高職院校嵌入式系統(tǒng)課程教學改革與實踐

瞿敏 古玉年

摘要：以嵌入式開發(fā)與應用系列課程的教學改革為切入點，從課程體系建設、校企合作教學資源開發(fā)、教學手段多元化等方面探索了高職院校人才培養(yǎng)的教學改革方法。校企合作推動下的課程教學改革促進了“雙師型”教師隊伍建設，有助于復合型技術(shù)技能人才培養(yǎng)，提高人了才培養(yǎng)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng);教學改革;職業(yè)教育;校企融合

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）19-0108-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，勞動生產(chǎn)率要求進一步提高。產(chǎn)業(yè)升級也迫使企業(yè)對專業(yè)技術(shù)型人才需求增加。然而職業(yè)院校傳統(tǒng)育人方式培養(yǎng)出的人才職業(yè)能力與企業(yè)用人需求仍然存在一定差距。人才的供需矛盾促使職業(yè)教育加快人才培養(yǎng)改革。2019年國務院印發(fā)《國家職業(yè)教育改革實施方案》（職教20條）指出要完善育訓并重的現(xiàn)代職業(yè)教育體系，通過深度產(chǎn)教融合、校企“雙元”育人等舉措，深化復合型技術(shù)技能人才培養(yǎng)培訓模式改革，著力打造“雙師型”教師隊伍，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，培養(yǎng)高素質(zhì)勞動者和技術(shù)技能人才。改革實施方案為職業(yè)教育改革之路指明了方向[1-2]。

電子信息作為發(fā)展最為迅速的行業(yè)之一，與其密切相關(guān)的嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)人才需求日益旺盛[3]。很多院校也將嵌入式開發(fā)與應用作為電子信息類專業(yè)人才培養(yǎng)的重要核心技能之一。嵌入式系統(tǒng)課程的知識綜合性、技能實踐性都很強，涉及軟件編程、硬件設計與調(diào)試等綜合應用能力[4-5]。開設相關(guān)課程將會對專業(yè)基礎知識的融合與應用起到重要作用，同時對職業(yè)院校電子信息類專業(yè)人才培養(yǎng)、提升學生專業(yè)技能與創(chuàng)新能力有著重要意義。本文以嵌入式開發(fā)與應用系列課程教學改革為切人點，探索了高職院?；谛Ｆ舐?lián)合教學資源開發(fā)與人才培養(yǎng)的改革方法，推進電子信息專業(yè)教學改革、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

2 教學現(xiàn)狀分析

2.1 生源特點

近年來高職院校招生對象范圍擴大、生源類型多樣，導致學生學習能力和學習基礎差異增大。面對綜合能力要求較高的嵌入式開發(fā)課程，如單片機教學，基礎相對薄弱的學生往往會表現(xiàn)出一定的畏懼感，缺乏學習興趣，學習效果不理想;而能力較好的學生在學習過程中表現(xiàn)出進一步深入學習的愿望，單一的課堂教學往往已不能滿足他們的學習需求。因此針對學生學情差異并依據(jù)學習規(guī)律設計具有縱向階梯層次化與橫向可擴展的嵌入式課程教學體系是嵌入式教學改革研究所主要解決的問題之一。

2.2 內(nèi)容設置

目前高職院校針對微控制器的嵌入式開發(fā)教學往往以經(jīng)典51單片機作為教學內(nèi)容。51單片機教學具有相對豐富與成熟的教學資源，配套的實訓平臺以集成化的綜合硬件平臺居多。平臺硬件固化導致模塊接口復雜，限制了功能模塊的數(shù)量與種類，相對較大的體積不便于攜帶，限制了學生課后練習與調(diào)試。另外隨著嵌入式技術(shù)和新型單片機市場的發(fā)展需求，51單片機開發(fā)已經(jīng)不能滿足專業(yè)技術(shù)發(fā)展需要。為了適應市場對專業(yè)技能的要求，有些院校取消了51單片機教學而直接開設M3或M3以上內(nèi)核的32位機的嵌入式教學。但由于32位機功能強大、結(jié)構(gòu)復雜，種類繁多，且適合于職業(yè)院校教學使用的配套資源相對缺乏，導致教學難度提升、學生學習挑戰(zhàn)加大、教學效果往往不盡人意。

2.3 教學方法

嵌入式應用開發(fā)類課程具有很強的實踐性和工程應用性，目前嵌入式教學采用以教師主導下的“理論+試驗”的模式開展，試驗內(nèi)容以驗證性為主，設計性與綜合性項目相對較少，不利于學生創(chuàng)新性能力的培養(yǎng)[6-7]。任課教師由于工程實踐經(jīng)驗不足也會導致教授內(nèi)容與工程應用脫節(jié)，教學過程中出現(xiàn)新型技術(shù)與工程理念滲透不夠的情況。學生學習的途徑也僅限于課堂與書本，教學手段和教學資源單一不利于學生自主學習能力的培養(yǎng)以及學習興趣的激發(fā)。因此傳統(tǒng)的教學方法已不能完全適應當前高技能創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標的要求。

3 教學改革措施

3.1 三段階梯式課程教學體系

根據(jù)學生基本學情與學習規(guī)律，制定從“基礎”到“擴展”再到“綜合”的三段式嵌入式課程教學體系。通過“打基礎”“拓技能”到“練實戰(zhàn)”層層推進教學目標。

首先，在第二學期開設以經(jīng)典8位51單片機為主體的嵌入式應用與開發(fā)課程。教學重點放在單片機基本結(jié)構(gòu)與資源、接口電路原理、軟件編程設計方法等基礎內(nèi)容。相對于32位單片機51單片機結(jié)構(gòu)簡單、教學資源豐富、開發(fā)手段成熟，有利于提高學生學習興趣，更加適合初學者快速入門。通過這一階段對單片機開發(fā)方法和設計理念的系統(tǒng)教學，可以為進一步深入學習嵌入式設計打好基礎。

其次，為適應行業(yè)技術(shù)發(fā)展需求在第三學期開設以Cor-tex-MO新型內(nèi)核32位ARM單片機為載體的嵌入式進階開發(fā)課程。教學內(nèi)容從原有單片機基礎開發(fā)轉(zhuǎn)向新型單片機結(jié)構(gòu)體系、模塊化編程、系統(tǒng)集成等方面，使學生掌握嵌入式開發(fā)的新技術(shù)、新趨勢和新方法，重點培養(yǎng)學生系統(tǒng)級開發(fā)的設計理念。此教學環(huán)節(jié)承前啟后，使學生的專業(yè)技能在原有基礎上得以提升和擴展。

最后，在第四～第六學期的學習階段中，學生依據(jù)個人興趣愛好和技能特長參加以企業(yè)實踐、技能競賽、創(chuàng)業(yè)大賽、研究性課程等形式開展的項目化教學。該階段課程以工程實際項目為載體，并以學生實戰(zhàn)練習為主導、企業(yè)工程師和校內(nèi)導師過程性輔導展開教學。使得教學方式更加靈活，教學內(nèi)容更加貼近實踐應用，有助于學生創(chuàng)新能力與實踐技能的培養(yǎng)。

3.2 校企合作資源開發(fā)

為真正培養(yǎng)滿足企業(yè)需求的技能人才，并及時將新技術(shù)、新工藝、新規(guī)范納入教學標準和教學內(nèi)容，企業(yè)與學校聯(lián)合組成課程開發(fā)團隊，共同制定嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程教學標準，同時由工程師參與實訓項目、教材、實驗平臺等教學資源開發(fā)。在企業(yè)實際工程案例基礎上開發(fā)了適合課程課堂教學的硬件綜合實訓平臺。平臺將綜合工程項目拆分并擴展，以32位微控制器最小應用系統(tǒng)為核心，并配備基礎實驗模塊、典型傳感檢測模塊和通信傳輸模塊等。教學中可以依據(jù)教學內(nèi)容需要進行獨立模塊的基礎訓練，也可以進行組合模塊的綜合訓練。基于綜合實訓平臺開發(fā)出校企合作教材，教材內(nèi)容在典型工程案例基礎上增加行業(yè)主流和最新技術(shù)。開設企業(yè)講師課堂，聘請企業(yè)工程師授課，面對面?zhèn)魇谄髽I(yè)項目開發(fā)方法、工程實踐經(jīng)驗和行業(yè)發(fā)展趨勢，重點培養(yǎng)學生的企業(yè)工程理念。

3.3 教學手段的多元化運用

3.3.1 虛擬仿真輔助教學

為了解決傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)課程中教學內(nèi)容抽象、晦澀，學生不易掌握和理解的教學現(xiàn)狀，與企業(yè)共同合作開發(fā)出國內(nèi)先進的32位ARM單片機模塊化設計虛擬實驗教學平臺。在虛擬仿真可視化界面中通過拖拽模塊輕松構(gòu)建嵌入式應用系統(tǒng)，虛擬仿真平臺自動生成框架程序，并能配合硬件進行實物驗證。虛擬平臺輔助教學使得課程內(nèi)容直觀化、模塊化，降低學習難度，快速幫助學生進行入門開發(fā)，提高學習興趣和學習效率。

3.3.2“口袋”實驗室實踐創(chuàng)新

嵌入式應用作為實踐性很強的應用類課程，僅僅依靠有限的課堂練習不能完全使學生達到課程標準中對理論知識的理解度和實踐技能的熟練度的要求。要使學生真正具備一定的獨立工程開發(fā)能力，必須通過大量的實踐練習才能總結(jié)與積累出相關(guān)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程、開發(fā)方法和開發(fā)技巧的經(jīng)驗。針對這一問題課程團隊設計開發(fā)了一套結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、接口可靈活擴展的“口袋”實驗室套件。套件由學生自主裝配、隨身攜帶，同時滿足課堂教學和課后實踐需要，實踐操作不再受上課環(huán)境和硬件資源的限制。學生可以有效利用課余時間進行練習與調(diào)試。充分的實踐訓練為提高學生的專業(yè)技能水平做出了有效保障。便捷靈活的學習方式大大激發(fā)了學生的學習興趣，培養(yǎng)了學生自主學習的能力。

3.3.3“課堂+線上”教學組合

為了豐富教學形式，在原有課堂教學的基礎上建設網(wǎng)絡信息化教學平臺，為學生提供豐富的網(wǎng)絡學習資源和良好的自學環(huán)境。在線資源包含典型案例教學視頻與課件，學生可以反復觀看、隨時學習。配套的測試題庫使學生可以自主檢驗學習效果。另外網(wǎng)絡學習進程與學習效果實時反饋到教師平臺，便于老師全面掌握學生的學習情況。教師依據(jù)學情反饋能及時進行教學內(nèi)容和計劃的調(diào)整。另外結(jié)合虛擬仿真實驗平臺，學生可以隨時登陸進行嵌入式仿真開發(fā)練習，為學生提供便利的在線輔助學習工具。“線上”學習成為課堂學習的有益補充。

3.3.4 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊教學

依托各種創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽與技能大賽組建學習小組，并為每個小組至少配備一名企業(yè)導師參與教學。學生依據(jù)個人興趣與專業(yè)特長進行選題，團隊成員進行分工合作完成相對復雜的設計任務，課題在指導教師輔助推動下由學生自主完成。項目團隊的學習模式充分激發(fā)學生學習主動性，培養(yǎng)團隊合作、創(chuàng)新實踐能力，可以很好地實現(xiàn)專業(yè)技能細分與人才深度培養(yǎng)，同時也為創(chuàng)新競賽與技能大賽做好人才培養(yǎng)與儲備。為充分保證創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊教學順利開展，學校向?qū)W生提供實驗場地、資金保障，并推出“學分銀行”、課程置換、成果獎勵等政策支持。以實踐項目為載體的“賽教融合”教學手段形成了以教學促競賽、以競賽促技能的良性循環(huán)人才培養(yǎng)模式[8]，有效培養(yǎng)學生自主創(chuàng)新與動手實踐能力。

4 教學成果

通過階梯化分層課程體系、教學資源校企開發(fā)、多元化手段教學等全方位立體化教學改革，嵌入式系統(tǒng)課程教學在提高學生興趣、改善教學效果、學生技能培養(yǎng)、“雙師”型師資建設等方面取得了成效。

在“理實一體”課堂教學基礎上結(jié)合線上學習課程資源，并使用便攜式“口袋”實驗套件，使教學不再受時間、地點和硬件資源的限制，課堂、課后均可實現(xiàn)調(diào)試練習，大大提高學生人均實踐時長。在嵌入式進階開發(fā)教學中使用虛擬實驗仿真和實操練習相結(jié)合的教學手段。虛擬仿真平臺輔助教學使課程內(nèi)容更加生動、工程開發(fā)更易于上手，改善了教學效果。通過調(diào)查有82.1%的學生對改革后的嵌入式系統(tǒng)課程表現(xiàn)出濃厚的學習興趣。

校企“雙元”育人模式下的校企雙贏效果凸顯。企業(yè)深度參與課程建設，進行標準制定，使培養(yǎng)學生的規(guī)格更加符合企業(yè)需求。聘請企業(yè)工程師授課，課堂中工程經(jīng)驗的滲透和工程案例的引入培養(yǎng)了學生工程項目開發(fā)理念、積累了工程實踐經(jīng)驗，同時也為對口企業(yè)進行人才儲備培養(yǎng)。校企合作進行教學資源開發(fā)，聯(lián)合開展創(chuàng)新項目指導與人才培養(yǎng)，為教師隊伍的“雙師”建設提供了良好的平臺，專任教師的職業(yè)技能得到提升，同時進一步促進了入才培養(yǎng)質(zhì)量。實行教學改革兩年以來與企業(yè)合作培養(yǎng)學生400多人，其中指導學生參與各級各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、技能大賽獲獎86人次，人才培養(yǎng)成果顯著。

參考文獻：

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【通聯(lián)編輯：王力】

基金項目：蘇州市職業(yè)大學教學改革項目：“嵌入式應用與創(chuàng)新開發(fā)”分層實踐教學研究（項目編號：SZDJG-19015）

作者簡介：瞿敏（1980-）女，甘肅蘭州人，講師，碩士，主要從事電子信息與工業(yè)自動化方向的研究與教學工作;古玉年（1973-）男，安徽宣城人，高級工程師，工程碩士，主要從事嵌入式產(chǎn)品開發(fā)方向的研究與教學工作。