摘 要 嵌入式系統(tǒng)是電子信息類專業(yè)的核心課程之一，其涵蓋電子電路、計算機體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、編程語言以及各類通信協(xié)議等多領(lǐng)域的知識。文章針對當前嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)中存在的問題，提出將學(xué)科競賽與該課程的實踐訓(xùn)練相結(jié)合，并探索“課程思政、匠心育才”的實施路徑。實踐表明，課程改革對于提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力、創(chuàng)新意識以及職業(yè)素養(yǎng)具有較強的促進作用，并對競賽人才培養(yǎng)選拔、擴大競賽受益面、激發(fā)教師的教學(xué)熱情都有著積極意義。

關(guān)鍵詞 學(xué)科競賽；嵌入式系統(tǒng)；教學(xué)改革；工程認證

中圖分類號：G424 " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A " " DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2025.08.026

Reform and Practice of Embedded System Experimental Teaching Combined with Subject Competitions

ZHOU Yinghua1， ZHAO Lei2， ZHANG Wei1， LIU Dongzhuo1

（1. College of Electronic and Information Engineering， Southwest University， Chongqing 400715;

2. Chongqing AWCloud Technology Co.， Ltd.， Chongqing 400031）

Abstract The embedded system is one of the core courses in the electronic information major， covering knowledge in multiple fields such as electronic circuits， computer architecture， operating systems， programming languages， and various communication protocols. Aiming at the existing problems in the current teaching of the embedded system course， this paper proposes combining subject competitions with the practical training of this course and explores the implementation path of \"integrating ideological and political education into the curriculum and cultivating talents with craftsmanship spirit\". Practice shows that the curriculum reform has a strong promoting effect on improving students' ability to solve complex engineering problems， innovative awareness， and professional qualities. It also has positive significance for the cultivation and selection of competition talents， expanding the scope of students benefited from competitions， and stimulating teachers' teaching enthusiasm.

Keywords subject competitions; embedded system; teaching reform; engineering accreditation

嵌入式系統(tǒng)作為電子信息技術(shù)不可或缺的一部分，近年來在工業(yè)設(shè)備、交通管理、生物醫(yī)療的智能化應(yīng)用方面得到了廣泛的應(yīng)用，各行業(yè)對嵌入式系統(tǒng)設(shè)計研發(fā)人才的需求也在持續(xù)增長[1]。西南大學(xué)電子信息工程學(xué)院的通信工程專業(yè)是“國家一流本科專業(yè)建設(shè)點”，電子信息工程專業(yè)是“重慶市大數(shù)據(jù)化類特色專業(yè)”，兩個專業(yè)開設(shè)的“嵌入式系統(tǒng)”都是專業(yè)核心課程。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生將在理論和實踐上綜合掌握復(fù)雜電子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、硬件底層驅(qū)動開發(fā)，了解嵌入式操作系統(tǒng)的特點和使用方法，具備復(fù)雜電子產(chǎn)品的硬件系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用軟件開發(fā)的初步能力[2]。

全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽、嵌入式系統(tǒng)專題邀請賽、重慶市合泰杯單片機設(shè)計競賽等學(xué)科競賽，與高校相關(guān)專業(yè)的教學(xué)體系和實踐教學(xué)結(jié)合緊密，涵蓋電子電路、自動控制、通信調(diào)制、智能信號處理等方面的考點[3-4]。參加競賽的學(xué)生除了掌握專業(yè)理論知識外，還需具備較為扎實的實踐能力，并具有良好的團隊協(xié)作與創(chuàng)新意識。

學(xué)科競賽的選題通常會涉及行業(yè)主流技術(shù)與新興研究方向，這與嵌入式系統(tǒng)課程中對新技術(shù)的學(xué)習(xí)和實踐密切相關(guān)，兩者的目標在很大程度上是一致的，都旨在培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)知識、實踐能力、創(chuàng)新精神和團隊協(xié)作能力[5-6]。筆者多年指導(dǎo)學(xué)科競賽，本教改將學(xué)科競賽與嵌入式系統(tǒng)實踐教學(xué)改革相結(jié)合，并融入思政元素，探索“以賽促改，教賽相長，價值引領(lǐng)”的有效途徑。

1" 教學(xué)現(xiàn)狀分析

1.1" 綜合性較強，入門難度大

嵌入式技術(shù)涉及的知識領(lǐng)域廣泛，包括電子電路、硬件接口、驅(qū)動開發(fā)、C語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)等多個方面。這種跨學(xué)科的特性要求學(xué)生不僅要懂底層的硬件，而且要有較高的軟件編程能力，能夠處理軟件和硬件的交互問題[7]。部分學(xué)生先修課程基礎(chǔ)不扎實，知識點關(guān)聯(lián)能力弱，導(dǎo)致知識點零散不成體系，跟不上教學(xué)進度，極大削弱了學(xué)習(xí)主動性。

1.2" 實驗內(nèi)容單一，缺乏過程性考核

傳統(tǒng)實驗還停留在流水燈、A/D轉(zhuǎn)換、“看門狗”等模塊功能驗證性項目，學(xué)生按實驗講義進行實驗，所謂的“二次開發(fā)”僅是對某些參數(shù)的修改[8]。這類實驗項目往往缺乏高階性，沒有挑戰(zhàn)度，不能很好地整合嵌入式系統(tǒng)的多個知識點，導(dǎo)致學(xué)生綜合設(shè)計能力欠缺，創(chuàng)新意識匱乏。實驗成績主要根據(jù)學(xué)生的報告評分，對其學(xué)習(xí)過程的考核不足，不能客觀完整反映最終的學(xué)習(xí)效果，無法達到工程教育專業(yè)認證的人才培養(yǎng)要求。

1.3" 實驗設(shè)備匱乏，實驗資源使用受限

嵌入式系統(tǒng)實驗板、仿真器、信號源等設(shè)備價格偏高，且實驗過程中由于操作不當，設(shè)備損壞情況時有發(fā)生。由于經(jīng)費有限，配備的實驗板無法及時維修，在相當程度上限制了學(xué)生多元化工程能力的鍛煉。另外，采購的設(shè)備只適用于特定的教學(xué)項目，在學(xué)科競賽中需要重新購買其他開發(fā)板，造成資源重復(fù)與浪費。

2" 改革舉措

本教改項目緊密結(jié)合學(xué)科競賽，擬從重構(gòu)實驗體系、優(yōu)化實驗項目、更新軟硬件條件等多維度著手，如圖1所示。在組織實施上，一是要突出理論知識與實踐運用的結(jié)合，讓學(xué)生在“用中學(xué)”和“用中研”；二是要突出與學(xué)科競賽中新技術(shù)、新方法和新器件的結(jié)合，使學(xué)生具有更高的技術(shù)起點；三是要對標工科教育專業(yè)認證的人才培養(yǎng)要求，契合前沿科技及產(chǎn)業(yè)變革需求。

2.1" 重構(gòu)實驗項目體系

改革后的實驗體系仍保留嵌入式系統(tǒng)的經(jīng)典基礎(chǔ)實驗，其目的是通過訓(xùn)練夯實學(xué)生的基本技能。如STM32最小系統(tǒng)搭建、GPIO控制實驗、中斷與定時器應(yīng)用等傳統(tǒng)實驗，搭配常規(guī)傳感器（如溫度、光敏傳感器）A/D采樣實驗，讓學(xué)生熟悉嵌入式開發(fā)環(huán)境搭建、程序燒錄流程，為后續(xù)進階項目筑牢根基。

對于綜合性、設(shè)計性實驗項目，鼓勵學(xué)生根據(jù)自身能力、擅長方向和合作愿意進行組隊，為避免“出工不出力”的情況，團隊規(guī)?？刂圃?―3人/組，并有明確的分工。負責硬件設(shè)計的學(xué)生，專注電路設(shè)計、PCB" 制作焊接；負責軟件的學(xué)生，需要編寫板載驅(qū)動、算法設(shè)計，采用多種機器語言混合編程提升代碼效率；負責測試的學(xué)生，需要用示波器、頻譜分析儀深度剖析信號的完整性、時序問題，精準定位故障根源，排查程序漏洞。針對不同選題，教師對各組的設(shè)計方案進行審核并給出建議，但不過多參與具體開發(fā)。對于共性問題，及時組織討論反饋，提高實驗教學(xué)的效率。

對于創(chuàng)新性實驗項目，鼓勵學(xué)生大膽創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生敢為人先的創(chuàng)新精神。在學(xué)生熟練掌握實時操作系統(tǒng)（RTOS）如" FreeRTOS、RT-Thread" 的內(nèi)核機制的基礎(chǔ)上，鼓勵其在功能拓展、技術(shù)融合、人機交互優(yōu)化方面大膽嘗試，如把深度學(xué)習(xí)推理框架部署到低功耗嵌入式芯片，優(yōu)化執(zhí)行效率。學(xué)生在面對硬件兼容性、軟件漏洞、算法失效等問題時，要求其發(fā)揮團隊合力，優(yōu)化解決方案，總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，從而提升解決復(fù)雜工程問題的能力。通過完整項目的流程歷練，使學(xué)生扎實掌握嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的精髓。

2.2" 凝練競賽考點，優(yōu)化實驗項目

學(xué)科競賽的獲獎級別往往都有一定的比例，因此其題目要求設(shè)置，從基礎(chǔ)技術(shù)指標到發(fā)揮部分，都具有一定的難度區(qū)分，但考點均與所學(xué)課程有較強的相關(guān)性。例如，2023年全國大學(xué)生設(shè)計競賽的H題“信號分離裝置”，屬于信號處理方向，題目要求學(xué)生首先應(yīng)用電子電路中的知識點，搭建一個模擬信號加法器，然后用所設(shè)計的裝置將兩路信號進行分離，波形無失真，且幅度有一定的要求。

該題目需綜合應(yīng)用嵌入式技術(shù)，配合外圍電路進行設(shè)計。命題的指標點可轉(zhuǎn)化為難度分級的嵌入式技術(shù)的實驗項目，如多波形信號發(fā)生器、信號頻譜分析與降噪處理、數(shù)字式相位差測量儀等。通過該類項目的實踐，快速傅里葉變換、信號重構(gòu)、DDS9910、鎖相環(huán)等競賽中軟硬件的綜合應(yīng)用得以推廣。學(xué)生通過文獻查閱、設(shè)計選型、集成優(yōu)化、故障診斷等環(huán)節(jié)，將零散的知識點整合為條理清晰的知識鏈，其應(yīng)用理論知識解決實際問題的能力和創(chuàng)新意識得以提升，對專業(yè)前沿技術(shù)也有了更深入的了解。

2.3" 更新軟硬件實驗設(shè)施

為符合國家政策導(dǎo)向，提高學(xué)院自身的技術(shù)自主可控能力，降低辦學(xué)成本，近年來學(xué)院在改善辦學(xué)條件時，有組織地對EDA設(shè)計軟件進行了國產(chǎn)化更新。例如，嘉立創(chuàng)EDA替換了Altium" Designer，ProgeCAD替換了AutoCAD等。國產(chǎn)軟件經(jīng)過多年發(fā)展，在本科教學(xué)層面，已經(jīng)完全可以滿足教學(xué)要求，且操作與外國軟件無明顯差別，學(xué)生上手不需要太大難度。此外，學(xué)院耗資八十余萬元購買了天津德中儀器的激光雕刻機，將電路板加工精度提升到了0.2mm，并極大程度消除了環(huán)保隱患。此外，實驗中心組織教師，結(jié)合競賽要求和教學(xué)大綱，開發(fā)了“嵌入式實驗箱”。實驗軟硬件條件的改善，提升了師生的專業(yè)自信，也為通過工程教育專業(yè)認證奠定了堅實的基礎(chǔ)。

2.4" 挖掘課程思政元素

新版工程教育專業(yè)認證把培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新意識提到了更加突出的位置，要求學(xué)生不僅具備扎實的技術(shù)功底，還要有良好的職業(yè)操守[9]。在實踐中，筆者以專業(yè)知識為起點，以思政元素為落腳點，遵循思政、專業(yè)相長的原則，凝練不同層次實驗的思政元素，筑牢學(xué)生理想信念的根基，如表1所示：

在具體實驗過程中，綜合應(yīng)用案例法、項目驅(qū)動法將實操內(nèi)容與思政元素有機融合[10]。如指導(dǎo)教師通過分析我國高端芯片制造技術(shù)受制于人的問題，組織學(xué)生討論如何通過自身努力在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，培養(yǎng)學(xué)生的憂患意識和愛國情懷，激勵學(xué)生勇于創(chuàng)新、敢于擔當，為解決我國" “卡脖子”" 技術(shù)難題而努力學(xué)習(xí)；在查閱文獻資料、參考借鑒技術(shù)方案時，告誡學(xué)生尊重他人的知識產(chǎn)權(quán)，不抄襲、不盜用他人的代碼和設(shè)計成果，培養(yǎng)學(xué)生的法律意識和誠信精神。

2.5" 優(yōu)化考核方式

傳統(tǒng)的考核方式按照單個實驗完成情況和報告進行評分，過于偏向?qū)W生對獨立知識點的掌握情況，而忽視了對學(xué)生系統(tǒng)思維能力的培養(yǎng)[11]。改革后的考核方式強調(diào)學(xué)生在面對電子競賽的綜合性、挑戰(zhàn)性任務(wù)時，展現(xiàn)出的技術(shù)運用、問題解決、團隊協(xié)作以及創(chuàng)新應(yīng)變能力，考核主要包括以下內(nèi)容。

①項目完成情況。項目質(zhì)量從硬件設(shè)計、軟件編程、系統(tǒng)指標等方面進行考查。硬件部分考查原理圖規(guī)范性，元件布局合理性，是否充分考慮電磁干擾、信號完整性；軟件部分考查代碼規(guī)范性、注釋詳盡程度、算法效率，隨機抽選代碼片段讓學(xué)生闡釋邏輯，檢驗其掌握程度。系統(tǒng)指標依據(jù)項目要求考核，如數(shù)據(jù)采集精度、傳輸速率、系統(tǒng)響應(yīng)時間、控制準確率等，并模擬競賽場景，在規(guī)定時間內(nèi)完成測試，檢驗作品的可靠性和穩(wěn)定性。②過程表現(xiàn)。過程考核對精準評估學(xué)生在實驗各環(huán)節(jié)的實踐操作、問題解決、團隊協(xié)作能力等起著重要作用?？己藘?nèi)容包括：學(xué)生實驗表現(xiàn)，如PCB設(shè)計流程掌握程度，元件布局合理性、布線美觀度與電氣規(guī)則合規(guī)性、排查電路虛焊、程序編譯、快速定位、修復(fù)代碼邏輯錯誤等方面的熟練程度；實驗日志，從測試數(shù)據(jù)、難點解決思路及方法、心得收獲等方面進行考查，以培養(yǎng)學(xué)生的項目管理素養(yǎng)；進展匯報，考查學(xué)生能否踴躍提出見解、質(zhì)疑、主動分享調(diào)測經(jīng)驗，以及學(xué)習(xí)熱情與參與度。為保證客觀性，過程考核采用了互評與自評結(jié)合的方式，在一定程度上也培養(yǎng)了學(xué)生自省借鑒的能力。③創(chuàng)新拓展。創(chuàng)新拓展主要考查學(xué)生在完成規(guī)定任務(wù)后，融入新技術(shù)、新創(chuàng)意的項目拓展情況。如有的課題小組將智能導(dǎo)盲杖應(yīng)用于無障礙出行輔助系統(tǒng)，或?qū)D像處理與智慧農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測結(jié)合。課程組教師組織小組答辯，要求學(xué)生進行成品演示，結(jié)合拓展報告的深度評估其創(chuàng)新性、可行性，依據(jù)實際應(yīng)用價值加分，契合競賽鼓勵創(chuàng)新的導(dǎo)向。 ④思政考核。除了對學(xué)生實驗項目技術(shù)層面的評價外，總成績設(shè)置10%左右的權(quán)重給思政考核?？己藘?nèi)容包括學(xué)生在實驗過程中的團隊協(xié)作表現(xiàn)（團隊成員評價、分工合作情況）、創(chuàng)新能力（是否有新的實驗思路或技術(shù)應(yīng)用）、工程倫理意識（實驗設(shè)計是否考慮安全性、隱私等倫理問題）、家國情懷體現(xiàn)（是否了解實驗內(nèi)容在國家戰(zhàn)略中的價值）、科學(xué)嚴謹態(tài)度（實驗操作規(guī)范程度、測試數(shù)據(jù)分析的真實準確性）等。

3" 改革效果

教學(xué)改革在提升育人效果的同時，也為競賽人員選拔創(chuàng)造了有利條件。經(jīng)過有質(zhì)有量的實踐訓(xùn)練，學(xué)生的知識系統(tǒng)性、工程能力、創(chuàng)新思維、職業(yè)操守等各方面均得到了提升，參賽師生的關(guān)系也更加和諧。2023年，學(xué)院23組學(xué)生參加全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽，19組獲獎，其中全國一等獎1項，全國二等獎4項，市級獎14項，5位教師獲市級“優(yōu)秀指導(dǎo)教師”榮譽稱號，獲獎質(zhì)量數(shù)量均創(chuàng)歷史新高。" 2024年，學(xué)院學(xué)生參加重慶市“合泰杯”單片機設(shè)計競賽，獲得一等獎3項，二等獎4項，極大地增強學(xué)生的自信心和成就感。科學(xué)競賽的獲獎經(jīng)歷在升學(xué)時往往能作為重要的支撐材料，為學(xué)生爭取到更好的升學(xué)機會。據(jù)統(tǒng)計，在近三年推免的研究生中，參加過學(xué)科競賽的學(xué)生占比為93.4%。教賽結(jié)合的改革實效，讓教師感受到自己的付出得到了認可，也使教師更新知識結(jié)構(gòu)、深化教學(xué)改革、緊跟行業(yè)發(fā)展趨勢有了更強的內(nèi)驅(qū)力。

4" 結(jié)語

工程教育專業(yè)認證要求實踐項目必須源于實際的工程案例，使學(xué)生“真刀真槍”開展實訓(xùn)。學(xué)科競賽緊密結(jié)合產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，本教改項目以競賽打通人才培養(yǎng)與實踐教學(xué)的阻塞，將競賽成果作為人才培養(yǎng)的外化指標，構(gòu)建實踐教學(xué)新模式。與此同時，實踐教學(xué)改革也為學(xué)科競賽的人才選拔、教練團隊建設(shè)、組織保障等起到了支撐作用，使其得以不斷的修正和完善。因此，本文所探討的“教賽融合、以賽促教”模式對創(chuàng)新復(fù)合型人才培養(yǎng)具有較強的現(xiàn)實意義。同時，分層次實驗與課程思政的有機融合，也為解決“思政育人”與實踐課程有效連接不足的問題提供了新的思路。

*通信作者：劉東卓

基金項目：2024年教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目“結(jié)合工程教育專業(yè)認證的‘嵌入式系統(tǒng)’教學(xué)改革與實踐”（230902405210347）；2024年教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目“新工科下FPGA課程實驗體系建設(shè)”（231002405103524）；2023年重慶市教育教學(xué)改革研究項目“OBE理念下的《單片機與接口技術(shù)》實驗項目的建設(shè)與更新”（233121）。

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