關(guān)學(xué)慧 蘇洪雨 馬文龍

（哈爾濱劍橋?qū)W院智能與電氣電子工程學(xué)院）

嵌入式原理與應(yīng)用課程理論性強、實踐性強、學(xué)習(xí)難度大，而傳統(tǒng)的教學(xué)模式涉及嵌入式系統(tǒng)宿主機內(nèi)部結(jié)構(gòu)、寄存器知識、操作系統(tǒng)內(nèi)核實現(xiàn)原理、系統(tǒng)啟動及運行狀態(tài)分析等大量的理論知識講解。課程枯燥乏味，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不強，且學(xué)生畢業(yè)后無法有效地將理論知識融入到實際工程項目中。鑒于原有課程教學(xué)模式的弊端，為契合電氣工程及其自動化專業(yè)及電子信息工專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)，培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識，專業(yè)理論扎實，專業(yè)技術(shù)應(yīng)用能力較強，具備解決電氣工程、電子信息工程及其相關(guān)領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題能力，能夠在嵌入式系統(tǒng)等相關(guān)領(lǐng)域從事生產(chǎn)、維護、設(shè)計、研發(fā)工作的應(yīng)用型人才。有必要對傳統(tǒng)嵌入式原理與應(yīng)用課程的教學(xué)模式進行改革。在產(chǎn)教融合的背景下，結(jié)合我校產(chǎn)業(yè)學(xué)院及企業(yè)實際項目應(yīng)用，本文從課程教學(xué)內(nèi)容建設(shè)、教學(xué)團隊能力建設(shè)、教學(xué)方法與教學(xué)模式建設(shè)、課程考核評價體系建設(shè)四個方面進行說明。

一、課程教學(xué)內(nèi)容建設(shè)

（一）課程內(nèi)容梳理及學(xué)時重新分配

工程實踐中，一個嵌入式系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成的，而現(xiàn)有的課程教學(xué)內(nèi)容中硬件部分主要講解嵌入式ARM微處理器體系結(jié)構(gòu)、工作原理和外圍接口技術(shù)等；軟件部分主要講解匯編語言知識、C語言編程知識、內(nèi)部寄存器配置知識、嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核源碼、ARM宿主機接口外設(shè)驅(qū)動編程、應(yīng)用程序等。其中部分教學(xué)內(nèi)容適合科學(xué)研究而對工程應(yīng)用幫助不大，并不適用應(yīng)用型本科教學(xué)，如嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核源碼。部分教學(xué)內(nèi)容與前導(dǎo)課程內(nèi)容相似或相同，如ARM微處理器體系結(jié)構(gòu)、工作原理、匯編語言知識、與前導(dǎo)課“單片機原理及應(yīng)用”中內(nèi)容相似，C語言編程知識與前導(dǎo)課“C語言程序設(shè)計”相同。這些枯燥的或重復(fù)的教學(xué)內(nèi)容易使學(xué)生失去興趣。針對此，擬對課程內(nèi)容進行整體梳理和規(guī)劃調(diào)整，削減重復(fù)或相似內(nèi)容課時，將該部分內(nèi)容改為學(xué)生線上慕課自學(xué)；取消晦澀難懂的內(nèi)核源碼分析課時。改革前課程教學(xué)內(nèi)容如下：第一部分嵌入式技術(shù)概述，理論學(xué)時2，實驗學(xué)時0，課上講授；第二部分嵌入式微處理器體系結(jié)構(gòu)，理論學(xué)時4，實驗學(xué)時0，課上講授；第三部分嵌入式開發(fā)工具，理論學(xué)時2，實驗學(xué)時2，課上講授；第四部分嵌入式編程基礎(chǔ)(匯編語言和C語言)，理論學(xué)時6，實驗學(xué)時2，課上講授；第五部分嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核源碼，理論學(xué)時10，實驗學(xué)時2，課上講授；第六部分嵌入式內(nèi)部可編程模塊驅(qū)動編程，理論學(xué)時14，實驗學(xué)時6，課上講授；總學(xué)時48，其中理論學(xué)時38，實驗學(xué)時10。改革前理論學(xué)時比重大于實踐學(xué)時。改革后課程教學(xué)內(nèi)容如下：第一部分嵌入式技術(shù)概述，理論學(xué)時2，實驗學(xué)時0，課上講授；第二部分嵌入式微處理器體系結(jié)構(gòu)，講授理論學(xué)時0，實驗學(xué)時0，學(xué)生自學(xué)；第三部分嵌入式開發(fā)工具，理論學(xué)時2，實驗學(xué)時2，課上講授；第四部分嵌入式編程基礎(chǔ)(匯編語言和C語言) ，講授理論學(xué)時0，實驗學(xué)時0，學(xué)生自學(xué)；第五部分嵌入式內(nèi)部可編程模塊驅(qū)動編程，理論學(xué)時14，實驗學(xué)時12，課上講授；第六部分嵌入式應(yīng)用程序編程，理論學(xué)時10，實驗學(xué)時6，課上講授；改革后總學(xué)時48，理論學(xué)時28，實驗學(xué)時20，提升了實踐學(xué)時比重，取消了“嵌入式微處理器體系結(jié)構(gòu)”和“嵌入式編程基礎(chǔ)(匯編語言和C語言)”課堂授課部分，改為學(xué)生自學(xué)。

（二）實踐教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

實踐教學(xué)內(nèi)容是嵌入式原理與應(yīng)用課程的重要組成部分。傳統(tǒng)的實踐教學(xué)內(nèi)容設(shè)計完全服務(wù)于理論教學(xué)，而嵌入式技術(shù)的發(fā)展又日新月異，課程教材的理論內(nèi)容往往落后于企業(yè)的實際需求，導(dǎo)致實踐教學(xué)的內(nèi)容設(shè)計忽視了自身與工程實際的聯(lián)系[1]。在產(chǎn)教融合背景下，結(jié)合我校產(chǎn)業(yè)學(xué)院項目及企業(yè)項目，以學(xué)生能夠在工作中解決實際嵌入式應(yīng)用問題為目標(biāo)，凝練并設(shè)計了嵌入式基礎(chǔ)資源庫和嵌入式應(yīng)用資源庫?；A(chǔ)資源庫包括：（1）創(chuàng)建通用工程模板；（2）通用輸入輸出驅(qū)動編程實驗；（3）外部中斷驅(qū)動編程實驗；（4）模數(shù)轉(zhuǎn)換驅(qū)動實驗；（5）軟定時器實驗。項目應(yīng)用資源庫包括:（1）熱風(fēng)鍋爐溫度采集系統(tǒng)設(shè)計；（2)熱風(fēng)鍋爐風(fēng)機控制系統(tǒng)設(shè)計；（3）熱風(fēng)爐油泵控制系統(tǒng)設(shè)計；（4）智能裝備故障綜合診斷設(shè)計。其中，應(yīng)用資源庫與企業(yè)課題的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 應(yīng)用資源庫與企業(yè)課題對應(yīng)關(guān)系表

考慮到嵌入式技術(shù)更新較快，嵌入式資源庫應(yīng)不斷地補充更新，甚至可以根據(jù)企業(yè)需求改變教學(xué)的側(cè)重點，如目前教學(xué)的側(cè)重點是嵌入式驅(qū)動開發(fā)(參考表2)，而在走訪企業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用開發(fā)的崗位需求量開始逐年遞增，或許在未來幾年內(nèi)，其崗位需求數(shù)量會超過目前的嵌入式驅(qū)動開發(fā)。因此，在實踐教學(xué)內(nèi)容設(shè)計時應(yīng)時刻注意。

表2 改革前課程考核評價細(xì)則表

二、教師團隊能力建設(shè)

產(chǎn)教融合不僅是采用教育和崗位相結(jié)合的方式培養(yǎng)學(xué)生，教師參與到企業(yè)崗位中亦應(yīng)是產(chǎn)教融合的一部分，因為教師是課程教學(xué)的直接參與者和組織者，所以，借助于產(chǎn)教融合加強教師團隊的建設(shè)是十分必要的。教師團隊規(guī)模應(yīng)根據(jù)開課班級數(shù)量而定，我校開課班級從2016級到2019級，每級為電氣及其自動化3-4個班，電子信息工程2-3個班，所以教師團隊中配備2名主講教師，3名實驗員。

在教學(xué)模式改革之前，教師主講課程內(nèi)容，實驗員輔助教師完成實驗，但教師和實驗員都是主要從事教學(xué)工作，極少接觸一線的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工作，致使理論教學(xué)水平很高，而嵌入式系統(tǒng)開發(fā)水平低于理論水平。所以需要增強教師隊伍的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)水平。目前采用三種方法來實現(xiàn)：（1）通過合作的企業(yè)進行嵌入式開發(fā)的頂崗工作，通過頂崗工作，切實地了解企業(yè)在嵌入式項目中的技術(shù)需求，如此才能在教學(xué)過程中有針對地講解知識。（2）通過承接企業(yè)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)課題，在完成一個完整的課題過程中，教學(xué)團隊會充分了解到嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的流程、技術(shù)要點。不但有助于教學(xué)，亦可通過課題凝練與更新嵌入式資源庫。本次教改的實踐教學(xué)內(nèi)容設(shè)計就借助了企業(yè)課題。（3）若前兩種方法實現(xiàn)起來有一定的困難，可通過指導(dǎo)學(xué)生參加教育部承認(rèn)的各項科技競賽來提高團隊的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)能力。由于教育部承認(rèn)的各項科技競賽都具有一定的前瞻性、創(chuàng)新性、技術(shù)性要求，所以在師生參賽過程中，指導(dǎo)教師會對嵌入式的前沿技術(shù)產(chǎn)生較深刻的認(rèn)識，這也達到以賽促教，提升教學(xué)團隊能力的目的。

當(dāng)教學(xué)團隊的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)能力有了一定的提高后，由主講教師和實驗員共同凝練并設(shè)計嵌入式基礎(chǔ)資源庫和嵌入式應(yīng)用資源庫。

表3 改革后課程考核評價細(xì)則表

三、教學(xué)方法與教學(xué)模式建設(shè)

課程改革前，教學(xué)方法采用傳統(tǒng)的以教師講授理論知識為主、實驗員輔助實驗為輔的教學(xué)方式，該教學(xué)方法在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性方面和培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力方面，效果都不盡如人意。

課程改革后的教學(xué)模式分三步走：（1）知識的講解不再是主講教師課上利用板書和PPT的方式講授，而是采用講授法、演示法、練習(xí)法結(jié)合的方式講授。因基礎(chǔ)資源庫的實踐內(nèi)容在設(shè)計時是跟理論教學(xué)內(nèi)容配套的，所以主講教師可根據(jù)基礎(chǔ)資源庫和理論教學(xué)內(nèi)容，邊講邊實驗演示，教師講解完后，學(xué)生實際操作進行編程練習(xí)，出現(xiàn)問題由教師解答。如此，學(xué)生在學(xué)習(xí)時能“看得見，摸得著，做得出”，從而激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。當(dāng)然，此種方式下，學(xué)生編程練習(xí)環(huán)節(jié)僅由主講教師一人解答問題不易實現(xiàn)，可以配備1-2名實驗員輔助。（2）由于嵌入式應(yīng)用技術(shù)的復(fù)雜性，學(xué)生僅學(xué)習(xí)嵌入式理論知識，做嵌入式基礎(chǔ)資源庫中的實驗是不能滿足企業(yè)需求的，還需要將所學(xué)知識進行綜合，并且能夠運用于實踐。這種知識的綜合運用能力，僅依靠教師總結(jié)并講授給學(xué)生是不行的，一方面是主講教師花費大量精力去總結(jié)、去講授，另一方面是學(xué)生反映聽不懂，不愛聽。為了解決上述問題，滿足教學(xué)需求，利用嵌入式應(yīng)用資源庫進行教學(xué)。此部分課程設(shè)計采用探究式教學(xué)法。先設(shè)置情景模式，假定學(xué)生都是企業(yè)的工程師，即將完成應(yīng)用資源庫的設(shè)計內(nèi)容，學(xué)生3-5人/組，組成課題團隊，接到嵌入式設(shè)計任務(wù)后，學(xué)生小組根據(jù)指導(dǎo)教師的任務(wù)大綱自主查找資料，進行方案設(shè)計，進行原器件選型與采購(這里推薦采購嵌入式開發(fā)板和嵌入式模塊，可避免元件焊接)，然后進行硬件設(shè)計，進行嵌入式編程，最后形成技術(shù)報告。在整個教學(xué)過程當(dāng)中，學(xué)生成了主體，隨著項目的推進，學(xué)生在實踐中有了收獲感，積極性高，參與度高，師生探討多，有的小組甚至能提出不同的技術(shù)方案，教學(xué)效果遠高于教學(xué)改革之前。（3）完成第1步和第2步后，嵌入式原理與應(yīng)用的課堂教學(xué)主體部分就已經(jīng)完成了。然而為了更進一步提升學(xué)生的嵌入式應(yīng)用能力，還應(yīng)該鼓勵學(xué)生參加教育部承認(rèn)的各項科技競賽[2]。一方面可以達到以賽促學(xué)，強化學(xué)生應(yīng)用能力的目的，另一方面可以從獲獎參賽隊伍的方案中凝練出新的嵌入式應(yīng)用資源，補充嵌入式資源庫，還可以提高指導(dǎo)教師的實際項目開發(fā)水平，實現(xiàn)反哺教學(xué)內(nèi)容建設(shè)和教師團隊能力建設(shè)，形成閉環(huán)的課程教學(xué)改革。

四、課程考核評價體系建設(shè)

改革前的嵌入式考核方式主要是以理論考核為主，即采取期末試卷成績與平時成績結(jié)合的方式。該考核方式不能充分地評價學(xué)生的實踐動手能力、解決復(fù)雜工程問題能力、人文素養(yǎng)、團隊協(xié)作能力等，所以這種考核方式比較單一，其全面性、科學(xué)性、實用性較差。

改革后采用基于“過程”加“成果”的課程考核模式[3]。降低期末考試成績占比由原來的70%降低至30%，注重技能考核，淡化理論考核，將技能考核由原來的12%提升至60%；強調(diào)平時的學(xué)習(xí)和工作態(tài)度，體現(xiàn)真實的技能水平[4]?？己税ㄆ綍r成績、基礎(chǔ)實驗成績、項目應(yīng)用或產(chǎn)品功能設(shè)計成績、報告、基礎(chǔ)理論知識考核組成。

五、展望

課程在產(chǎn)教融合的背景下，結(jié)合實際情況從內(nèi)容建設(shè)、教學(xué)團隊能力建設(shè)、教學(xué)方法與教學(xué)模式建設(shè)、課程評價體系建設(shè)四個方面提出改革措施，根據(jù)企業(yè)需求進行人才培養(yǎng)，在一定程度上實現(xiàn)了成果導(dǎo)向教育。

下一階段，應(yīng)根據(jù)OBE教學(xué)理念進一步進行課程改革，根據(jù)畢業(yè)要求劃分指標(biāo)點[5]。然后，再次細(xì)化評價標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)畢業(yè)要求達成度的計算。