王夢(mèng)覺(jué) 梁麗麗

摘要：伴隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，企業(yè)對(duì)工程人才的要求也發(fā)生了變化，企業(yè)更加注重學(xué)生的解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力、創(chuàng)新能力和跨學(xué)科交叉融合能力等。高校要培養(yǎng)出滿足時(shí)代要求的工程人才，就必須進(jìn)一步加強(qiáng)工程教育改革。本文深入地分析了“嵌入式系統(tǒng)”傳統(tǒng)教學(xué)中存在的不足，積極探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革路徑，提出教師應(yīng)該從實(shí)施單元整體教學(xué)設(shè)計(jì)、以崗位需求為導(dǎo)向設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段、采用“翻轉(zhuǎn)課堂+問(wèn)題驅(qū)動(dòng)+案例實(shí)踐”的線上線下混合式教學(xué)模式、健全實(shí)踐教學(xué)評(píng)價(jià)方式等方面入手，落實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，以提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)合作能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。本文提出了“嵌入式系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程的改革和優(yōu)化方法，以期為其他新工科專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供參考。

關(guān)鍵詞：新工科；嵌入式系統(tǒng)；工程實(shí)踐能力；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；改革

新時(shí)代對(duì)工程人才的要求推動(dòng)了新一輪的工程教育改革。在數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代，產(chǎn)業(yè)要求工程技術(shù)人員需要具備較強(qiáng)的工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力以及較高的綜合素質(zhì)［1］。高校應(yīng)該順應(yīng)時(shí)代發(fā)展要求，注重提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)，培養(yǎng)出更多應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才。

筆者結(jié)合“嵌入式系統(tǒng)”三個(gè)學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐，對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)現(xiàn)狀展開(kāi)調(diào)研和分析，探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程改革的路徑。采用優(yōu)化教學(xué)體系、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、更新實(shí)踐教學(xué)手段、改革實(shí)踐教學(xué)模式、健全實(shí)踐教學(xué)評(píng)價(jià)方式等舉措，將新工科教學(xué)理念融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)目標(biāo)，夯實(shí)了學(xué)生的嵌入式設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的應(yīng)用能力和實(shí)踐技能，達(dá)到了該課程承擔(dān)的畢業(yè)能力要求，提高了教學(xué)質(zhì)量。

1傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問(wèn)題

1.1教學(xué)的“碎片化”

在傳統(tǒng)的“嵌入式系統(tǒng)”課程的教學(xué)中，大多數(shù)教師都是根據(jù)教材原有的章節(jié)順序進(jìn)行教學(xué)，專注于每一節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)，忽視了教學(xué)的整體性，沒(méi)有對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行整合，沒(méi)有實(shí)施單元整體教學(xué)設(shè)計(jì)。分散的知識(shí)點(diǎn)不利于學(xué)生建立起這門課的知識(shí)體系，阻礙了他們有針對(duì)性地進(jìn)行相關(guān)的訓(xùn)練，也限制了學(xué)生對(duì)這門課程的知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)用，導(dǎo)致學(xué)生缺乏解決新問(wèn)題的能力。

1.2實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與職業(yè)技能要求脫節(jié)

目前，我國(guó)高校正朝著“雙師型”師資的方向發(fā)展，但是大部分高校中缺乏既有教學(xué)經(jīng)驗(yàn)又有實(shí)際應(yīng)用技能的“雙師型”教師。教師普遍缺乏企業(yè)實(shí)踐經(jīng)歷，不了解行業(yè)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，不能夠根據(jù)崗位技能要求對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，無(wú)法將企業(yè)真實(shí)項(xiàng)目引入實(shí)驗(yàn)課堂，過(guò)度依靠課本中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。然而，“嵌入式系統(tǒng)”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源常常缺少真實(shí)的工作場(chǎng)景，與企業(yè)實(shí)際有一定距離。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際工作要求脫節(jié)，導(dǎo)致大學(xué)生在畢業(yè)后進(jìn)入工作崗位時(shí)，往往會(huì)發(fā)現(xiàn)自己所學(xué)到的知識(shí)和實(shí)踐操作存在一定差距，不能很好地適應(yīng)工作崗位的要求。

1.3學(xué)生缺乏實(shí)踐訓(xùn)練

在傳統(tǒng)的“嵌入式系統(tǒng)”課堂教學(xué)中，大部分教師以知識(shí)講授為主，而忽視了對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力的訓(xùn)練。在課時(shí)安排上，強(qiáng)調(diào)理論課時(shí)的重要性，壓縮實(shí)驗(yàn)課時(shí)。在實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)上，教師對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)不夠重視，對(duì)實(shí)踐教學(xué)模式缺乏探索與實(shí)踐，這就導(dǎo)致了學(xué)生的實(shí)踐能力沒(méi)有得到鍛煉。在校學(xué)習(xí)期間，學(xué)生沒(méi)有機(jī)會(huì)接觸到嵌入式軟件開(kāi)發(fā)領(lǐng)域常用的設(shè)備，不能掌握嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程和方法。在畢業(yè)后，學(xué)生不具備進(jìn)行嵌入式軟件開(kāi)發(fā)的能力。

1.4實(shí)驗(yàn)室建設(shè)投入不足

一些學(xué)校不重視實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備不能夠支撐本專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和綜合實(shí)訓(xùn)的任務(wù)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)依賴于教師的自覺(jué)和自發(fā)的行為?！扒度胧较到y(tǒng)”課程要求學(xué)生完成基于STM32F1系列或STM32F4系列的接口編程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與編譯，需要將程序下載到實(shí)驗(yàn)儀器上，以便對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試和驗(yàn)證。由于缺少實(shí)驗(yàn)儀器，學(xué)生無(wú)法驗(yàn)證自己開(kāi)發(fā)出來(lái)的程序是否能實(shí)現(xiàn)功能要求，這就導(dǎo)致了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，不利于學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1.5教學(xué)評(píng)價(jià)體系不夠健全

由于受到傳統(tǒng)的教學(xué)觀念的影響，有些學(xué)校重視結(jié)果而輕視教學(xué)過(guò)程，導(dǎo)致“嵌入式系統(tǒng)”課程的評(píng)價(jià)體系較為簡(jiǎn)單，主要采用結(jié)課評(píng)價(jià)這種教學(xué)評(píng)價(jià)方式，即只在學(xué)期末進(jìn)行“嵌入式系統(tǒng)”成績(jī)的評(píng)定。這種評(píng)價(jià)方式并沒(méi)有將實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過(guò)程和效果完全反映出來(lái)，不利于鼓勵(lì)學(xué)生積極參與到實(shí)踐練習(xí)當(dāng)中。

2實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索

2.1優(yōu)化教學(xué)體系

筆者根據(jù)本科高年級(jí)學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律和思維發(fā)展的階段性特征，結(jié)合該課程承擔(dān)的畢業(yè)能力要求，對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行了整合，設(shè)計(jì)了教學(xué)單元。

第一章幫助學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)有初步的了解，第二章使學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)有深入的認(rèn)知，第三章讓學(xué)生熟悉嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法和程序調(diào)試方法，第四章使學(xué)生對(duì)STM32常用接口的工作原理和使用有一個(gè)較全面的認(rèn)識(shí)，第五章強(qiáng)化訓(xùn)練學(xué)生的嵌入式開(kāi)發(fā)能力。

2.2設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

筆者把企業(yè)項(xiàng)目場(chǎng)景引入“嵌入式系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，精心設(shè)計(jì)實(shí)踐訓(xùn)練項(xiàng)目，構(gòu)建多層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。針對(duì)課程特點(diǎn)和學(xué)生特點(diǎn)，設(shè)置了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)。其中，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)注重的是構(gòu)建項(xiàng)目場(chǎng)景，通過(guò)案例引導(dǎo)學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際生活，使學(xué)生掌握嵌入式接口開(kāi)發(fā)技術(shù)，使學(xué)生具備嵌入式接口的使用和相關(guān)開(kāi)發(fā)能力［2］；綜合實(shí)驗(yàn)則是采用小組合作學(xué)習(xí)的方式，要求學(xué)生站在整體的角度上，將所學(xué)的“嵌入式系統(tǒng)”課程的知識(shí)融會(huì)貫通，探索問(wèn)題的解決方法，完成實(shí)踐訓(xùn)練項(xiàng)目。

如下圖所示，學(xué)生在完成“采集光強(qiáng)傳感器數(shù)據(jù)”練習(xí)時(shí)，需要綜合運(yùn)用本課程之前學(xué)到的LED驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)、按鍵驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)、定時(shí)器驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)、UART驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)、IIC驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)等知識(shí)，同時(shí)，也需要使用《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》中的光敏傳感器相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，才能夠完成綜合實(shí)驗(yàn)。通過(guò)精心設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)練習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生整合各學(xué)科之間的知識(shí)，鍛煉了學(xué)生跨學(xué)科交叉融合能力［3］。

“嵌入式系統(tǒng)”綜合實(shí)驗(yàn)練習(xí)項(xiàng)目圖

2.3更新實(shí)踐教學(xué)手段

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是“嵌入式系統(tǒng)”課程教學(xué)的重要組成部分。高校要重視專業(yè)知識(shí)的傳授，更要重視學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。筆者從硬件資源、軟件資源、平臺(tái)資源、加強(qiáng)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室建設(shè)等方面入手，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段進(jìn)行更新。

在硬件方面，充分利用學(xué)?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室資源，在實(shí)驗(yàn)室完成“嵌入式系統(tǒng)”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并組織學(xué)生使用開(kāi)發(fā)板獨(dú)立完成實(shí)踐訓(xùn)練項(xiàng)目。這樣使學(xué)生在參與中感受到學(xué)習(xí)的樂(lè)趣，幫助學(xué)生掌握理論知識(shí)，也鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐能力。在軟件方面，使用IAREmbeddedWorkbenchforARM軟件平臺(tái)，為學(xué)生提供了嵌入式系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。在平臺(tái)資源方面，開(kāi)發(fā)了教學(xué)案例庫(kù)?！扒度胧较到y(tǒng)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)STM32F1系列和STM32F4系列處理器這兩種不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。教學(xué)案例需要具有代表性，要基于行業(yè)主流的嵌入式處理器和主流的“嵌入式系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)計(jì)教學(xué)案例。此外，還需要加強(qiáng)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，為學(xué)生提供完成“嵌入式系統(tǒng)”課程的實(shí)驗(yàn)練習(xí)、準(zhǔn)備畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）、準(zhǔn)備學(xué)科競(jìng)賽等的場(chǎng)所。

2.4改革實(shí)踐教學(xué)模式

在新工科建設(shè)的大背景下，為了提高學(xué)生們的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，必須對(duì)“嵌入式系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行改革。在完成“嵌入式系統(tǒng)”各教學(xué)單元的知識(shí)講解和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)練習(xí)之后，教師會(huì)安排一系列的綜合實(shí)驗(yàn)練習(xí)作為課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的內(nèi)容，以鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。課程設(shè)計(jì)的教學(xué)模式以O(shè)BE教育思想為基礎(chǔ)，采用線上與線下相結(jié)合的方式進(jìn)行教學(xué)。在混合式教學(xué)中，學(xué)生的學(xué)習(xí)由課前、課中和課后三部分組成。

課前：線上自學(xué)。教師精心設(shè)計(jì)項(xiàng)目案例內(nèi)容，發(fā)布綜合實(shí)驗(yàn)練習(xí)和考核評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。學(xué)生充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源進(jìn)行預(yù)習(xí)。

課中：線下分組討論和合作。教師還原真實(shí)的項(xiàng)目場(chǎng)景，組織學(xué)生以學(xué)習(xí)小組的方式參與到課堂活動(dòng)中，引導(dǎo)學(xué)生得出正確的認(rèn)知。學(xué)生在課堂上與其他同學(xué)協(xié)作，完成綜合實(shí)驗(yàn)練習(xí)，并展示研究成果。在小組研究成果展示以后，就進(jìn)入了評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生討論并評(píng)價(jià)其他小組的表現(xiàn)，教師對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，并進(jìn)行課堂總結(jié)。

課后：教師線下指導(dǎo)，學(xué)生持續(xù)改進(jìn)研究成果。

這種教學(xué)模式可以讓學(xué)生對(duì)前面課堂所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行進(jìn)一步的鞏固，可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，從而激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)的提升［4］。

2.5健全實(shí)踐教學(xué)評(píng)價(jià)方式

科學(xué)的教學(xué)評(píng)價(jià)方式可以將實(shí)踐教學(xué)與素質(zhì)教育相結(jié)合，提高學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合能力?！扒度胧较到y(tǒng)”作為一門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，應(yīng)實(shí)施多元化的教學(xué)評(píng)價(jià)方式，建立起較健全的實(shí)踐教學(xué)評(píng)價(jià)體系，從而更好地評(píng)價(jià)學(xué)生的動(dòng)手能力及綜合素質(zhì)。在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，可以采用過(guò)程考核和結(jié)果考核相結(jié)合的評(píng)價(jià)方式［5］。過(guò)程考核具體包括了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、課堂表現(xiàn)（含出勤情況）、綜合實(shí)驗(yàn)、課程論文等方面的內(nèi)容。結(jié)果考核采用實(shí)踐考試的形式，重點(diǎn)考查學(xué)生的嵌入式軟件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)能力、團(tuán)隊(duì)合作能力、創(chuàng)新能力等綜合素質(zhì)。過(guò)程考核=基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)（12.5%）+課堂表現(xiàn)（12.5%）+綜合實(shí)驗(yàn)（50%）+課程論文（25%）。學(xué)生的最終成績(jī)=結(jié)果考核（60%）+過(guò)程考核（40%）。

其中，無(wú)論是綜合實(shí)驗(yàn)，還是期末考試，都是以分小組合作的方式進(jìn)行。學(xué)生可通過(guò)查閱資料、探索解決問(wèn)題等方式，將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐項(xiàng)目中。小組成員除了需要共同完成課程設(shè)計(jì)、提交源程序文件、提交編譯后的可執(zhí)行程序、提交小組成員分工以及課程設(shè)計(jì)報(bào)告以外，還需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)答辯。這樣的考核形式，一是考查了學(xué)生的實(shí)踐能力、交流能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力；二是考查了學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)知識(shí)的理解和掌握程度；三是考查了學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程和方法的掌握情況。

3教學(xué)成效

筆者圍繞著如何解決“嵌入式系統(tǒng)”傳統(tǒng)教學(xué)中存在的不足，在這門課上開(kāi)展了三個(gè)學(xué)期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐，取得了以下成效：第一，與教學(xué)改革之前相比，學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)有了很大的改善，考試成績(jī)有了明顯提高?！扒度胧较到y(tǒng)”課程在實(shí)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革后，無(wú)不及格學(xué)生，優(yōu)秀率達(dá)45%。第二，學(xué)生的工程實(shí)踐能力得到了鍛煉。去年筆者所帶的19物聯(lián)網(wǎng)工程班的學(xué)生，在實(shí)習(xí)過(guò)程中都能迅速地適應(yīng)與嵌入式開(kāi)發(fā)相關(guān)的工作，對(duì)口就業(yè)率比例達(dá)到90%以上。第三，改變了教師的傳統(tǒng)教學(xué)方式。在教學(xué)過(guò)程中，做到了過(guò)程與結(jié)果并重，更加注重學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。教學(xué)方式的改變也得到了學(xué)生的認(rèn)可。第四，提高了教師的業(yè)務(wù)水平。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐過(guò)程中，教師按照實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革思路查資料、修改教學(xué)方案，提高了自身的專業(yè)水平。

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基金項(xiàng)目：2023年度河北外國(guó)語(yǔ)學(xué)院教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目“《嵌入式系統(tǒng)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與探索”（項(xiàng)目編號(hào)：HWJG2023013）

作者簡(jiǎn)介：王夢(mèng)覺(jué)（1990—），女，漢族，河北石家莊人，碩士，講師，中級(jí)工程師，計(jì)算機(jī)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)教研室主任，研究方向：嵌入式系統(tǒng)；梁麗麗（1978—），女，漢族，河北石家莊人，講師，研究方向：軟件工程。