面向“雙創(chuàng)”教育的嵌入式系統(tǒng)課程改革與實(shí)踐

屈召貴

(四川旅游學(xué)院 信息與工程學(xué)院， 四川 成都 610100)

0 引言

為貫徹落實(shí) 《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實(shí)施意見(jiàn)》(國(guó)辦發(fā)〔2015〕36 號(hào))文件精神，深入推進(jìn)高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育工作，加強(qiáng)高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育課程建設(shè)，將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育融入人才培養(yǎng)全過(guò)程[1]。各高校開(kāi)展了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育系列建設(shè)工作，成立創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)示孵化中心，建設(shè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)示范課程，舉辦“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等，積極探索創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育模式，極大的推動(dòng)了教育改革[2]。在應(yīng)用型本科院校中的電氣信息類專業(yè)中大都開(kāi)設(shè)了“嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用”課程。該門課程內(nèi)容涉及數(shù)模電、微型計(jì)算機(jī)等硬件知識(shí)和操作系統(tǒng)等軟件知識(shí)，綜合性強(qiáng)、知識(shí)面廣。傳統(tǒng)的教學(xué)方式只是從技術(shù)的角度從CPU的結(jié)構(gòu)、匯編語(yǔ)言、處理器的應(yīng)用和操作系統(tǒng)使用等內(nèi)容講解，與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)沒(méi)有直接聯(lián)系，不利于發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性、積極性、創(chuàng)造性和創(chuàng)業(yè)意識(shí)，沒(méi)有充分發(fā)揮該課程的綜合性的特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)[3～12]。基于此，提出面向創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)的課程改革探索，在課程教學(xué)體系、大綱、教學(xué)方法、考核形式等方面依據(jù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)要求，以“雙創(chuàng)”教育為載體探索改革與實(shí)踐。

1 “三個(gè)層次，一個(gè)核心”教學(xué)模式

課程以“三個(gè)層次，一個(gè)核心”的教學(xué)模式開(kāi)展教學(xué)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，即在教學(xué)內(nèi)容安排上采用三個(gè)層次，在教學(xué)目標(biāo)上形成一個(gè)核心能力。

圖1 嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)模式

依據(jù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要，課程內(nèi)容融合基礎(chǔ)理論知識(shí)、綜合應(yīng)用實(shí)踐、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)訓(xùn)“三層次”教學(xué)內(nèi)容安排形式?；A(chǔ)階段，主要讓學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本方法、微控制器(STM32)的基本結(jié)構(gòu)及應(yīng)用、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(μC/OS)工作原理及應(yīng)用。綜合應(yīng)用階段，主要完成嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)，要求學(xué)生以小組為單位，協(xié)作完成軟硬件并做出實(shí)物，撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告，參加答辯；并組織學(xué)生參加“藍(lán)橋杯”全國(guó)軟件和信息技術(shù)人才大賽嵌入式設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)大賽和全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽，旨在提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)階段，要求學(xué)生申報(bào)并參與大學(xué)生科研項(xiàng)目、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目、互聯(lián)網(wǎng)“+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，旨在培養(yǎng)創(chuàng)新能力和創(chuàng)業(yè)意識(shí)。教學(xué)內(nèi)容及按排如表1所示。

通過(guò)課程的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生掌握嵌入式技術(shù)，具有扎實(shí)的理論知識(shí)，較強(qiáng)的實(shí)踐動(dòng)手能力。能進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)，制作PCB和電路調(diào)測(cè)；能進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)、RTOS系統(tǒng)應(yīng)用和常用算法的實(shí)現(xiàn)。

表1 教學(xué)內(nèi)容案排表

“三層次、一個(gè)核心”的實(shí)踐教學(xué)模式涵蓋全部教學(xué)環(huán)節(jié)，明確各環(huán)節(jié)的目標(biāo)、任務(wù)、時(shí)間按排考核體系，將各環(huán)節(jié)有機(jī)地、循序漸進(jìn)地貫穿起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容的整體優(yōu)化和功能的最大化，實(shí)現(xiàn)“雙創(chuàng)”教育的目的。

2 以創(chuàng)新為核心創(chuàng)業(yè)為引領(lǐng)的教學(xué)改革

課程采用理實(shí)一體、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)和線上線下混合式教學(xué)方法，按照OBE教育理念，以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)的教育理念。注重實(shí)踐動(dòng)手能力培養(yǎng)、創(chuàng)新能力培養(yǎng)和創(chuàng)業(yè)意識(shí)。

2.1 通過(guò)產(chǎn)教融合促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

課程教學(xué)大綱與企業(yè)聯(lián)合，協(xié)同研究制定教學(xué)內(nèi)容、授課時(shí)間、教學(xué)方法、實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)、考核方式、具體實(shí)施等問(wèn)題。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程為電氣信息專業(yè)必修課，4個(gè)學(xué)分,64學(xué)時(shí)，兩周集中綜合設(shè)計(jì)(企業(yè)導(dǎo)師指導(dǎo)項(xiàng)目化教學(xué))，課程按排在第5學(xué)期。課程教學(xué)理論講課34學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)34學(xué)時(shí)。理論課程內(nèi)容主要有ARMCortex-M3內(nèi)核結(jié)構(gòu)(4個(gè)學(xué)時(shí))、STM32F103微控制器片上外設(shè)資源應(yīng)用(16個(gè)學(xué)時(shí))和C/OS操作系統(tǒng)原理及應(yīng)用(12個(gè)學(xué)時(shí))，課程內(nèi)容與ST公司中國(guó)大學(xué)計(jì)劃部長(zhǎng)期合作，提供最新技術(shù)指導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)課主要分為基本驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)(8學(xué)時(shí))和綜合應(yīng)用設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)(20學(xué)時(shí))。綜合應(yīng)用設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容來(lái)自企業(yè)實(shí)際項(xiàng)目，由校企合作單位指導(dǎo)，以項(xiàng)目方式實(shí)施。課程要求每一位同學(xué)從項(xiàng)目需求分析、方案設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、測(cè)試調(diào)校等環(huán)節(jié)，力求讓學(xué)生掌握電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的全過(guò)程。課程大綱從知識(shí)目標(biāo)、能力目標(biāo)和素質(zhì)目標(biāo)方面全面檢查學(xué)生的達(dá)成度。

2.2 形成“二化，三賽”的教學(xué)方法與手段改革

通過(guò)“二化，三賽”的課程教學(xué)改革，促進(jìn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)?！岸奔蠢碚摻虒W(xué)與實(shí)踐教學(xué)一體化，教學(xué)內(nèi)容項(xiàng)目化?！叭悺奔辞度胧皆O(shè)計(jì)校內(nèi)賽，“藍(lán)橋杯”全國(guó)軟件和信息技術(shù)大賽嵌入式開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)大賽和大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽。

課程教學(xué)采用理實(shí)一體化模式，授課過(guò)程在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)室授課有利于講練結(jié)合，理論與實(shí)際統(tǒng)一，有助于學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握。課程教學(xué)采用小班教學(xué)模式，指導(dǎo)過(guò)程全覆蓋，體現(xiàn)以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的OBE教育理念。

教學(xué)內(nèi)容項(xiàng)目化，以企業(yè)的真實(shí)項(xiàng)目為載體，以CDIO理念為指導(dǎo)，為讓學(xué)生從項(xiàng)目可行性論述、軟硬件設(shè)計(jì)、電路制作、調(diào)測(cè)等，歷經(jīng)一次產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的全過(guò)程。實(shí)驗(yàn)室提供“口袋實(shí)驗(yàn)機(jī)”平臺(tái)，為每個(gè)項(xiàng)目小組同學(xué)提供開(kāi)發(fā)板套件，讓學(xué)生進(jìn)行第二次開(kāi)發(fā)。體現(xiàn)了開(kāi)放式及個(gè)性化的教學(xué)，教學(xué)過(guò)程在時(shí)間和空間上得到延伸。

課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)篩選了三項(xiàng)學(xué)科競(jìng)賽(校級(jí)嵌入式設(shè)計(jì)大賽、藍(lán)橋杯軟件及信息技術(shù)大賽、電子設(shè)計(jì)大賽)貫穿整個(gè)教學(xué)過(guò)程。分階段分層次進(jìn)行，在基礎(chǔ)階段，要求學(xué)生參加校內(nèi)的嵌入式設(shè)計(jì)大賽；在綜合應(yīng)用階段，要求參加“藍(lán)橋杯”軟件及信息技術(shù)大賽嵌入式組的訓(xùn)練比賽和全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽的訓(xùn)練比賽。通過(guò)課賽融合能激發(fā)學(xué)生積極主動(dòng)性，提高創(chuàng)新思維能力。

2.3 形成以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目為孵化的創(chuàng)業(yè)引領(lǐng)

通過(guò)課程的教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生積極申報(bào)參與大學(xué)生科研項(xiàng)目、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目和互聯(lián)網(wǎng)“+”大賽項(xiàng)目，通過(guò)項(xiàng)目的創(chuàng)新，培育創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目并進(jìn)行孵化。其中10個(gè)獲得省級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)計(jì)劃項(xiàng)目，4個(gè)獲得國(guó)家級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目。

2.4 形成“N+1”的多元考核機(jī)制

課程考核主要針對(duì)基礎(chǔ)層的理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)知識(shí)和課程設(shè)計(jì)。課程的成績(jī)由“N+1”組成，其中“N”代表平時(shí)成績(jī)(占總成績(jī)的60%)，由實(shí)驗(yàn)、作業(yè)、課程設(shè)計(jì)和校內(nèi)課程競(jìng)賽構(gòu)成；“1”代表期末筆試成績(jī)(占總績(jī)的40%)。筆試考試主要考核課程的理論知識(shí)的靈活運(yùn)用；實(shí)驗(yàn)主考核實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、調(diào)測(cè)、結(jié)果分析(占30%)；課程設(shè)計(jì)主要考核方案分析、軟硬件設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)報(bào)告(占30%)；作業(yè)主要考核對(duì)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)(占10%)；校內(nèi)課程競(jìng)賽主要考核學(xué)生對(duì)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力(占30%)。

在綜合應(yīng)用層和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)層的考核不再是以成績(jī)形給出，而是依據(jù)人才培養(yǎng)方案直接和學(xué)科競(jìng)賽與專業(yè)創(chuàng)新實(shí)踐學(xué)分掛鉤。要求學(xué)生參加學(xué)科競(jìng)賽獲得的獎(jiǎng)項(xiàng)和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃訓(xùn)練項(xiàng)目等轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的自主學(xué)習(xí)與拓展實(shí)踐教育學(xué)分。

3 建立科學(xué)合理的保障機(jī)制

3.1 實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)保障

構(gòu)建了“一室，二地，一中心”的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)境，如圖2所示，其中“一室”即嵌入式計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室，主要承擔(dān)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)；“三地”即ARM-ST嵌入式創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)基地、Altium電子設(shè)計(jì)聯(lián)合實(shí)訓(xùn)基地，主要承擔(dān)綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目；“一中心”即大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)中心，主要承擔(dān)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃訓(xùn)練項(xiàng)目和互聯(lián)網(wǎng)“+”大賽的指導(dǎo)和項(xiàng)目孵化。

圖2 實(shí)驗(yàn)室體系基本架構(gòu)

3.2 師資力量保障

課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)教師共計(jì)5位，其中教授1名，副教授2名，講師2名。雙師型教師5名，國(guó)家注冊(cè)電氣工程1名。教學(xué)團(tuán)隊(duì)與企業(yè)深度合作，打造雙師教師隊(duì)伍，寒暑假教師到企業(yè)頂崗訓(xùn)練，共同進(jìn)行科學(xué)研究、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，共同開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，編寫教材。

4 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)成果突出

4.1 創(chuàng)新促進(jìn)創(chuàng)業(yè)效果好

經(jīng)過(guò)實(shí)踐教學(xué)檢驗(yàn)，學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)效果明顯改善，培養(yǎng)了一批受企業(yè)歡迎的綜合實(shí)踐能力強(qiáng)的電子工程師。

課程教學(xué)案例中，通過(guò)同學(xué)創(chuàng)新，有6個(gè)獲得國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目。分別是：四旋翼自動(dòng)巡邏小型無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、基于DSP的新能源可控整流技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、基于攝像頭的無(wú)人駕駛小車設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、無(wú)線電能及信息傳輸設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、基于嵌入式的3D打印機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、基于MSP430和4G網(wǎng)傳輸?shù)谋銛y式心電監(jiān)護(hù)儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2013年以來(lái)獲電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽一等獎(jiǎng)4項(xiàng)，二等獎(jiǎng)16項(xiàng)，三等獎(jiǎng)32項(xiàng)； “藍(lán)橋杯”全國(guó)軟件和信息技術(shù)大賽一等獎(jiǎng)65項(xiàng)，二等獎(jiǎng)64項(xiàng)，三等獎(jiǎng)84項(xiàng)。

創(chuàng)業(yè)成效顯著，2014級(jí)學(xué)生張寶等同學(xué)，創(chuàng)建的四川龍騰古科技有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的“一卡通智慧校園”產(chǎn)品，其產(chǎn)品原型也來(lái)自于課程創(chuàng)新項(xiàng)目成果。2013級(jí)學(xué)生向俊橋，創(chuàng)建四川芯力量科技有限公司，研發(fā)的鋰電池管理系統(tǒng)。其產(chǎn)品原型就是課程案例項(xiàng)目的創(chuàng)新成果。2013級(jí)同學(xué)候弘岐、楊彬?yàn)槭椎膭?chuàng)新團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建“四川樓下電子商務(wù)有限公司”，開(kāi)創(chuàng)成都本土O2O“網(wǎng)上超市”的先例，2015年被評(píng)為“成都市創(chuàng)新型電子商務(wù)企業(yè)”，2016年獲得“國(guó)家級(jí)高新技術(shù)企業(yè)”稱號(hào)。2012級(jí)同學(xué)賀代斌創(chuàng)建的四川所能電子科技有限公司，其核心產(chǎn)品，礦井人員定位系統(tǒng)，也來(lái)課程案例的創(chuàng)新。

4.2 社會(huì)影響大，企合作成績(jī)突出

教學(xué)團(tuán)隊(duì)被四川省人力資源和社會(huì)保障廳、教育廳授予2017年度“四川省教育工作先進(jìn)集體”。嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，于2014年被列入省級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)項(xiàng)目，并于2018年合格驗(yàn)收。

與ARM公司成立了“嵌入式創(chuàng)新實(shí)踐基地”，贈(zèng)送100套R(shí)ealView MDK 嵌入式開(kāi)發(fā)軟件和40套ARM-ST嵌入式實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)裝置；與Altium公司成立了“四川工商學(xué)院-Altium電子設(shè)計(jì)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”；德州儀器(TI)公司贈(zèng)送40套ARM-CortexM4嵌入式實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板。這些實(shí)驗(yàn)設(shè)備極大的促進(jìn)了嵌入式課程教學(xué)。

5 結(jié)語(yǔ)

嵌入式系統(tǒng)課程經(jīng)過(guò)多年建設(shè)，形成了以能力培養(yǎng)為目標(biāo)，以課程內(nèi)容案例建設(shè)為抓手，以“雙創(chuàng)”教育為載體，構(gòu)建培養(yǎng)主動(dòng)適應(yīng)行業(yè)發(fā)展需要的應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才。在師資培養(yǎng)、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、教學(xué)資源建設(shè)、教學(xué)理念、教學(xué)模式、教學(xué)方法和組織保障等方面大力改革探索，取得了較好的教學(xué)效果，人才培養(yǎng)質(zhì)量顯著增強(qiáng)。