謝銀波，陳小橋，鄭 宏，楊劍鋒

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院,湖北 武漢 430072)

尊重學(xué)生個性、重視學(xué)生的主體選擇和個性表達,是西方發(fā)達國家的高等教育普遍實行的人才培養(yǎng)模式。哈佛大學(xué) “實現(xiàn)自我,服務(wù)社會”的校訓(xùn)體現(xiàn)的就是以學(xué)生 “個性”為第一位的教育理念[1-3]。

嵌入式技術(shù)以研究軟硬件集成、多技術(shù)融合的復(fù)雜綜合電子系統(tǒng)為基礎(chǔ)。國務(wù)院于2017年在《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中將人工智能提到國家戰(zhàn)略發(fā)展的高度,意味著作為人工智能系統(tǒng)核心組件之一的嵌入式系統(tǒng)將有著更大的發(fā)展?jié)摿透鼜V闊的發(fā)展空間。但限于技術(shù)起點高、實驗平臺單一和教學(xué)資源有限等約束,嵌入式系統(tǒng)系列課程,考核重點一樣,學(xué)生能和會的一樣,有時甚至連創(chuàng)新內(nèi)容都一樣,猶如流水線上批量生產(chǎn)的產(chǎn)品,毫無特點可言,更不用提個性化[4-5]。這種現(xiàn)象在國內(nèi)高校中普遍存在,這與當(dāng)今嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展和社會需求極其不和諧,沒有個性和特色就沒有競爭力。

武漢大學(xué)是一所綜合型大學(xué),電子信息類學(xué)科嵌入式技術(shù)類課程的教學(xué)更偏重于系統(tǒng)硬件及軟硬件協(xié)同設(shè)計,同時,課程所在的電子信息學(xué)院亦是武漢大學(xué)綜合改革試點單位,致力于培養(yǎng)引領(lǐng)未來科學(xué)技術(shù)、經(jīng)濟社會發(fā)展的領(lǐng)軍人才,秉承這一理念,課程團隊以 “個性化人才培養(yǎng)”為導(dǎo)向,以課程建設(shè)體系改革為動力,為培養(yǎng)綜合性大學(xué)背景下,電子信息及計算機大類適應(yīng)性強、國際化的高精專業(yè)技術(shù)人才進行了有益的探索與實踐。在武漢大學(xué)綜合性大學(xué)的學(xué)科背景下,凝練出了 “注重基礎(chǔ)、突出能力、追求創(chuàng)新、發(fā)展個性”的高素質(zhì)人才培養(yǎng)模式改革思路,力爭通過強化實踐教學(xué)體系改革,為優(yōu)秀人才的脫穎而出創(chuàng)造條件。

1 優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)，豐富教學(xué)內(nèi)容

武漢大學(xué)電子信息類專業(yè)嵌入式系統(tǒng)與設(shè)計課程,主要面向電子信息類通信工程、電子信息工程、電子信息科學(xué)與技術(shù)、光信息科學(xué)與技術(shù)、測控技術(shù)與儀器5個專業(yè)及特色班開設(shè),是專業(yè)主干核心課程之一。

個性化的人才培養(yǎng)需要有豐富的教學(xué)資源和內(nèi)容為基礎(chǔ)[6],為此,在教學(xué)內(nèi)容上,課程教學(xué)團隊將以往重點講授一種實驗平臺技術(shù)逐步過渡到介紹多種主流嵌入式系統(tǒng)的 “共通技術(shù)”；從講授基于某種特定實驗平臺的設(shè)計方法逐步過渡到討論針對不同應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)共性和特性問題,強調(diào)學(xué)生能適應(yīng)不同的嵌入式系統(tǒng)和技術(shù)的變化,舉一反三。針對學(xué)生在學(xué)習(xí)及個性發(fā)展趨勢上可粗分為 “硬件派” “軟件派”和 “綜合派”的特點,教學(xué)中選取和凝練了當(dāng)前三種主流嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)方法和設(shè)計流程為主線進行教學(xué),并在學(xué)時數(shù)分配及教學(xué)內(nèi)容上做了相應(yīng)的調(diào)整,主要包括以下4點:

1)將原來36學(xué)時理論教學(xué)調(diào)整為理論授課18學(xué)時,實驗18學(xué)時；增開獨立學(xué)分的實驗36學(xué)時；

2)優(yōu)化基于Intel Atom的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)內(nèi)容；

3)增加基于STM32的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容(含ucos及FreeRTOS實時操作系統(tǒng))；

4)增加Android操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序開發(fā)實驗內(nèi)容。

實驗內(nèi)容上,鑒于某些技術(shù)內(nèi)容已落后,精簡原有的基于PXA255嵌入式系統(tǒng)實驗內(nèi)容部分；新增加了選做實驗內(nèi)容；同時,優(yōu)化原有的Atom系統(tǒng)實驗,新增創(chuàng)新設(shè)計內(nèi)容,突出其應(yīng)用的特點；基于自主研發(fā)的STM32嵌入式 “組合式”教學(xué)平臺增設(shè)嵌入式擴展實驗內(nèi)容；自主研發(fā)基于Android的嵌入式教學(xué)實驗平臺將硬件設(shè)計與軟件應(yīng)用有機結(jié)合起來。將整個實驗內(nèi)容由以下4個部分組成:

1)基礎(chǔ)實驗——PXA255嵌入式系統(tǒng)；

2)擴展實驗1——STM32嵌入式系統(tǒng)；

3)擴展實驗2——Atom嵌入式系統(tǒng)；

4)擴展實驗3——Android程序設(shè)計。

同時,為提高學(xué)生完成實驗的效率,激勵創(chuàng)新,引入 “積分制”對學(xué)生進行考核。以 “基礎(chǔ)實驗——PXA255嵌入式系統(tǒng)”為例,該部分實驗中,設(shè)置 “系統(tǒng)引導(dǎo)實驗”為驗證性實驗,完成可獲得4積分； “串口傳輸實驗”為綜合性實驗,完成可獲得8積分；“KEYPAD＿LED控制設(shè)計”為創(chuàng)新性實驗,完成可獲得15積分。

按照每部分實驗所設(shè)置的分值綜合進行統(tǒng)計,各部分內(nèi)容占比分別為29%、15%、17%和29%,如表1所示。由表1可見,分值布局合理,各項指標(biāo)符合課程內(nèi)容的分布規(guī)律。為避免學(xué)生過偏的選擇行為,還在課程中要求學(xué)生在選擇實驗內(nèi)容時,必須完成基礎(chǔ)實驗內(nèi)容中分值至少30%的內(nèi)容,然后才能選擇擴展實驗內(nèi)容。

將實驗平臺及開發(fā)工具的使用、部分基礎(chǔ)實驗內(nèi)容制作成動畫課件以輔助學(xué)生自學(xué)。對每項實驗內(nèi)容,為鼓勵學(xué)生自學(xué),除完成基本內(nèi)容外,結(jié)合工程應(yīng)用,增加了進階或自由發(fā)揮的實驗內(nèi)容,即提供豐富的自學(xué)資源和參考設(shè)計資料,引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生將在基礎(chǔ)內(nèi)容部分學(xué)到的知識發(fā)揮到工程實際應(yīng)用中。

表1 各部分實驗積分分配表 %

2 分層次、多平臺開放式實驗平臺建設(shè)

圍繞個性化人才培養(yǎng)為主旨的實踐教學(xué)活動的開展,課程組教學(xué)團隊建設(shè)了集實驗教學(xué)、創(chuàng)新實踐、工程實訓(xùn)、學(xué)科競賽訓(xùn)練等有機融合的開放式實驗平臺。

首先,自2004年,學(xué)校電子信息學(xué)院先后與Intel、Google等國際知名企業(yè)公司建立了高水平聯(lián)合實驗室,獲得包括Intel XScale、Atom系列教學(xué)實驗平臺、嵌入式系統(tǒng)優(yōu)化軟件工具、Android開發(fā)工具在內(nèi)的軟硬件資源的持續(xù)支助,如圖1所示,這些多樣化的先進教學(xué)裝置、設(shè)備和優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的引入使得實驗室在技術(shù)上保持著與時俱進,為人才的可持續(xù)性培養(yǎng)起到了極大的促進作用。

圖1 Intel Xscale、Intel Atom系列教學(xué)實驗平臺

其次,實驗室制訂了全天候開放的管理機制,實驗室建設(shè)有內(nèi)部的學(xué)習(xí)和設(shè)計資料共享服務(wù)器,學(xué)生通過網(wǎng)站預(yù)約與公示系統(tǒng)即可進入實驗室完成各種學(xué)習(xí)和實踐活動；在開放內(nèi)容上,以一些真實項目原型為基礎(chǔ)設(shè)計了綜合實驗項目供學(xué)生練習(xí),而且還設(shè)計了一些具有趣味性的綜合實驗供學(xué)生實踐和發(fā)揮性創(chuàng)新。如將真實項目 “超聲波河床成像系統(tǒng)”的部分提取形成一個 “超聲波成像系統(tǒng)設(shè)計”實驗項目,讓學(xué)生完成從傳感器到信號調(diào)理,從嵌入式系統(tǒng)到受控端,再到上位應(yīng)用軟件設(shè)計等一整套完整的設(shè)計及實現(xiàn)；再例如在綜合設(shè)計實驗中設(shè)計了一套寫字機器人系統(tǒng),供學(xué)生進行組裝、實踐和拓展性創(chuàng)新。

最后,針對有個性的學(xué)生個體存在學(xué)習(xí)重點和關(guān)注度不同,能力也各有差異,同時考慮到實驗箱功能過多、不便攜等弊端,課程組教學(xué)團隊自主研發(fā)了基于ST公司STM32嵌入式處理器[7]的小巧、便攜、低功耗 “組合式”實驗平臺,如圖2所示。

圖2 自主研發(fā)的STM32“組合式”實驗平臺

為降低嵌入式的學(xué)習(xí)門檻,設(shè)計了從 “零”基礎(chǔ)入門,到進階再到高級的層次化實驗內(nèi)容,方便學(xué)生在開放時間或課下進行學(xué)習(xí)和創(chuàng)新實踐,學(xué)生根據(jù)所選實驗內(nèi)容也可同時選擇組合的功能和接口模塊開展實驗,包括基本的功能模塊(如按鍵、攝像頭、網(wǎng)絡(luò)等),以及復(fù)合功能模塊(如GPS、GPRS、串口相機等),組合實驗平臺以 “口袋實驗室”的形式開放給學(xué)生。

同時,在校教學(xué)改革項目的支助下,在總結(jié)多年實踐教學(xué)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,結(jié)合本校電子信息大類專業(yè)的特點,融合最新的嵌入式技術(shù),自主設(shè)計完成 “ARM-Android-II型嵌入式教學(xué)實驗平臺”,如圖3所示,用以滿足不同層次學(xué)生綜合及創(chuàng)新設(shè)計的需要。

圖3 自主研發(fā)的ARM-Android-II型嵌入式教學(xué)實驗平臺

3 多樣化的實踐教學(xué)組織形式與方法

實踐教學(xué)是嵌入式技術(shù)教學(xué)的重要環(huán)節(jié),個性化的人才培養(yǎng)模式首先應(yīng)是實踐教學(xué)的多樣化,這不僅是指在教學(xué)內(nèi)容上要提供更多的選擇,更需要在內(nèi)容的設(shè)計上有啟發(fā)性、引導(dǎo)性和延續(xù)性,讓學(xué)生主動思考,學(xué)會根據(jù)需求來主導(dǎo)自己的設(shè)計過程,同時,還需要采用合理有效的激勵機制來調(diào)動他們的學(xué)習(xí)積極性。

3.1 教學(xué)內(nèi)容的選擇自由化

實驗開始前,學(xué)生通過課程教學(xué)日歷或?qū)嶒炛行木W(wǎng)站了解實驗內(nèi)容分組的日程安排,并根據(jù)自己的興趣和愛好選擇實驗內(nèi)容及時間。

對于電子信息類的學(xué)生而言,在單片機和微機原理與接口技術(shù)等課程中已學(xué)習(xí)過8位簡單電子綜合系統(tǒng)的相關(guān)知識,從8位到32位嵌入式系統(tǒng)的過渡需要一個過程。因而要求學(xué)生在開展自由選擇實驗內(nèi)容之前,必須完成基礎(chǔ)實驗中至少30分的實驗內(nèi)容,重點覆蓋基礎(chǔ)接口部分的實驗。通過這部分的實驗與學(xué)習(xí),學(xué)生可以基本掌握32位ARM嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)方法,設(shè)計流程及研究重點,為后續(xù)的自由選擇奠定基礎(chǔ)。

3.2 競爭激勵式教學(xué)

以競爭為驅(qū)動力,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力,調(diào)動學(xué)生更快更好地進行動手實踐,更多地將精力及重點放在創(chuàng)新內(nèi)容上,發(fā)揮學(xué)生的特長與個性[8-10]。

在教學(xué)過程中,為限制過多的學(xué)生選擇同一實驗內(nèi)容,同時,也為鼓勵完成實驗內(nèi)容快且好的學(xué)生,同一實驗內(nèi)容按照比例限制選擇人數(shù),要求完成實驗內(nèi)容并通過驗收的前60%學(xué)生計算為完整積分,過后完成的只能算該項實驗內(nèi)容積分的50%。在配發(fā)完成某項實驗所需的外圍模塊時,在數(shù)量上進行限制,按照每次參與實驗人數(shù)的60%進行發(fā)放,剩下的學(xué)生只有先完成別的實驗內(nèi)容,等到這些學(xué)生完成實驗歸還后再領(lǐng)取使用。

學(xué)生通過實驗室網(wǎng)站可查詢、選擇并預(yù)約驗收自己感興趣的實驗內(nèi)容,每項實驗內(nèi)容最多僅允許一定比例的通過驗收合格,并最高獲得滿積分。某項實驗內(nèi)容,如果在完成基本要求的基礎(chǔ)上有擴展發(fā)揮,則有酌情加分,但不超過該項實驗內(nèi)容總分的50%。

3.3 “積分制”考核與評價

嵌入式系統(tǒng)實驗現(xiàn)象及結(jié)果直觀且具體,因此,本實驗課程采用積分制的考核形式,積分制教學(xué)法是融合了學(xué)生的情感、態(tài)度、學(xué)習(xí)習(xí)慣、學(xué)習(xí)方法等因素的一種綜合性教學(xué)方法。 “積分制”的評價方法,將所有實驗項目按照軟硬件的難易程度進行分類,并分配不同的分值,學(xué)生自由選擇對應(yīng)分值的實驗內(nèi)容,最后將所獲分值累加作為自己的最終實驗成績,所獲總分最高為100分。

同樣以 “基礎(chǔ)實驗——PXA255嵌入式系統(tǒng)”為例,該部分實驗中,“串口傳輸實驗”要求單人完成,且需要當(dāng)堂(2個學(xué)時內(nèi))完成并通過驗收。需要學(xué)生提前做好預(yù)習(xí)和準(zhǔn)備工作,完成基本內(nèi)容即獲得本項實驗內(nèi)容積分8分(其中,實驗報告占2分),進階拓展部分可在課外或開放實驗時間完成和驗收,完成進階拓展部分實驗內(nèi)容的,可多獲得積分6分；未在課堂時間內(nèi)完成實驗內(nèi)容的,只能通過開放實驗完成和驗收,最多只能獲得該項實驗內(nèi)容積分的50%,即4分。

部分較復(fù)雜的綜合性、創(chuàng)新性實驗內(nèi)容設(shè)置較高分值,學(xué)生可以多人組隊完成,且人數(shù)限定為3人以下。綜合性實驗設(shè)置帶有啟發(fā)性,旨在學(xué)生做好基礎(chǔ)實驗的基礎(chǔ)上,借鑒基礎(chǔ)實驗中的設(shè)計方法和理念,對硬件系統(tǒng)的某些功能進行延伸和擴展。創(chuàng)新性設(shè)計則要求面向應(yīng)用,自主命題、自主設(shè)計、調(diào)試并實現(xiàn)功能,這部分內(nèi)容主要通過第二課堂、開放式實驗室的形式讓學(xué)生來完成。

3.4 教學(xué)與競賽相融合

學(xué)科競賽是對學(xué)生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)教學(xué)形式的有益補充,每兩年進行一次的 “英特爾杯全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽——嵌入式系統(tǒng)邀請賽”(以下簡稱 “邀請賽”)是由教育部與工業(yè)和信息化部共同主辦的,以嵌入式技術(shù)為主題的本科生頂級學(xué)科競賽之一。邀請賽不僅是對學(xué)生創(chuàng)新能力的檢驗,更是對于學(xué)生綜合素質(zhì)、團隊協(xié)作能力及個性化發(fā)展的一次全方位的綜合考驗[11-12]。

邀請賽要求以當(dāng)時最新的嵌入式系統(tǒng)為核心,自主命題,自主設(shè)計,在3個多月的時間內(nèi)設(shè)計和制作出一套復(fù)雜的綜合軟硬件應(yīng)用系統(tǒng),如基于EMG信號控制的智能探險機器人、反無人機偵察兵等。對于參賽的學(xué)生而言,不僅掌握的知識點和工程技術(shù)要全面,理論與實踐結(jié)合的能力要強,而且綜合素質(zhì)和科研能力也要高。隨著邀請賽的深入開展,被邀請參賽的國內(nèi)外高校趨于穩(wěn)定,且都是在嵌入式技術(shù)及相關(guān)領(lǐng)域的精英類高校。國內(nèi)外高校對這一賽事的重視和投入的程度越來越大,對于傳統(tǒng)教學(xué)方法培養(yǎng)的學(xué)生要適應(yīng)這一邀請賽并取得很好的成績將越來越難,但經(jīng)過邀請賽培養(yǎng)出來的學(xué)生的個性化能力得到了極大的提高。歷年邀請賽獲獎學(xué)生都成為國內(nèi)高校、研究所和企業(yè)的 “香餑餑”,這足以說明其能力獲得了社會的認(rèn)可。同時,要培養(yǎng)出這一類拔尖人才,對于組織培訓(xùn)和指導(dǎo)參賽的教師來講,無疑也是一個巨大的挑戰(zhàn)。要能指導(dǎo)好學(xué)生不僅要制定好合理的教學(xué)計劃,更是要不斷提高自身技術(shù)水平,競賽無疑形成一個師生相互激勵,共同發(fā)展進步的良性局面。

借助于邀請賽這個平臺,主觀能動地將比賽的形式和方法貫穿于備賽(培訓(xùn)與選拔階段)和競賽的整個過程中,讓更多的學(xué)生在競賽階段和非競賽階段參與到嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和研究中,并從中受益,是一種培養(yǎng)學(xué)生個性發(fā)展的有效舉措。

4 教學(xué)效果

2014～2017年,學(xué)生選擇基礎(chǔ)實驗、擴展實驗1、擴展實驗2、擴展實驗3的比例對比如圖4所示。從圖中可以看出,比例逐漸趨于均衡化,學(xué)生的自主選擇呈多樣化的趨勢,2014年尚未引入擴展實驗1和擴展實驗3的內(nèi)容,因為教學(xué)內(nèi)容較單一,學(xué)生個性發(fā)展受到一定的限制。

圖4 2014～2017年學(xué)生選分比例圖

本課程改革與建設(shè)依托武漢大學(xué) “國家工科基礎(chǔ)課程電工電子教學(xué)基地”和 “國家電工電子實驗教學(xué)示范中心”,經(jīng)過近幾年的教學(xué)檢驗,對學(xué)生個性化的創(chuàng)新能力的培養(yǎng),起到了較好的促進作用。課程培養(yǎng)學(xué)生獲得武漢大學(xué)創(chuàng)新學(xué)分總數(shù)占學(xué)院總數(shù)的10%；獲得大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目2項,校級大學(xué)生科研項目10余項；申請并獲批各類專利8項；學(xué)科競賽成績優(yōu)異,2014年、2016年連續(xù)兩屆在全國大學(xué)生嵌入式頂級學(xué)科競賽—— “全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽嵌入式系統(tǒng)專題邀請賽”,指導(dǎo)學(xué)生共獲得全國唯一最高獎Intel杯1項、全國二等獎2項、三等獎4項,總成績居全國前列；2017年榮獲全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽一等獎2項。

5 結(jié)束語

電子技術(shù)蓬勃發(fā)展,各行業(yè)對具有個性化且掌握嵌入式技術(shù)的人員需求與日俱增,但缺口很大。國內(nèi)各高校都在積極探索以嵌入式技術(shù)為主題的個性化人才培養(yǎng)之路,但目前尚無定論。本文以綜合性大學(xué)為背景,以培養(yǎng)電子信息類高素質(zhì)人才為目標(biāo),在嵌入式技術(shù)課程中,從優(yōu)化課程結(jié)構(gòu),分層次、多平臺開放式實驗平臺建設(shè),多樣化的實踐教學(xué)組織形式與方法等方面進行了個性化人才培養(yǎng)的探討,形成了符合學(xué)校特點的嵌入式技術(shù)課程體系。經(jīng)過多年的實踐,對學(xué)生的個性化培養(yǎng)起到了積極的促進作用,教學(xué)效果較好。