論指導(dǎo)，梳理每個項目開發(fā)的具體流程，演示項目中共同的編程基礎(chǔ)，如圖片顯示控制程序原理、LCD屏使用基本步驟、LCD屏點擊與滑動編程原理。實訓(xùn)項目驅(qū)動流程如圖1所示，使學(xué)生在掌握嵌入式技術(shù)的基礎(chǔ)上，以應(yīng)用為中心，從產(chǎn)品角度出發(fā)，掌握電子技術(shù)、計算機技術(shù)、軟件工程等技術(shù)的交叉應(yīng)用，建立產(chǎn)品研發(fā)的整體思路及流程，將理論應(yīng)用到實際中，為學(xué)生將來就業(yè)、創(chuàng)業(yè)打下技術(shù)基礎(chǔ)。同時，促進(jìn)學(xué)生養(yǎng)成科學(xué)的工作態(tài)度、良好的工作習(xí)慣和團(tuán)隊合作精神。
3.4課程改革特色與效果
3.4.1以實際應(yīng)用為導(dǎo)向的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計。將企業(yè)前沿技術(shù)引進(jìn)課堂，通過企業(yè)實際項目成果展示、企業(yè)項目工程師與學(xué)生交流、項目開發(fā)板引入等多種方式，彌補了傳統(tǒng)教學(xué)與工程應(yīng)用脫節(jié)、學(xué)生課堂學(xué)習(xí)與職業(yè)要求脫節(jié)、課本理論知識與市場前沿要求脫節(jié)等缺陷。3.4.2更具實際效果的課程考核方法，切實提升學(xué)生的實踐能力。考慮到課程偏重于應(yīng)用，課程實驗主要針對于基礎(chǔ)操作，通過引入項目，極大地提高了學(xué)生的動手能力，加強了學(xué)生對基礎(chǔ)知識的掌握和應(yīng)用，避免了“為考試而學(xué)習(xí)”“考完就忘”等徒勞無功的現(xiàn)象；項目驗收中的另一新穎點在于最終成果以答辯方式進(jìn)行展示，鍛煉學(xué)生表達(dá)、應(yīng)變能力。3.4.3以課程學(xué)習(xí)為導(dǎo)向，助力學(xué)生職業(yè)規(guī)劃與未來就業(yè)。通過此類課程改革，學(xué)生牢固掌握相關(guān)技術(shù)，具備基本開發(fā)經(jīng)驗，結(jié)合課程中引入的實時職業(yè)信息，能清晰地分析自身興趣、能力，從而積極思考未來從業(yè)；同時項目開發(fā)經(jīng)歷與項目自身技術(shù)含量對其未來就業(yè)也大有裨益。在對該課程實施改革后，分別在湘潭大學(xué)的電子信息工程、通信工程、計算機科學(xué)與技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)進(jìn)行了實踐教學(xué)，改變“填鴨式”教學(xué)方法，以學(xué)生為中心，切實調(diào)動了學(xué)生的課堂積極性，真正讓學(xué)生學(xué)有所獲，取得了良好的效果。在教學(xué)之余，鼓勵學(xué)生根據(jù)所提交的項目方案以及實訓(xùn)項目內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)展和深入，使得學(xué)生的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計能力有較大的提高，帶領(lǐng)學(xué)生參加第十三屆中國大學(xué)生ICAN國際創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽以及第十一屆藍(lán)橋杯全國軟件和信息技術(shù)專業(yè)人才大賽嵌入式組，獲得了國家級獎項2項、省級獎項4項。部分學(xué)生通過在粵嵌科技進(jìn)一步深入培訓(xùn)學(xué)習(xí)，在嵌入式系統(tǒng)行業(yè)中找到了滿意的工作，達(dá)到了課程改革的目的。
4結(jié)語
課程改革既能使授課對象最大限度地掌握課程知識、應(yīng)用課程知識，又形成了能促進(jìn)其全面發(fā)展的授課方案及考核方案，讓學(xué)生既牢固掌握了基礎(chǔ)理論知識，具備扎實的實踐功底，又能清晰地把握行業(yè)發(fā)展要求，根據(jù)市場需求應(yīng)用所學(xué)技能，從而助力學(xué)生的個人能力、專業(yè)素養(yǎng)提升以及就業(yè)與人生規(guī)劃。
作者:鄧清勇 龍賽琴 周龍 單位:廣西師范大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 湘潭大學(xué)計算機學(xué)院 廣州粵嵌通信科技股份有限公司湖南分公司