彭毅弘，程 麗

(福建農(nóng)林大學(xué)金山學(xué)院，福建 福州 350001)

引言

萬物互聯(lián)時代給嵌入式技術(shù)帶來了巨大的機遇和挑戰(zhàn)，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈中的芯片、傳感器、無線模組、智能終端等都與嵌入式技術(shù)密切相關(guān)，嵌入式軟件智能性要求也越來越高。在此背景下，嵌入式新型人才必須具備創(chuàng)新力、跨學(xué)科知識體系和強實踐等素質(zhì)。教育部提出的“新工科”建設(shè)也正是為了主動應(yīng)對人工智能和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展帶來的新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革[1]。應(yīng)用型高等院校需要從創(chuàng)新和實踐的角度去重新定位嵌入式課程的教學(xué)目標和方法，培養(yǎng)真正具備自由創(chuàng)新能力的嵌入式人才。

一、嵌入式教學(xué)改革現(xiàn)狀

嵌入式課程的綜合性強和實踐性強等特點導(dǎo)致了教學(xué)難度較大，因此不少高校教師進行了教學(xué)改革，例如呂東潞[2]提出結(jié)合CDIO工程教育理念培養(yǎng)學(xué)生的工程項目能力；王冠軍[3]采用與學(xué)科競賽平臺相結(jié)合的方式來構(gòu)建嵌入式課程體系；鄢秋榮[4]側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的軟硬件協(xié)同設(shè)計能力；盧燦舉[5]提倡案例教學(xué)法，通過建立案例庫來滿足教學(xué)改革所需。目前嵌入式教學(xué)改革主要表現(xiàn)在三個方面：一是加強師資力量的建設(shè)，通過校企合作、引入資深工程師、項目共建等方式來迅速提升教師的項目教學(xué)水平；二是加大實驗室的投入，強調(diào)案例和項目教學(xué)法；三是與競賽結(jié)合，改進實踐課程。通過以上三個方面的改革，學(xué)生掌握的嵌入式技能更靠近企業(yè)對嵌入式人才的需求。

但仍然存在一些問題，以福建農(nóng)林大學(xué)金山學(xué)院為例，計算機專業(yè)、電子信息專業(yè)、機械專業(yè)和電子科學(xué)專業(yè)都有開設(shè)嵌入式課程，不同的教師授課，采用不同的芯片方案，雖然都有不同程度的教學(xué)改革，但學(xué)生在參加科技競賽或就業(yè)時都受限制于本專業(yè)所學(xué)習(xí)的實驗平臺，無法迅速拓展到新的領(lǐng)域和應(yīng)用新的設(shè)備，創(chuàng)造力難以發(fā)揮。另外，由于需要有C語言、電路原理、單片機原理等前置課程，該課程基本都在大三開設(shè)，導(dǎo)致大一和大二學(xué)生失去了參加科技競賽的信心和基本技能。同時，涉及嵌入式應(yīng)用的各種傳感器和通信技術(shù)層出不窮，如何用最低成本快速更新實驗設(shè)備和材料，是嵌入式課程改革的一大挑戰(zhàn)。如何使學(xué)生真實感受到自我創(chuàng)造的快樂和引發(fā)對新技術(shù)新項目的興趣，是進行教學(xué)改革的核心思想所在。

二、創(chuàng)客教育模式

創(chuàng)客起源于美國的DIY(Do It Yourself)文化，倡導(dǎo)自己動手或與他人合作來創(chuàng)造產(chǎn)品，引起了全球性的技術(shù)創(chuàng)新學(xué)習(xí)革命。通過把創(chuàng)客文化與教育相結(jié)合，便產(chǎn)生了創(chuàng)客教育。創(chuàng)客教育強調(diào)激發(fā)學(xué)生興趣，采用項目學(xué)習(xí)的方式，培養(yǎng)具備團隊協(xié)作能力、跨學(xué)科解決問題能力和創(chuàng)新能力的學(xué)生[6]。美國早在2012年就啟動了“創(chuàng)客教育計劃”，2015年美國教育部開始和100多所高校及英特爾等科技企業(yè)合作建立更多的創(chuàng)客空間，同年麻省理工學(xué)院舉辦以“創(chuàng)造過程中的創(chuàng)新”為主題的工作會議，將創(chuàng)客行動作為教育創(chuàng)新的重點[7]。在中國，2016年國務(wù)院印發(fā)《國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》，大力推動創(chuàng)客文化進入學(xué)校，設(shè)置創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程，鼓勵學(xué)生動手實踐和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)。同年6月教育部印發(fā)《教育信息化“十三五”規(guī)劃》明確指出高校應(yīng)努力探索信息技術(shù)在創(chuàng)客教育等新型教育模式中的應(yīng)用[8]。

在高等教育領(lǐng)域，結(jié)合“創(chuàng)客”和“嵌入式”為主題的教改文獻數(shù)量不多，比較典型的有章曉敏[9]在《嵌入式操作系統(tǒng)高級編程》課程中引入了創(chuàng)客教育的項目式教學(xué)方法，加深學(xué)生對Linux操作系統(tǒng)編程的了解。還有李蘭英[10]等將開源創(chuàng)客平臺引入嵌入式實驗教學(xué)中，研制嵌入式及物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)實驗系統(tǒng)。通過對各高?，F(xiàn)有教改項目的分析和學(xué)習(xí)，以培養(yǎng)創(chuàng)新能力為核心思想，融入創(chuàng)客教育模式，對嵌入式教學(xué)進行了較全面的改革和實踐。

三、構(gòu)建跨學(xué)科、遞進式的嵌入式教學(xué)體系

創(chuàng)客教育中融合有強調(diào)創(chuàng)新、項目教學(xué)、邊做邊學(xué)等多種元素，與嵌入式教學(xué)改革所需的創(chuàng)新和實踐理念是十分契合的。在原先的培養(yǎng)方案中，嵌入式課程是本科高年級開設(shè)的專業(yè)選修課，不同專業(yè)之間知識不融合，與前置課程在時間上銜接不緊密，后續(xù)也沒有實踐項目進行鞏固和提升，導(dǎo)致教學(xué)效果不佳，學(xué)生的實踐和創(chuàng)新能力得不到鍛煉。因此在現(xiàn)有教學(xué)體系基礎(chǔ)上，通過對金山學(xué)院的計算機、電子信息、機械和電子科學(xué)這四個專業(yè)的嵌入式課程的梳理，構(gòu)建了融合創(chuàng)客教育模式的跨學(xué)科、遞進式嵌入式教學(xué)體系，總體框架如圖1所示。

圖1 嵌入式教學(xué)體系的總體框架

(一)課程的重組與融合

在新的嵌入式教學(xué)體系中，首先要對各專業(yè)的嵌入式課程進行重組和融合，打破原來專業(yè)間孤立且線性的知識體系。各專業(yè)教師和專家通過研討，對不同層次的嵌入式課程的技能點進行梳理和分解，然后重組和融合，使得調(diào)整后的課程內(nèi)容可以滿足跨學(xué)科應(yīng)用的需求。如表1所示，嵌入式基礎(chǔ)課程經(jīng)過重新設(shè)計后，改變了以往教學(xué)強調(diào)芯片內(nèi)部和底層驅(qū)動的思路，讓學(xué)生先體驗，先設(shè)計，再輔以理論講解，從實踐中逐漸領(lǐng)悟抽象的理論知識。同時擴大了基礎(chǔ)課程的知識范疇，拓展到各種主流的顯示模塊、聲音模塊、傳感器、電機控制、無線通信技術(shù)等領(lǐng)域。課程最后需要檢閱的是學(xué)生是否具備自行查閱資料、自行研究新平臺開發(fā)方法的能力，這也是最核心的能力，能夠為后續(xù)的專業(yè)課程或項目創(chuàng)新打下良好的基礎(chǔ)。

表1 嵌入式基礎(chǔ)課程的關(guān)鍵技能點

后續(xù)課程可以基于這個基礎(chǔ)平臺進行專業(yè)化訓(xùn)練，例如計算機專業(yè)可以開展計算機網(wǎng)絡(luò)課程實踐，電子信息專業(yè)可以開展物聯(lián)網(wǎng)課程實踐，電子科學(xué)專業(yè)可以開展傳感器原理課程的實驗操作，機械專業(yè)可以在同樣平臺上開展涉及機械構(gòu)造和3D打印相關(guān)的項目設(shè)計。

(二)遞進式的課程設(shè)置

在課程設(shè)置上，開設(shè)以下三種不同形態(tài)的課程：

1.體驗型課程

主要體現(xiàn)在面向大一新生開設(shè)的專業(yè)認知實踐課，組織學(xué)生去參觀創(chuàng)客空間，體驗創(chuàng)客產(chǎn)品，在體驗過程中讓學(xué)生了解每款產(chǎn)品所需的技術(shù)要素，背后隱含的經(jīng)濟和社會價值，然后指導(dǎo)學(xué)生尋找興趣點和組建興趣小組，利用無技術(shù)門檻的創(chuàng)客設(shè)備來進行項目設(shè)計或改造。通過簡單的項目設(shè)計初體驗，激發(fā)學(xué)生的興趣與創(chuàng)新意識。

2.基礎(chǔ)技能型課程

體現(xiàn)在嵌入式基礎(chǔ)課程，為了實現(xiàn)學(xué)生早進實驗室、早做項目、早接觸科技競賽的目的，嵌入式基礎(chǔ)課程提前到大二開設(shè)，先修課C語言程序設(shè)計和電路原理在大一完成。嵌入式基礎(chǔ)課程包含基礎(chǔ)理論知識、項目技能訓(xùn)練及創(chuàng)新項目拓展三個層次，其中基礎(chǔ)理論知識和項目技能訓(xùn)練是適用于各專業(yè)學(xué)科的，創(chuàng)新項目拓展則根據(jù)不同專業(yè)有所側(cè)重。

3.競賽型課程

體現(xiàn)在專業(yè)技能綜合考核上，各專業(yè)都有開設(shè)專業(yè)技能綜合考核課程，時間上橫跨大三至大四，目的是考核學(xué)生使用專業(yè)技能進行綜合項目設(shè)計的能力。教師可以指定競賽項目，也可以針對競賽挑選項目，利用創(chuàng)客空間實驗平臺，學(xué)生根據(jù)專業(yè)特長組隊進行設(shè)計與開發(fā)。

通過三種形態(tài)的課程設(shè)置，實現(xiàn)遞進式的嵌入式課程體系，使得知識技能的學(xué)習(xí)在整個時間線上是緊密聯(lián)系且不間斷的，在層次上是遞進提升的。

(三)引入創(chuàng)客設(shè)備，建立“學(xué)競一體”的創(chuàng)客空間

目前嵌入式實驗教學(xué)主要以ARM芯片為依托，設(shè)備以實驗箱為主，受限制于實驗箱的電路設(shè)計，大部分實驗只能進行驗證性實驗。實驗箱價格昂貴，學(xué)校采購數(shù)量有限，學(xué)生只能分組使用，容易導(dǎo)致部分學(xué)生眼看手不動。另外由于實驗箱體積龐大，課后無法再使用，限制了學(xué)生課后思考和創(chuàng)作的空間。為了提升實驗設(shè)備的便攜性、設(shè)計性和拓展性，引入了Arduino創(chuàng)客套件。Arduino是目前創(chuàng)客使用最普遍的開源硬件，具有價格低廉、便攜性高、功能和拓展性強、入門容易等特點。也正由于這些特點，Arduino形成了強大且開放的生態(tài)圈，軟件方面，擁有很多優(yōu)秀的庫資源；硬件方面，除了核心電路板外，各廠商還提供種類繁多的擴展功能模塊；兼容性方面，Arduino具有標準的接口，許多主板都互相兼容。Arduino具備的這些優(yōu)點，剛好能滿足嵌入式實驗的創(chuàng)新要求。在開課初將實驗套件發(fā)給學(xué)生，人手一套，實驗時由學(xué)生帶到實驗室。課后學(xué)生攜帶回宿舍，利用自己的電腦完成課后作業(yè)，或者開展創(chuàng)新項目。一直到課程結(jié)束，非耗材及工具才全部交回給實驗室。在教學(xué)的整個過程中，實驗設(shè)備和材料都一直在學(xué)生身邊，可以隨時隨地進行交流、研究和創(chuàng)造，大大提升了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、實踐能力和創(chuàng)新能力。

為了支撐科技競賽和更多課程的工程實踐訓(xùn)練，嵌入式實驗室改造成為創(chuàng)客空間，在設(shè)備的配置上拓展為五個層次：一是基礎(chǔ)設(shè)施，如計算機、學(xué)習(xí)軟件、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、示波器等；二是控制主板，如Arduino、樹莓派、基于ARM或STM32的控制板等；三是各類傳感器，如高清視頻頭、溫濕度傳感器、超聲波模塊等；四是各種通信模塊，如藍牙、Wifi、ZigBee、NB-IoT等；五是機械平臺，如機器人和車、機械手臂、無人機、3D打印機等。在創(chuàng)客空間里，既可滿足嵌入式基礎(chǔ)、嵌入式Linux應(yīng)用、傳感器原理、物聯(lián)網(wǎng)、計算機網(wǎng)絡(luò)等各專業(yè)課程的實踐操作，在課余時間，還能滿足學(xué)生創(chuàng)意作品制作和參加技能大賽等需求。

(四)結(jié)合MOOC“翻轉(zhuǎn)”課堂

融合創(chuàng)客教育過程中還需要克服創(chuàng)客教育更重視系統(tǒng)應(yīng)用實踐而忽略底層理論的缺點。雖然學(xué)生使用Arduino更容易看到嵌入式課程的復(fù)雜性和挑戰(zhàn)性，課設(shè)作品也更加的完整和具有系統(tǒng)性，但由于Arduino封裝了底層驅(qū)動，只提供標準的接口函數(shù)，就導(dǎo)致容易忽略底層技術(shù)內(nèi)容。而嵌入式本身是有很深厚的技術(shù)底蘊的，例如體系結(jié)構(gòu)、處理器指令系統(tǒng)、CPU內(nèi)核、寄存器、總線等重要的基礎(chǔ)理論也是需要學(xué)生理解和掌握的。而且為了強化實踐，必定要壓縮一些理論授課學(xué)時，因此僅靠線下授課顯然不能滿足教學(xué)改革需求。結(jié)合MOOC教學(xué)方法，把抽象的理論內(nèi)容變成MOOC視頻對促進教學(xué)改革有很大的作用：一是課前讓學(xué)生學(xué)習(xí)指定MOOC視頻，在課堂上教師僅面授重點難點知識，然后把更多的時間留給學(xué)生實踐、提問和交流，達到翻轉(zhuǎn)課堂的效果；二是結(jié)合MOOC方式，能夠擴展理論知識的范疇，還可以在線上平臺分享自己的創(chuàng)意、觀點和產(chǎn)品；三是MOOC視頻中豐富的動畫效果能實現(xiàn)PPT和黑板無法達到的教學(xué)效果，讓學(xué)生更容易理解和掌握抽象的理論知識。

與MOOC結(jié)合后，線下課程也進行了調(diào)整，不再采用傳統(tǒng)的先理論后實驗，理論課與實驗課在時間和空間分離的方式，改為采用創(chuàng)客教育的“做中學(xué)”方式，將理論課和實驗課穿插進行，在時間和空間上不再分離。例如嵌入式基礎(chǔ)課程就改為每次課3學(xué)時，前面由教師講解重點難點知識，時間控制在半節(jié)課內(nèi)為宜，接著就讓學(xué)生開始動手做實驗，期間為學(xué)生解決問題，當問題積累到一定程度，或者實驗進行到關(guān)鍵處，教師可以根據(jù)情況進行理論知識的引入和講解。例如要學(xué)生掌握數(shù)字I/O口的原理和使用，可以在課前讓學(xué)生觀看相關(guān)的MOOC視頻，先讓學(xué)生對數(shù)字I/O口有初步認識，然后在課堂上指導(dǎo)學(xué)生先操作LED燈和按鍵實驗，在合適的時間進入數(shù)字I/O口的電路基礎(chǔ)、寄存器設(shè)置、接口函數(shù)等方面的理論講解。課后布置學(xué)生完成設(shè)計性的實驗，并配合知識延伸性的MOOC視頻，達到課前預(yù)習(xí)，課堂做中學(xué)，課后思考創(chuàng)新的效果。

(五)學(xué)生綜合評價

由于該教學(xué)體系的綜合性較強，因此評價方式需要靈活且多樣化。在體驗型課程中側(cè)重體驗部分，更關(guān)注學(xué)生的體驗收獲及心得分享；在基礎(chǔ)技能型課程中結(jié)合MOOC學(xué)習(xí)、課堂表現(xiàn)、考勤、實驗及設(shè)計作品五方面綜合得分，其中更應(yīng)側(cè)重實驗過程及設(shè)計作品質(zhì)量；競賽型課程可以比較直接，由競賽規(guī)則來評定分數(shù)。當然，評價分只是一種手段，最終要實現(xiàn)的是整體且高效地提升學(xué)生的綜合實踐能力和創(chuàng)新能力。

四、改革成效

以嵌入式基礎(chǔ)課程為例，以不記名問卷形式收集學(xué)生對學(xué)習(xí)效果的評價，91%的同學(xué)認為通過課程學(xué)習(xí)建立了對嵌入式開發(fā)的信心，95%的學(xué)生在遇到問題時會有針對性地通過觀看MOOC視頻來尋找解決方法，85%的學(xué)生認為在代碼設(shè)計和系統(tǒng)集成方法方面受益很大。從課程設(shè)計作品來看，與以往相比，作品的質(zhì)量更高，更具有創(chuàng)新性，例如2017級電信專業(yè)的學(xué)生課設(shè)作品“干濕垃圾分類系統(tǒng)”，既綜合了課程所學(xué)，也有對生活環(huán)境的思考和關(guān)懷之情。還有“作物環(huán)境監(jiān)測采集站”、“智能家居語音識別系統(tǒng)”等作品，所使用的技術(shù)和模塊已經(jīng)超出了課堂所學(xué)，是學(xué)生在課后花費大量時間查閱資料，利用創(chuàng)客空間提供的資源，不斷改進設(shè)計才能達到的項目水平。在競賽方面，除了在大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、大學(xué)生電子設(shè)計大賽等大賽上取得良好的成績，還在中國機器人及人工智能大賽、大學(xué)生智能設(shè)計大賽和大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽上實現(xiàn)了零的突破，分別獲得一等獎和兩個二等獎的優(yōu)異成績。

五、結(jié)語

通過融合創(chuàng)客教育模式，建設(shè)跨學(xué)科遞進式的嵌入式教學(xué)體系，把嵌入式實驗室改造升級為創(chuàng)客空間，滿足創(chuàng)新實踐的需求。授課方式結(jié)合MOOC方式，給予學(xué)生更大的學(xué)習(xí)空間和時間。值得注意的是，學(xué)生的適應(yīng)過程是循序漸進的，教師應(yīng)先支持學(xué)生的創(chuàng)造性體驗和感受，再慢慢形成主動參與創(chuàng)造的意識與能力。另外，新的嵌入式教學(xué)體系需要教師具備很強的項目設(shè)計能力、跨學(xué)科創(chuàng)造性思維和靈活的隨堂應(yīng)變能力，需要在教師層面加強引導(dǎo)、交流和學(xué)習(xí)。