殷婷婷，楊 忠，徐 楠，吳有龍，王瑩瑩，許 蓓

（1.金陵科技學院 智能科學與控制工程學院，江蘇 南京 211169 2.金陵科技學院 電子信息工程學院，江蘇 南京 211169）

0 引 言

為了應對全球新一輪科技革命和產業(yè)變革，高質量的應用型工程技術人才培養(yǎng)質量成為了影響國家工程技術水平和競爭力的關鍵因素，深化高等工程教育改革是提升我國工程技術人才培養(yǎng)質量和工程技術水平的必要途徑[1-2]。作為我國高等工程教育主動響應時代要求的戰(zhàn)略行動，新工科建設是提高人才培養(yǎng)能力，推動高等工程教育內涵質量發(fā)展的重要舉措[3-4]。

作為未來信息產業(yè)發(fā)展和各國戰(zhàn)略發(fā)展布局的重要方向，以互聯(lián)網和人工智能為主導的物聯(lián)網工程專業(yè)面臨人才培養(yǎng)的新挑戰(zhàn)和新要求[5]。多學科交叉融合的物聯(lián)網工程專業(yè)涉及了大量嵌入式系統(tǒng)技術的應用場景，通過開設嵌入式系統(tǒng)作為專業(yè)必修基礎課程，可以培養(yǎng)學生掌握良好的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)和應用能力，為后續(xù)開展大規(guī)模、工程化物聯(lián)網應用系統(tǒng)打下良好基礎，對于提高物聯(lián)網專業(yè)人才培養(yǎng)質量以滿足行業(yè)需求具有積極意義[6-7]。

本文將從應用型大學物聯(lián)網工程專業(yè)人才培養(yǎng)角度出發(fā)，積極探索新工科背景下嵌入式系統(tǒng)課程教學方法，對嵌入式系統(tǒng)課程的內容體系、實踐環(huán)節(jié)等展開探索與研究。

1 物聯(lián)網工程專業(yè)嵌入式系統(tǒng)課程特點

在互聯(lián)網時代，以高速度、高可靠、低功耗等為特征的嵌入式系統(tǒng)應用日益廣泛和深入，智能終端、傳感設備、工控設備、消費電子等嵌入式終端早已滲透到工業(yè)、社會以及生活中。物聯(lián)網涉及傳感器數據采集、導航定位、設備控制等大量嵌入式應用場景，包含嵌入式網絡設備（服務器/網關/路由器）和嵌入式設備（移動設備/信息家電/工業(yè)設備）的嵌入式系統(tǒng)是物聯(lián)網的唯一物聯(lián)源頭。嵌入式系統(tǒng)需求分析，軟硬件設計、開發(fā)和測試等，已經成為物聯(lián)網工程專業(yè)的學生要熟練掌握的重要技能。

因此，嵌入式系統(tǒng)課程是物聯(lián)網專業(yè)的必修課程，在人才培養(yǎng)方案中處于重要位置。通過開設“嵌入式系統(tǒng)”這一課程，培養(yǎng)學生掌握良好的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)和應用能力，為后續(xù)進一步開展大規(guī)模、工程化物聯(lián)網應用系統(tǒng)的研究、設計、開發(fā)和集成等打下良好基礎。

2 基于OBE理念的課程體系優(yōu)化

OBE（Outcome based Education, OBE）教育理念又稱為成果導向教育，是一種以成果為目標導向，以學生為本，采用逆向思維方式進行的課程體系建設理念。在OBE工程教育理念中，認可教師必須對人才培養(yǎng)目標有清晰的認識和準確的定位，尋求設計合適的課程教學目標、教學內容和課堂生態(tài)，并通過考核評價持續(xù)改進教學，從而有效促進學生的學習，保證預期目標的達成。

2.1 以學生為中心確定教學目標

根據物聯(lián)網專業(yè)人才培養(yǎng)方案指導制定的教學大綱要求，結合金陵科技學院應用型本科院校定位，考慮學生思維活躍求知重實踐的年齡特征，明確以下教學目標：

（1）通過理論學習，掌握嵌入式系統(tǒng)的組成、需求分析、軟硬件設計布局方法等知識，熟悉常見嵌入式核心處理器的結構、指令系統(tǒng)和編程邏輯等。

（2）通過實驗實踐環(huán)節(jié)，具備一定的嵌入式系統(tǒng)設計、分析和綜合應用能力，能夠掌握基于嵌入式集成開發(fā)環(huán)境實現嵌入式系統(tǒng)資源開發(fā)調配、軟硬件協(xié)調和應用實踐的能力。

2.2 優(yōu)化課程教學體系

2.2.1 理論與實驗穿插交融

課程體系包含了2.5學分的課程教學和1學分的課程設計，其中課程教學涵蓋了32學時的理論學習和8學時的實驗操作。在課程教學過程中將理論課程與實驗操作有機結合，通過課內實驗及時鞏固理論知識內容，加深理解，提升課程目標完成度。嵌入式課程體系如圖1所示。

圖1 嵌入式課程體系

2.2.2 通過應用案例概覽全貌

立足于應用型大學人才培養(yǎng)需求，在課程教材和教學內容選取過程中，應注意突出物聯(lián)網應用需求，弱化深層次原理；突出實驗實踐，避免過多過深的技術細節(jié)；突出知識體系的通用性和連貫性。根據以上要求，課程可以從物聯(lián)網專業(yè)實際應用案例出發(fā)，概覽嵌入式系統(tǒng)全貌。圖2展示了基于智能家居系統(tǒng)案例的嵌入式系統(tǒng)全貌。

圖2 基于智能家居系統(tǒng)案例的嵌入式系統(tǒng)全貌

2.2.3 圍繞問題構建知識體系

為了提高學生對課程知識的理解以及綜合運用水平，本課程引入圍繞問題構建知識體系的做法，包括：構建概念和原理的知識問題化，構建設計方法知識體系時的知識問題化，構建外設應用專題體系時的知識問題化，幫助學生學會根據需要構建的知識體系，從而加深記憶和理解，提高綜合應用和創(chuàng)新等能力，如圖3所示。

圖3 圍繞問題構建嵌入式系統(tǒng)課程體系

2.2.4 課程思政元素有機融入

高校思想政治教育應始終堅持把立德樹人作為教育的根本任務，應充分挖掘專業(yè)理論課程的育人元素，將思政教育深入到每一個環(huán)節(jié)[8]。嵌入式系統(tǒng)課程在多個教學環(huán)節(jié)有機融入思政元素。

（1）引導學生堅定理想信念，增強綜合素養(yǎng)

緊抓物聯(lián)網行業(yè)快速發(fā)展戰(zhàn)略機遇，立足應用型高校定位，引導學生知識與應用結合，增強綜合素養(yǎng)，引導學生堅定理想信念，積極實現個人價值。

（2）引導學生厚植愛國主義情懷

嵌入式處理器（芯片）是嵌入式系統(tǒng)的核心，結合中美貿易戰(zhàn)、美國芯片封鎖背景、國內外現狀，引導學生厚植愛國主義情懷，為國奉獻。

3 多層次多元化實踐教學

在新工科背景下，借助多層次實踐教學循序漸進的實踐教學體系，構建基于樹莓派的口袋實驗室，實現物聯(lián)網專業(yè)學生的實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

3.1 口袋實驗室建設

為滿足學生全天候開放實驗的學習需求，突破實驗室場地、設備數量、實驗室管理等多種因素的制約，根據現有的嵌入式系統(tǒng)設備，建設基于樹莓派開發(fā)板的口袋實驗室。根據物聯(lián)網專業(yè)特點，購置了多達一百套的ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)板以及配套的常規(guī)傳感器與控制器模塊，如溫濕度傳感器、紅外傳感器、壓力傳感器、4G/WiFi模塊、北斗/GPS定位模塊等。套件的功能涵蓋了模擬/數字電路、嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網通信技術、物聯(lián)網識別技術等多個課程的教學?？诖鼘嶒炇业慕ㄔO，體現了一種創(chuàng)新的教學理念，平衡了學生學習主觀能動性與管理制度之間的矛盾，有助于學生創(chuàng)新實踐能力和個性化的長遠發(fā)展，是一個真正的全開放、全共享、一體化的自主學習實踐平臺[9-10]。

3.2 多層次實踐教學內容設計

嵌入式系統(tǒng)課程實踐教學環(huán)節(jié)是完成物聯(lián)網硬件系統(tǒng)設計的核心課程。為了滿足這一應用需求，根據課程體系安排，融合基礎型、綜合型、進階型等多層次實踐教學內容，構建滿足個性化需求的實踐內容體系，見表1所列。

表1 多層次個性化實踐課程內容設計

該實踐體系以基礎型和綜合型為抓手，瞄準人才培養(yǎng)方案和課程目標，培養(yǎng)學生的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)本領；同時以進階型為契機，課題融合學生的個性化興趣愛好，以分組方式協(xié)同完成，旨在探索學生對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)乃至物聯(lián)網系統(tǒng)構建的潛力。

3.3 多元化實踐教學方法改革

3.3.1 以學生為主體

以學生為主體，以教師為主導，激發(fā)學生的學習內驅力，提高學生的學習積極性；調整傳統(tǒng)授課方式，以實驗引入法激發(fā)學生興趣和好奇心；創(chuàng)設合理問題情境，精心設計啟發(fā)性問題進行教學，釋放學生潛能；理解、尊重、信任學生，以良好師生關系鞏固學習效果。

3.3.2 融“教學做”為一體，提升實踐教學效果

課前布置項目任務，學生提前查找相關接口、代碼資料等，提出解決方案；課堂理論實踐相結合，教師示范與點評引導交叉，初步完成任務；課后反饋回顧，總結提升，提出更優(yōu)的項目解決方案。

3.3.3 合理使用現代教育技術，提升廣度和質量

課堂內適當引入Kahoot趣味測驗、Padlet分組討論等，依托MOOC/超星/QQ群等平臺進行作業(yè)、測驗、教學反饋，及時調整教學策略。

3.3.4 緊密應用需求，廣泛涉獵

立足應用型本科，著眼于物聯(lián)網專業(yè)時代新興專業(yè)的機遇，充分利用產學研、學科競賽、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺，鼓勵學有余力的學生廣泛涉獵，培養(yǎng)具有自主學習、創(chuàng)新、團隊合作能力的專業(yè)人才。

4 結 語

本文從新工科戰(zhàn)略時代背景出發(fā)，在OBE工程教育理念的指導下，優(yōu)化構建嵌入式系統(tǒng)課程體系，落實完整的“教學做”一體化模式；選用典型ARM-Cortex-A7作為硬件核心的樹莓派開發(fā)板打造“口袋實驗室”。在充分考慮課題與行業(yè)熱點需求緊密度和個性化選擇余量的前提下，設計個性化多層次進階型實踐課程內容，充分激發(fā)了學生的主觀能動性和掌握知識技能的潛力，培養(yǎng)了學生的綜合素質和合作創(chuàng)新能力，為物聯(lián)網應用型人才培養(yǎng)目標提供了強有力的支撐。