“電子信息+”背景下嵌入式系統(tǒng)教學(xué)設(shè)計與實施策略研究

王冠軍，江海峰，林果園，鮑 宇，趙 瑩

(中國礦業(yè)大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州221116)

1 改革背景

當(dāng)前世界范圍內(nèi)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革加速進(jìn)行，在這種背景下“中國制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”、“電子信息+”等重大戰(zhàn)略與概念應(yīng)運而生，新工科教育風(fēng)起云涌［1］。嵌入式方向人才培養(yǎng)改革在這其中扮演起越來越重要的作用［2－3］。它以引導(dǎo)高等學(xué)校加強(qiáng)相關(guān)專業(yè)和課程建設(shè)，提高學(xué)生創(chuàng)新能力、理論知識應(yīng)用能力為目標(biāo)，使學(xué)生精通嵌入式硬件開發(fā)和相關(guān)軟件編程開發(fā)工具，掌握嵌入式設(shè)計的基本理論和開發(fā)流程，達(dá)到各類智能硬件開發(fā)企業(yè)、移動應(yīng)用開發(fā)企業(yè)對卓越工程師的基本要求是我們追求的目標(biāo)，其中的計算思維教育成為當(dāng)前高校嵌入式方向人才培養(yǎng)中的一項重要內(nèi)容［4－6］，“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”也在這其中扮演十分重要的角色［7－8］。信息技術(shù)行業(yè)人才倍受青睞，就業(yè)前景廣闊［9－10］。

2 教學(xué)改革創(chuàng)新點

本文針對嵌入式方向人才培養(yǎng)創(chuàng)新性的提出了基于計算思維自主培養(yǎng)的教學(xué)模型，培養(yǎng)學(xué)生利用計算思維進(jìn)行復(fù)雜嵌入式工程問題求解訓(xùn)練，同時對理論與實踐課程體系進(jìn)行了豐富完善，應(yīng)用到實際的嵌入式方向課程群的教學(xué)實踐工作中，搭建了“學(xué)競一體”的嵌入式學(xué)科競賽平臺，其創(chuàng)新點體現(xiàn)在:

(1) 教學(xué)理念創(chuàng)新。更新教學(xué)理念，以學(xué)生計算思維能力培養(yǎng)為中心。把“知識傳授”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸R探究”，把“知識接受”轉(zhuǎn)變?yōu)椤澳芰ε囵B(yǎng)”，培養(yǎng)學(xué)生主動運用計算思維通過探究來建構(gòu)自己的知識結(jié)構(gòu)，而創(chuàng)新型學(xué)生的能力培養(yǎng)就是在這一探究過程中實現(xiàn)的。

(2) 教學(xué)模式與方法創(chuàng)新。理論課程體系構(gòu)建3 +X 專業(yè)課程體系，在專業(yè)主干課程中設(shè)置3 個課程組，實施人才分類培養(yǎng)。在專業(yè)選修課中，設(shè)置X 方向課程，實現(xiàn)某一個方面技術(shù)和能力的培養(yǎng)。增強(qiáng)實踐教學(xué)，構(gòu)建復(fù)雜工程問題背景下的嵌入式人才培養(yǎng)實踐教學(xué)體系，形成由基礎(chǔ)到應(yīng)用、由理論到實踐(“正三角形”) 的循序漸進(jìn)的實踐教學(xué)體系。

(3) 學(xué)生發(fā)展方式創(chuàng)新。創(chuàng)建嵌入式方向創(chuàng)新人才培養(yǎng)平臺，學(xué)生通過參與校企聯(lián)合復(fù)雜工程求解訓(xùn)練、嵌入式競賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目全面激發(fā)自身的創(chuàng)新潛能，促進(jìn)自身全面發(fā)展。建立學(xué)生參與的人才培養(yǎng)平臺完善機(jī)制，實現(xiàn)學(xué)生發(fā)展支持的全面化與精細(xì)化。

3 嵌入式人才培養(yǎng)改革與探討

3.1 主要目標(biāo)

本研究結(jié)合目前嵌入式人才培養(yǎng)的熱點內(nèi)容，提出“以學(xué)生發(fā)展為根本、以創(chuàng)新能力提升為主線、以社會需求為出發(fā)點、以知識學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)、以學(xué)科競賽為延展、以復(fù)雜工程實踐為手段、以服務(wù)社會為宗旨”的教育理念與方法，注重學(xué)生知識、能力和素質(zhì)的全面綜合發(fā)展，創(chuàng)立了“知識學(xué)習(xí)、學(xué)科競賽、科學(xué)研究、工程實踐”結(jié)合的嵌入式方向?qū)I(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。學(xué)院建立了體系完整、特色鮮明、開放共享的嵌入式方向人才培養(yǎng)創(chuàng)新實踐基地，形成“教學(xué)、實踐、科研、競賽四位一體互動、互促共創(chuàng)新”的培養(yǎng)模式。建設(shè)主要內(nèi)容有:

(1) 構(gòu)建以創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的卓越工程師理論課程體系。注重嵌入式方向基礎(chǔ)理論，科學(xué)型與應(yīng)用型兼顧。突出求解復(fù)雜工程問題的有效方法。重點培養(yǎng)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與分析能力，嵌入式應(yīng)用軟件和系統(tǒng)軟件開發(fā)能力。課程內(nèi)容更加面向工程，強(qiáng)調(diào)寬基礎(chǔ)、重實踐、重應(yīng)用，教學(xué)內(nèi)容適當(dāng)削減部分課程學(xué)時。課程教學(xué)與考核結(jié)合工程實際進(jìn)行，在專業(yè)課教學(xué)中逐步推進(jìn)交互式微課與翻轉(zhuǎn)課堂相結(jié)合的教學(xué)方式。

(2) 構(gòu)建層次型嵌入式人才培養(yǎng)實踐教學(xué)體系。增強(qiáng)實踐教學(xué)，構(gòu)建課內(nèi)課外相結(jié)合，以能力培養(yǎng)為主線的實踐教學(xué)體系。增加創(chuàng)新性、綜合性實踐。通過學(xué)科競賽和創(chuàng)客實驗室等提高學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新能力，鼓勵學(xué)生申報研究創(chuàng)新性研究題目。重視引導(dǎo)，通過不同層面的實踐，提升不同層面的實踐能力。同時與高水平軟件企業(yè)合作建設(shè)了校外實習(xí)基地，結(jié)合企業(yè)實際工程需要，提高學(xué)生解決實際問題的能力和就業(yè)競爭力。

(3) 基于卓越目標(biāo)的創(chuàng)新型嵌入式人才培養(yǎng)平臺。通過開發(fā)針對嵌入式方向類課程的微學(xué)習(xí)平臺，錄制相關(guān)課程的微視頻，利用交互式MOOC +翻轉(zhuǎn)課堂的形式借助“雨課堂”平臺進(jìn)行知識的講授，全過程培養(yǎng)學(xué)生的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)實踐能力，課下利用QQ 群、微信公眾號、微博等方式與學(xué)生進(jìn)行交流溝通，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量與學(xué)習(xí)效果。

(4) 構(gòu)建“學(xué)競一體”的嵌入式學(xué)科競賽平臺。以教育部產(chǎn)學(xué)合作專業(yè)綜合改革項目為依托，組織成立學(xué)科競賽指導(dǎo)委員會和嵌入式設(shè)計俱樂部。組織和指導(dǎo)學(xué)生參加各級嵌入式專題邀請賽、機(jī)器人比賽、電子設(shè)計競賽，組建高質(zhì)量競賽隊伍。積極參加高水平嵌入式相關(guān)賽事，與學(xué)工密切溝通，完善獎勵機(jī)制，激發(fā)師生熱情，有力推動創(chuàng)新型學(xué)生培養(yǎng)。

圖1 計算思維自主培養(yǎng)的教學(xué)模型

3.2 實施方案

(1) 以嵌入式方向人才培養(yǎng)為目標(biāo)，建立了階梯式引導(dǎo)的計算思維自主養(yǎng)成模式。本文建立了計算思維自主培養(yǎng)的教學(xué)模型，通過以不同層次問題為導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生思維鍛煉方向，借助輔助平臺，由問題引導(dǎo)學(xué)習(xí)者運用計算思維思考，完成能力自主培養(yǎng)。如圖1 所示。

(2) 以復(fù)雜工程求解能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，構(gòu)建了嵌入式設(shè)計理論與實踐課程體系。理論課程體系中針對考研升學(xué)、卓越計劃和就業(yè)創(chuàng)業(yè)等不同類型學(xué)生培養(yǎng)的需求，構(gòu)建3 +X 專業(yè)課程體系。在專業(yè)主干課程中設(shè)置3 個課程組，實施人才分類培養(yǎng)，學(xué)生根據(jù)自己的基礎(chǔ)、興趣和發(fā)展自主選擇。在專業(yè)選修課中，兩門課為一組，設(shè)置X方向課程，實現(xiàn)某一個方面技術(shù)和能力的培養(yǎng)。增強(qiáng)實踐教學(xué)，構(gòu)建了基于工程實踐能力和復(fù)雜工程問題求解能力的多層次一體化實踐教學(xué)體系。實踐課程體系如圖2 所示。

(3) 以卓越目標(biāo)引領(lǐng)，建立了遞進(jìn)式多樣化嵌入式方向創(chuàng)新型人才培養(yǎng)平臺。本改革開發(fā)了針對嵌入式方向課程的微學(xué)習(xí)平臺，設(shè)計了電子設(shè)計硬件實驗平臺，全過程提高學(xué)生實踐動手能力。組織成立學(xué)科競賽指導(dǎo)委員會和嵌入式設(shè)計俱樂部、智能車俱樂部、TURBOT 機(jī)器人科技社團(tuán)。構(gòu)建“學(xué)訓(xùn)賽交融遞進(jìn)式”嵌入式學(xué)科競賽體系，組織和指導(dǎo)學(xué)生參加各級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃與高水平嵌入式賽事，通過課程學(xué)習(xí)→學(xué)科競賽→創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練→企業(yè)實踐，遞進(jìn)式流程推動了創(chuàng)新型學(xué)生培養(yǎng)。

圖2 基于“卓越工程師”計劃的嵌入式人才培養(yǎng)實踐教學(xué)體系

4 改革效果

(1) “一個中心、兩個平臺”的以計算思維能力培養(yǎng)、卓越工程師實踐、實踐深化雙創(chuàng)能力協(xié)調(diào)共贏的嵌入式方向人才培養(yǎng)模式不斷完善，并得到相關(guān)部門和專家的認(rèn)可，同時，成立了嵌入式技術(shù)俱樂部、智能車俱樂部、TURBOT 機(jī)器人科技社團(tuán)、智能機(jī)器人創(chuàng)客空間等組織，陸續(xù)有985 高校等兄弟院校前來學(xué)習(xí)、觀摩。ARM、NXP、Intel、大疆、博創(chuàng)等企業(yè)前來合作洽談。

(2) 建立了一定規(guī)模、體系完整、特色鮮明、開放共享的嵌入式方向人才培養(yǎng)創(chuàng)新實踐體系，積累了較豐富的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)經(jīng)驗，學(xué)生工程實踐、創(chuàng)新能力強(qiáng)。

(3) 畢業(yè)生以其扎實的專業(yè)功底和工程創(chuàng)新能力獲得國內(nèi)一流高校青睞。指導(dǎo)學(xué)生先后獲得百余項科技競賽的獎勵，同時鼓勵學(xué)生科技創(chuàng)業(yè)，目前已培育學(xué)生嵌入式及機(jī)器人方向創(chuàng)業(yè)公司3 家，效益良好。

5 結(jié)語

嵌入式方向人才培養(yǎng)是一項復(fù)雜系統(tǒng)工程，本文在這方面進(jìn)行了一些探討，成果獲煤炭工業(yè)協(xié)會教學(xué)成果獎二等獎并遴選為江蘇省教學(xué)成果獎培育項目，在人才培養(yǎng)中發(fā)揮了積極作用。希望本研究能夠?qū)η度胧椒较蛉瞬排囵B(yǎng)提供有益參考。