朱敏杰

(紹興文理學院 電子工程系，浙江 紹興 312000)

0 引言

為主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，實現(xiàn)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，2017年以來，教育部積極倡導(dǎo)“新工科”建設(shè)，形成“復(fù)旦共識”“天大行動”“北京指南”，積極探索領(lǐng)跑全球工程教育的中國模式和經(jīng)驗.“新工科”以立德樹人為引領(lǐng)，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才[1].

電子信息類專業(yè)是“新工科”建設(shè)的直接輻射和支撐專業(yè)，是當之無愧的“新工科”建設(shè)“排頭兵”.嵌入式是“中國制造2025”、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)與云計算等的核心技術(shù)，具有廣闊的發(fā)展前景.以嵌入式技術(shù)為核心的嵌入式系統(tǒng)是電子信息類專業(yè)的主干課程，不僅具有完備的理論體系，而且強調(diào)跨學科、跨專業(yè)，講究理論、方法、技術(shù)的融合及應(yīng)用[2-3].我國嵌入式系統(tǒng)教學從無到有，經(jīng)過18年的發(fā)展，形成了一套教學體系，取得了一批教學成果，但對標新工科的建設(shè)要求，嵌入式系統(tǒng)課程存在的問題也日益凸顯：

①教育理念與工程教育存在差距.教學過程缺乏工程教育理念的貫徹與落實，并未真正參考行業(yè)發(fā)展的導(dǎo)向和需求，“成果導(dǎo)向”“終身學習”“持續(xù)改進”“學科交叉”等并未在教學過程中完整體現(xiàn).

②教學方法與學生志趣存在差距.課程教學大多采用單向講授為主，缺少互動和反饋，導(dǎo)致學生學習主動性、積極性不高，影響教學質(zhì)量，使學生難以獲得課程學習效益.

③知識體系與培養(yǎng)目標存在差距.專業(yè)背景不同、應(yīng)用場合不同，專業(yè)培養(yǎng)目標對嵌入式系統(tǒng)的教學內(nèi)容和教學要求也應(yīng)不同.但目前大多地方高校電子信息類專業(yè)教學內(nèi)容未能與專業(yè)培養(yǎng)目標相吻合.

本文以紹興文理學院電子信息類專業(yè)嵌入式系統(tǒng)課程為試點，升級教育理念、改變教學方法、更新知識體系，以優(yōu)化教學體系，重構(gòu)課程教學，完善評價機制三個著力點進行探索，形成課程改革試點方案[4].

1 教學改革指導(dǎo)思想

1.1 以“新工科”升級教育理念

作為地方應(yīng)用型高校，對照“新工科”的內(nèi)涵和建設(shè)途徑，落實“產(chǎn)教融合”“成果導(dǎo)向”“以學生為中心”，形成“接地氣”“近產(chǎn)業(yè)”“重應(yīng)用”的理念，重點分析浙江省、紹興市的經(jīng)濟、產(chǎn)業(yè)發(fā)展特色，主動對接紹興市“先進裝備制造”“信息經(jīng)濟”“現(xiàn)代住建”三大與課程緊密結(jié)合的支柱產(chǎn)業(yè)，著重培養(yǎng)學生在優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用創(chuàng)新能力.以學生為中心，以學習成果為導(dǎo)向，以實時評價為依據(jù)，及時修改、調(diào)整、回應(yīng)學生要求.教師的任務(wù)是以啟迪、演示、討論、評價為主，引導(dǎo)、協(xié)助學生達成學習目標.

1.2 問學生志趣改變教學方法

傳統(tǒng)教學無法擺脫“教師一言堂”的教學方法，難以達成“新工科”理念下的人才培養(yǎng)目標.學生自身存在學習能力和學習興趣的差異，通過構(gòu)建一套以學生志趣為中心、以學生能力成長為目標的教學方法，創(chuàng)建一種可根據(jù)自身能力和興趣選擇教學內(nèi)容和方式的教學模式，從而有效監(jiān)控學生的學習質(zhì)量，激發(fā)積極性和創(chuàng)造性.

1.3 因行業(yè)需求確定知識體系

目前行業(yè)對嵌入式人才的需求主要有嵌入式底層開發(fā)、嵌入式應(yīng)用層開發(fā)、嵌入式人工智能等.其中嵌入式底層開發(fā)側(cè)重于微處理器電路、操作系統(tǒng)移植及驅(qū)動程序的設(shè)計；嵌入式應(yīng)用層開發(fā)側(cè)重于操作系統(tǒng)之上的軟件開發(fā)、QT開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)編程等；嵌入式人工智能側(cè)重于嵌入式系統(tǒng)與具體的應(yīng)用場景結(jié)合，如物聯(lián)網(wǎng)、5G應(yīng)用等.嵌入式底層開發(fā)與我校電子信息類專業(yè)培養(yǎng)目標最為契合，課程知識體系也圍繞這個方向構(gòu)建.

2 教學改革具體措施

教學改革的具體實施方案主要落實在教學體系、課程教學、評價機制三方面.

2.1 優(yōu)化教學體系

傳統(tǒng)的教學體系優(yōu)化為“必修+創(chuàng)新”“線上+線下”“虛擬+現(xiàn)實”“階梯+套餐”的四維教學體系.

對嵌入式系統(tǒng)課程體系進行合理布局，形成必修、創(chuàng)新兩個模塊，如圖1所示.必修由嵌入式系統(tǒng)及嵌入式系統(tǒng)綜合課程設(shè)計兩門課組成；創(chuàng)新由學科競賽、學生科研、參與教師科研組成.

圖1 課程體系

嵌入式系統(tǒng)包括理論教學，課內(nèi)實驗，自主學習.采用“書包實驗室”服務(wù)學生自主學習，“書包實驗室”由實驗開發(fā)板、萬用表、筆式示波器及電腦(學生自備)組成，可以隨時、隨地開展軟、硬件實驗，拓展學習時間和空間，如圖2所示[5-6].嵌入式系統(tǒng)綜合課程設(shè)計以實際工程項目展開，通過實物演示、綜合答辯、設(shè)計報告等綜合評定學生的項目成果.必修模塊的評價作為一項重要的參考，以評價學生是否具備選修創(chuàng)新模塊的能力.

圖2 書包實驗室

以“新工科”理念進行嵌入式系統(tǒng)課程改革，把握好“線上與線下”“虛擬與現(xiàn)實”兩個體系，如圖3所示.

圖3 “線上+線下”與“虛擬+現(xiàn)實”體系

利用超星泛雅平臺建立在線課程網(wǎng)站，開展線上線下混合式教學；鼓勵學生加入技術(shù)論壇，技術(shù)微信公眾號，開拓視野，在潛移默化中使學生養(yǎng)成“終身學習”的習慣和“嚴謹踏實”的作風；教師通過社交軟件課程群，與學生進行“一對一”交流，及時解決學生問題，線上互動對學生是“肯定”，說明老師“在乎”，保證學生求知欲得到滿足，增加學習動力.雖然這種網(wǎng)絡(luò)答疑工作量很大，也不能折算成課時，但這正體現(xiàn)教師的責任和擔當.

主動給學生“找事做”，讓學生從游戲、網(wǎng)劇中解放出來，走出宿舍，進入教室、實驗室.利用課外時間，安排學生參觀公司、進入教師科研室實習，了解最新的行業(yè)趨勢和教師科研項目，增強學習興趣.圖4是學生參觀“支付寶”大樓的照片.

圖4 學生參觀“支付寶”大樓合影

嵌入式系統(tǒng)學習過程中，不可能每項設(shè)計都采用實物，需要借助集成開發(fā)環(huán)境、虛擬機、操作系統(tǒng)等軟件工具，同時，也需要利用好教科書、參考資料、項目案例等文檔及實驗開發(fā)板、書包實驗室等實物工具.

考慮到個性化學習的需要，把課程知識體系分解為“階梯+套餐”的形式，如圖5所示.“嵌入式系統(tǒng)概論”和“ARM cortex-M3體系結(jié)構(gòu)”兩級階梯知識必須掌握，“嵌入式系統(tǒng)概論”可以使學生從宏觀上了解嵌入式系統(tǒng).“ARM cortex-M3體系結(jié)構(gòu)”使學生不再被“功能多”“型號多”“開發(fā)模式多”等問題困擾，做好減法，了解眾多芯片的本源.

圖5 “階梯+套餐”體系

對于選擇硬件的學生，“STM32系列處理器原理與實踐”可避免學生局限于具體的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，為學生提供一款資源多、好上手、應(yīng)用廣的芯片，使學生學習“有的放矢”，為學生的各類學科競賽、學生科研乃至就業(yè)創(chuàng)業(yè)提供一套完備的技術(shù)途徑；對選擇軟件的學生，“嵌入式操作系統(tǒng)”考慮到電子信息類專業(yè)課程體系中一般都缺少編譯原理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)等課程，使得學生學習復(fù)雜操作系統(tǒng)具有相當難度，選取小內(nèi)核嵌入式操作系統(tǒng)μC-OS，更具可操作性.對于學習能力強的學生，鼓勵兩個套餐都選擇.除了知識體系外，在考核環(huán)節(jié)、實踐環(huán)節(jié)都以套餐化的理念執(zhí)行.

2.2 重構(gòu)課程教學

重構(gòu)課程教學包括理論教學、實驗教學、自主學習三個方面，需要說明的是，這三方面都包括線上線下的教學，重構(gòu)可由圖6展開說明.

圖6 課程教學拓撲圖

鑒于嵌入式系統(tǒng)課程極強的實踐性與工程性，理論教學與實驗教學的界限不應(yīng)過于明顯.課程團隊把理論課與實驗課結(jié)合起來，理論課進實驗室上，實驗操作融于理論講解.學生分成3-4人的學習小組，教學以小組為單位開展.理論課的授課內(nèi)容安排不應(yīng)局限于教材章節(jié)，而應(yīng)以實驗項目所需的知識點來重構(gòu).當完成一個單元的理論授課后，設(shè)計實驗讓學生把所學內(nèi)容呈現(xiàn)出來.理論教學中部分適合于學生自學的內(nèi)容，提前布置要求，以“翻轉(zhuǎn)課堂”的形式開展教學.

實驗教學分為教師演示、學生實驗兩部分，其中學生實驗項目來源于學生科研項目及學科競賽案例，將成熟案例分解成為若干個實驗項目，循序漸進地讓學生完成.改變傳統(tǒng)實驗課堂“預(yù)習就是抄實驗講義，操作就是按步驟連線，報告就是記錄結(jié)果”的固有模式，實驗課堂應(yīng)是學生展示所學成果，教師考核、監(jiān)督、建議的學習場所.完成這一改革需要學生在實驗前做好充分的準備，需要利用“書包實驗室”自主學習，在實驗前調(diào)試代碼和電路.另外，布置1-2個難度高于普通實驗項目的案例，由學習小組自己決定是否選修，對于完成度好的項目擇優(yōu)整理，對案例庫進行快速迭代與充實.重視“首課引導(dǎo)”的作用，除了上述課程教學框架需要向?qū)W生做出明確解釋外，還需讓學生明白課程需要完成哪些任務(wù)，能夠獲得哪些技能，課程如何考核評價，自己能為課程建設(shè)做哪些事，課程在工程實踐中有哪些應(yīng)用等.記錄梳理學生在理論和實驗環(huán)節(jié)的反饋意見，作為下一輪改革的依據(jù)[7].

2.3 完善評價機制

評價機制包括課程本身的閉環(huán)評價機制與學生課程任務(wù)達成度評價機制.

課程評價機制構(gòu)成如下：由畢業(yè)要求凝練出課程目標，確定出本課程對畢業(yè)要求的支撐度，完成教學大綱的撰寫，教學大綱對學生的課程目標(任務(wù))做出規(guī)定，并制定詳細的達成度評價機制，一輪教學結(jié)束后，由師生一起對課程進行評價，并反饋于下一輪課程目標的制定.每輪改革過程中，這個機制具有自我微調(diào)的權(quán)限.

學生的課程任務(wù)評價機制遵循表1展開，課程目標由理論、實驗及自主學習來達成，并闡明達成的具體要求.課程目標分為基本目標、進階目標、高階目標、完美目標四檔，前三檔分別占課程總分的60%、30%、10%，完美目標作為學生的選修提高，不計入總分.

表1 課程達成度評價機制

3 結(jié)束語

紹興文理學院電子信息類專業(yè)嵌入式系統(tǒng)教學面向“新工科”進行教學改革，已完成兩輪試點，受到學生普遍歡迎，學生反映該課程“學有所獲”，對參加學科競賽、學生科研乃至考研面試、就業(yè)都有積極作用.以此課程為試點，在多門專業(yè)課程中進行改革探索，人才培養(yǎng)質(zhì)量穩(wěn)步提高.2019年，電子信息類專業(yè)6組學生參加全國大學生電子設(shè)計競賽全部獲獎，其中國家二等獎3組，主持國家級學生科研項目4項，考研錄取率和就業(yè)對口率逐年進步.