創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)背景下嵌入式控制系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)改革探索

姚 霽

（西安郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安710121）

0 引言

隨著信息電子技術(shù)以及人工智能的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)在航天航空、工業(yè)控制、智慧家居等領(lǐng)域都得到了深入的應(yīng)用。然而其教學(xué)面臨非常大的挑戰(zhàn)：首先，它是一門高融合性的交叉學(xué)科，涉及電子與微電子、計(jì)算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信等各領(lǐng)域；其次，它是一個(gè)飛速發(fā)展的動(dòng)態(tài)學(xué)科，新技術(shù)、新產(chǎn)品、新應(yīng)用層出不窮；此外，它還是一門實(shí)踐性極強(qiáng)的學(xué)科。因此，學(xué)生僅通過課堂學(xué)習(xí)很難對嵌入式理念有深入理解，只有通過不斷的實(shí)驗(yàn)、項(xiàng)目實(shí)踐，才能加深、發(fā)展對嵌入式系統(tǒng)理念的理解[1]。然而，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)無法滿足新時(shí)代對創(chuàng)新型嵌入式人才的培養(yǎng)要求。早在黨的十八大報(bào)告中就明確提出“實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略”的宏偉藍(lán)圖，并要求“加大創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)的支持力度”。教育部也強(qiáng)調(diào)著力建設(shè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)優(yōu)質(zhì)課程。

1 傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中存在的弊端

傳統(tǒng)的應(yīng)試型教育觀念導(dǎo)致高等教育在一定程度上存在重理論、輕實(shí)踐的誤區(qū)，也因此影響了對學(xué)生培養(yǎng)的全面性，部分學(xué)生過于看重考試成績，忽略實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ΑＡ硗?，部分高校沒有明確的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的培養(yǎng)目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)教材內(nèi)容陳舊且不成體系，嚴(yán)重阻礙了創(chuàng)新型實(shí)踐人才的培養(yǎng)[2]。

1.1 實(shí)驗(yàn)教材內(nèi)容陳舊

沒有合適的實(shí)驗(yàn)教材是目前許多高校嵌入式實(shí)驗(yàn)課程面對的基本問題。陳舊的實(shí)驗(yàn)教材無法反映學(xué)科發(fā)展的脈搏，且內(nèi)容多是驗(yàn)證型的被動(dòng)型實(shí)驗(yàn)。這種純粹的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致學(xué)生只關(guān)心實(shí)驗(yàn)流程和現(xiàn)象，無法深入思考，更別提分析深層的原理。學(xué)生也反映通過這種僵化的流程式實(shí)驗(yàn)收獲甚微，無法理解嵌入式技術(shù)的內(nèi)涵。另外，目前部分高校的嵌入式實(shí)驗(yàn)課程與理論課程內(nèi)容關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，難以做到相互驗(yàn)證。同時(shí)由于其課程體系復(fù)雜、知識(shí)點(diǎn)繁多，在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程中很難讓學(xué)生理解所有的要點(diǎn)。更為現(xiàn)實(shí)的問題是，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用嚴(yán)重脫節(jié)，更遑論符合當(dāng)前業(yè)內(nèi)的發(fā)展趨勢[3]。傳統(tǒng)的低質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以匹配對培養(yǎng)人才的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的需求，難以為社會(huì)輸送高質(zhì)量的嵌入式人才。

1.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段落后

嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)類別繁復(fù)、內(nèi)容豐富，必須依賴完備的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本依賴開發(fā)箱等實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，而無須學(xué)生自己動(dòng)手搭建、調(diào)試相關(guān)的硬件模塊，導(dǎo)致學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的原理缺乏理解，也不能鍛煉他們的實(shí)踐能力。而傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供的范例，內(nèi)容又過于簡單且缺乏針對性，很難對實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整或在線升級(jí)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備又不能靈活擴(kuò)展，因而很難開展綜合性的實(shí)驗(yàn)，也無法發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性。另外，在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師通常按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書講解操作流程，很少親自給學(xué)生示范實(shí)驗(yàn)過程。學(xué)生在操作中具有盲從性，按部就班地按照實(shí)驗(yàn)步驟和流程來進(jìn)行，幾乎所有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和環(huán)節(jié)都是預(yù)設(shè)的，幾乎沒有能讓學(xué)生主動(dòng)參與的空間[4]。這種實(shí)驗(yàn)方式嚴(yán)重束縛了學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，無法調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，很難培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

1.3 實(shí)驗(yàn)考核手段落后

傳統(tǒng)的嵌入式課程考核過于重視筆試，不能反映其實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)。對于實(shí)驗(yàn)的考核標(biāo)注更是模糊，通常僅根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的質(zhì)量來評(píng)價(jià)。這種貧乏而無新意的考核辦法缺乏清晰的區(qū)分度，容易讓學(xué)生走進(jìn)輕實(shí)踐操作、重實(shí)驗(yàn)報(bào)告的誤區(qū)，不僅使得學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)味同嚼蠟，喪失興趣，而且不能真正考查學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)知識(shí)的系統(tǒng)理解和實(shí)際應(yīng)用，以及學(xué)生的創(chuàng)新發(fā)展能力。

2 嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)改革的探索

為了培養(yǎng)適應(yīng)新時(shí)代創(chuàng)新發(fā)展需求的嵌入式人才，針對嵌入式系統(tǒng)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的弊端，本文進(jìn)行了深入的研究和思考，并結(jié)合筆者在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的親身經(jīng)歷，提出了一系列關(guān)于嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革和創(chuàng)新方案。

2.1 拓展實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容

嵌入式系統(tǒng)學(xué)科知識(shí)覆蓋廣、技術(shù)更新快的特點(diǎn)決定了嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容、設(shè)備也需要與時(shí)俱進(jìn)。目前，多數(shù)高校的嵌入式實(shí)驗(yàn)儀器仍以實(shí)驗(yàn)箱、實(shí)驗(yàn)臺(tái)為主，而嵌入式處理器技術(shù)發(fā)展日新月異，從ARM系列到Cortex系列，各種新型處理器層出不窮。而實(shí)驗(yàn)箱、實(shí)驗(yàn)臺(tái)不僅成本高，且固化的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容跟不上技術(shù)的更新，因此，嘗試購買低成本的小型開發(fā)板來滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求，既能節(jié)省成本，又能增加實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的靈活性，把更多的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容讓學(xué)生來完成。

雖然教師不可能向?qū)W生講授市場上所有最新的嵌入式技術(shù)，但是實(shí)驗(yàn)器材的靈活性和可擴(kuò)展性能夠讓教師在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)上保持必要的開放性。一方面，可根據(jù)生活中常見的嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例，設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；另一方面，可加入一些與企業(yè)應(yīng)用的嵌入式技術(shù)密切相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課題，讓學(xué)生盡可能接觸市場上真實(shí)的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)實(shí)例。這種開放性的新鮮的實(shí)驗(yàn)，激發(fā)了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐的愿望，拓寬了學(xué)生的視野。

2.2 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)授課方式

對于嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)授課方式的改進(jìn)，嘗試打破先學(xué)理論，再做實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)模式，采用邊教學(xué)邊實(shí)驗(yàn)，甚至以實(shí)驗(yàn)為主的授課模式，以實(shí)驗(yàn)引領(lǐng)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)。首先，利用仿真器、開發(fā)板等實(shí)驗(yàn)設(shè)備演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓學(xué)生在課堂上先看到實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果，變抽象為具體，讓他們帶著疑問和興趣去學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)中的理論知識(shí)[5]。其次，根據(jù)嵌入式課程的知識(shí)架構(gòu)設(shè)計(jì)出與教學(xué)內(nèi)容匹配的實(shí)驗(yàn)主題，并編寫成實(shí)驗(yàn)講義，以原有的理論教材為補(bǔ)充。在具體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，充分體現(xiàn)以教師為引導(dǎo)、學(xué)生為主體的理念。針對不同的實(shí)驗(yàn)主題和情境，充分引導(dǎo)學(xué)生的思維，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，甚至積極鼓勵(lì)學(xué)生自己查閱資料，確定實(shí)驗(yàn)主題，編排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，自主討論設(shè)計(jì)思路與原理，完成設(shè)計(jì)方案、流程圖制定、程序開發(fā)、上機(jī)調(diào)試等實(shí)驗(yàn)全流程。真正使學(xué)生從實(shí)驗(yàn)的被動(dòng)接受者變?yōu)閷?shí)驗(yàn)的主動(dòng)構(gòu)建者，讓學(xué)生體會(huì)到進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的樂趣。這種自主式的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)授課模式不僅鍛煉了學(xué)生的科研創(chuàng)新能力，在一定程度上也豐富了教師的教學(xué)資源，真正實(shí)踐了教學(xué)相長的理念[6]。

因材施教也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革的一個(gè)方向。當(dāng)前各類企業(yè)、高校舉辦的嵌入式競賽活動(dòng)豐富多彩，一部分參加競賽的學(xué)生在比賽中已經(jīng)接觸了很多嵌入式系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，因此，這批學(xué)生會(huì)覺得校內(nèi)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容過于簡單，無法得到成長。但是對于初次接觸嵌入式系統(tǒng)課程的學(xué)生而言，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)還是必不可少的。因此，在課程開始之初對學(xué)生進(jìn)行測試，然后適當(dāng)分層，實(shí)施不同內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以便讓不同層次的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中都能有所思，有所得。

2.3 健全實(shí)驗(yàn)考核制度

針對嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，在考核中，我們重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生的實(shí)踐能力和應(yīng)用能力，充分發(fā)揮考核方式的“指揮棒”的引導(dǎo)作用，引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課程的重視?？己藘?nèi)容包括課堂實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)和期末匯報(bào)、創(chuàng)新競賽等多個(gè)方面。

課堂實(shí)驗(yàn)是學(xué)生認(rèn)識(shí)嵌入式系統(tǒng)實(shí)際開發(fā)的起點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)以考察實(shí)驗(yàn)的規(guī)范習(xí)慣和基本技能為主，不以實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為主要考核依據(jù)，重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)，包括對實(shí)驗(yàn)原理的理解、實(shí)驗(yàn)行為的規(guī)范性、分析問題解決問題的能力等，以實(shí)驗(yàn)報(bào)告為輔[7]。

課程設(shè)計(jì)是嵌入式課程的特色環(huán)節(jié)，也是學(xué)生們發(fā)揮個(gè)人實(shí)踐能力的舞臺(tái)。課程設(shè)計(jì)的選題既能保持一定的創(chuàng)新性，又能保證學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)，結(jié)合自己的實(shí)踐知識(shí)，順利地找到設(shè)計(jì)方案。而最終課程設(shè)計(jì)的考核既要關(guān)注是否實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，也要參考設(shè)計(jì)中表現(xiàn)出的科研探索能力，還應(yīng)注重設(shè)計(jì)文檔的撰寫與整理。全面的考核維度讓學(xué)生在完成課程設(shè)計(jì)的過程中充分鍛煉了他們的工程實(shí)踐能力。

在期末測試中，增加專門的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。由學(xué)生隨機(jī)抽取自己的試題，現(xiàn)場完成實(shí)驗(yàn)。該環(huán)節(jié)不僅要求學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)全部準(zhǔn)確地完成實(shí)驗(yàn)，而且在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，要讓學(xué)生口述實(shí)驗(yàn)原理、過程、遇到的問題等。這種訓(xùn)練為他們今后從事真正的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，在工作現(xiàn)場進(jìn)行技術(shù)討論交流奠定一定的基礎(chǔ)。

對于參加競賽、創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，或參加過企業(yè)嵌入式項(xiàng)目實(shí)習(xí)的學(xué)生，應(yīng)當(dāng)給予他們適當(dāng)?shù)母郊映煽?，以鼓?lì)他們參與更多的嵌入式實(shí)踐活動(dòng)中。

2.4 創(chuàng)建特色化嵌入式課程體系

嵌入式課程實(shí)踐性強(qiáng)、應(yīng)用廣泛，很容易與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)系列課程結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)多維度、多層次的嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程的實(shí)踐項(xiàng)目的開展。以本專業(yè)培養(yǎng)方案中的課程設(shè)置為示例，在新生研討課創(chuàng)業(yè)基礎(chǔ)課程中，選取信息創(chuàng)新設(shè)計(jì)（Information Creation Design，ICD）系列課程，以講座、小組討論的形式提出方案，并進(jìn)行設(shè)計(jì)重構(gòu)、模型制作、推演測試等環(huán)節(jié)的實(shí)踐，利用樹莓派開發(fā)板套件等適合初學(xué)者的實(shí)驗(yàn)器材，讓學(xué)生快速實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的作品[8]。

隨著專業(yè)課程的深入學(xué)習(xí)，可適時(shí)開設(shè)集中實(shí)踐環(huán)節(jié)。讓學(xué)生利用ARM開發(fā)板，或自己搭建單片機(jī)硬件電路，或利用PLC控制器等，完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)及調(diào)試。對于有潛力的項(xiàng)目組，及時(shí)肯定他們提出的有創(chuàng)意的思想，并幫助他們優(yōu)化和完善那些不成熟的想法。對于有潛力的項(xiàng)目，我們進(jìn)行了專業(yè)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目化訓(xùn)練，主要包括基本技能設(shè)置的基礎(chǔ)性實(shí)踐項(xiàng)目、各級(jí)各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)孵化基地為平臺(tái)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)戰(zhàn)和實(shí)戰(zhàn)演練。項(xiàng)目采用團(tuán)隊(duì)式指導(dǎo)、協(xié)作式學(xué)習(xí)的方式進(jìn)行，以項(xiàng)目為載體，最終需要完成項(xiàng)目實(shí)物模型的設(shè)計(jì)與制作。通過此進(jìn)階式學(xué)習(xí)，學(xué)生的工程實(shí)踐能力及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力得到了顯著提高，項(xiàng)目的成熟度也大大提高，一大批具有一定商業(yè)價(jià)值，又切實(shí)可行的項(xiàng)目，如“自動(dòng)分揀設(shè)備”“智能小車” “智慧家居”“多旋翼飛行器”“3D打印”“自動(dòng)輸液”“兒童晨檢機(jī)器人”“智能籃球裁判員”等多種創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目在經(jīng)過反復(fù)的打磨后，脫穎而出。

帶著這些項(xiàng)目，我們鼓勵(lì)學(xué)生先后參加了包括“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽、飛思卡爾智能車大賽、iCAN創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等諸多嵌入式創(chuàng)新實(shí)踐賽事，并且有信心取得了很好的成績。通過這種以賽促學(xué)的方式，學(xué)生可以體驗(yàn)到嵌入式系統(tǒng)開發(fā)從構(gòu)思、設(shè)計(jì)、選件、實(shí)現(xiàn)、編碼、測試的全流程。這鐘寶貴的經(jīng)歷，不僅鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐能力，也幫助學(xué)生建立了與企業(yè)溝通的渠道。學(xué)生不僅向企業(yè)展示了創(chuàng)新能力，也在企業(yè)的幫助下讓產(chǎn)品向市場化方向進(jìn)一步靠近。這不僅給學(xué)生就業(yè)帶來了機(jī)會(huì)，也給企業(yè)注入了新的活力。

3 結(jié)語

嵌入式系統(tǒng)是一門集綜合性、實(shí)踐性、時(shí)效性、應(yīng)用性于一體的課程。本文系統(tǒng)分析了嵌入式實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)教學(xué)中存在的不足，結(jié)合親身在實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中的體會(huì)，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容創(chuàng)新、教學(xué)方式改進(jìn)、考核方法改革以及創(chuàng)建特色課程方面提出了一系列措施和方案，以適應(yīng)嵌入式系統(tǒng)課程的特點(diǎn)，保持嵌入式實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新性和開放性，與時(shí)俱進(jìn)，密切聯(lián)系行業(yè)發(fā)展的應(yīng)用場景，保證課程實(shí)驗(yàn)長期發(fā)展的活力和生命力。同時(shí)積極注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力，以培養(yǎng)適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的創(chuàng)新型復(fù)合型嵌入式人才為己任，不斷探索嵌入式實(shí)驗(yàn)課程的改革方向與創(chuàng)新。