新工科背景下“嵌入式系統(tǒng)”課程教學改革研究*

吳晨睿

（上海理工大學機械工程學院，上海 200093）

0 引言

高等工程教育在我國高等教育中占有重要地位。深化工程教育改革，建設工程教育強國，對服務和支撐我國經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級意義重大[1]。當前，國家為推動創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，提出了“一帶一路”倡議，實施了“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大戰(zhàn)略，以新技術、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟蓬勃發(fā)展，對工程科技人才提出了更高要求?；诖耍逃恳蟾鞲咝１仨毤訌娦庐a(chǎn)業(yè)形勢下新工科的人才培養(yǎng)內(nèi)涵建設。

新工科的內(nèi)涵是以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化創(chuàng)新型卓越工程人才，工程教學改革是學生的期望、教師的責任、國家的要求和社會的需求。新工科建設具備“新理念、新體系、新模式、新質(zhì)量和新結構”等“五新”特征[2]。這也是新工科建設的研究與實踐的指導方向。2020年5月，為推進新工科建設進一步深化，教育部決定在高校建設一批未來技術學院，旨在培養(yǎng)面向未來的卓越工程創(chuàng)新人才，建設工程教育強國，支撐民族偉大復興。

“嵌入式系統(tǒng)”是機器人工程專業(yè)的核心專業(yè)課程，它結合硬件、軟件、系統(tǒng)與控制于一體，是一門具有較強應用導向的課程[3]。從日常生活中的電子設備到工業(yè)生產(chǎn)中的加工制造裝備，無一不存在著嵌入式系統(tǒng)的身影。隨著社會和科技的不斷發(fā)展，尤其是近年來智能制造的興起，企業(yè)對于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人才的需求愈加迫切。但目前從事嵌入式底層系統(tǒng)開發(fā)的工程師比較多，企業(yè)更加青睞于能夠勝任從事嵌入式系統(tǒng)電路設計、程序開發(fā)、產(chǎn)品上線部署、升級維護等嵌入式系統(tǒng)全生命周期研發(fā)的高水平專業(yè)人才。因此，隨著社會需求的更替和教育理念的改革轉(zhuǎn)型，“嵌入式系統(tǒng)”教學面臨著全新的挑戰(zhàn)，需要高校教師“以學生為中心”，對現(xiàn)有“嵌入式系統(tǒng)”課程進行整體上的革新。

1 “嵌入式系統(tǒng)”教學中存在的問題

1.1 學生基礎薄弱，無法深入原理性學習

“嵌入式系統(tǒng)”是機器人工程專業(yè)大二下學期開設的專業(yè)必修課，由于機器人工程專業(yè)是面向應用型的專業(yè)，因此需要在有限的課時內(nèi)同時學習機械類、電類、信息類課程，故而當學習本門課程時，學生尚無數(shù)字電路、模擬電路、計算機系統(tǒng)等課程基礎。而程序基礎主要以選修的“C語言基礎”或“Python程序設計”為主。這導致學生對于嵌入式系統(tǒng)的底層原理如CPU運行原理、系統(tǒng)總線結構、IO接口的輸入輸出等知識均不能從根本上理解，從而進入死記硬背的學習狀態(tài)。

1.2 教學一言堂，學生積極性不高

雖然當前教學以Problem-based Learning（PBL）為主，但是提問往往是從老師的角度思考問題，難以調(diào)動學生參與討論和研究。教師所提出的問題往往是根據(jù)教學內(nèi)容和知識點的需要而延申出簡單實例，通常缺少與學生生活或興趣息息相關的問題。教師的提問從一種引導學生思考、啟發(fā)學生思維的方式，轉(zhuǎn)向為提醒學生注意聽講，將學生注意力拉回課堂的權宜之計。教師的提問通常沒有同學主動應答，而需要教師通過點名的方式達到目的。究其本質(zhì)，一方面是課程內(nèi)容無法引起學生的興趣，另一方面則是授課教師沒有做到將課程內(nèi)容深入淺出地講授出來，使學生在感受到學習困難時，放棄學習理解新的理論知識。

1.3 課程知識無法內(nèi)化，僅為應付考試

學習是一個循序漸進的過程，學生需要在課上和課后對課程知識反復記憶與理解，才能達到學有所得的效果。學生學習的過程，不能僅僅停留在“產(chǎn)生疑問—理解答案”的過程中循環(huán)，而應該將課堂上所學的知識轉(zhuǎn)化為自己的能力，以“產(chǎn)生疑問—理解答案—應用實踐”的方式不斷往復才能真正地學以致用?！皩W而不思則罔”，對于“嵌入式系統(tǒng)”課程而言，最好的思考即是讓學生參與到課程實踐當中，通過各式各樣的實驗將所學的知識應用于不同的場景。然而，當前的“嵌入式系統(tǒng)”課程仍以理論教學為主，重理論而輕實踐，導致學生動手能力差。

1.4 考核方式過度依靠試題，忽略學習過程

當前“嵌入式系統(tǒng)”課程考核方式仍以期末考試試卷為主。通常課程的總成績由30%的平時成績和70%的期末考試成績組成。這種考核方法雖然方便了教師進行成績管理，但是對學生是否真正掌握了設計、開發(fā)和優(yōu)化嵌入式系統(tǒng)的能力卻無法給出明確的答案。許多學生通過期末考試前的臨時突擊，將課程涉及的理論知識逐一記憶，又在通過考試后快速遺忘。這使得學生并不能通過對課程的學習掌握嵌入式系統(tǒng)的設計和開發(fā)的技能。

2 “嵌入式系統(tǒng)”課程體系建設措施

作為“嵌入式系統(tǒng)”開發(fā)課程的專業(yè)教師，需要把握新工科教育轉(zhuǎn)型改革的內(nèi)涵，認清目前課程體系存在的不足，以應用型人才培育為導向，對課程體系展開創(chuàng)新構建[4]。

2.1 改進教學方法與教學設計

針對機器人工程專業(yè)學生當前的學情，重新規(guī)劃教學設計，需要將學生尚未學習的數(shù)字電路、模擬電路、計算機操作系統(tǒng)等前置課程的知識融入教學過程中，使得同學們能夠從基礎原理掌握嵌入式系統(tǒng)的各個部分，而不會發(fā)生某一部分知識是“黑盒”的情況，這將加強學生對整門課程的理解。適當減少當前嵌入式課程中部分老舊和科普方向的知識，增加嵌入式系統(tǒng)前置知識的講授，合理利用課程教學時間。在課前與課后通過問卷調(diào)查等形式主動收集學生們的疑問和反饋，并在教學過程中針對多數(shù)學生存在的問題進行動態(tài)調(diào)整。在教學設計過程中需要關注教學難點和教學重點的分配，將多個重點均勻分布在教學過程中，避免由于教學難點集中導致學生注意力下降，或因為知識難以理解學生放棄學習的問題。

2.2 豐富課堂組織形式

通過多媒體微課堂等形式打造翻轉(zhuǎn)課堂，將專業(yè)課程知識設計制作成為不同類型的微課，指導學生課前學習和課堂學習，在教育過程中給學生自主選擇的權利，使學生們能夠在學習狀態(tài)飽滿的情況下攝取知識，構建線上加線下混合式教育模式。通過設置預習、練習、測評、互動等功能，給學生提供線上學習空間。學生可以針對在課堂上沒有完全理解和掌握的知識點進行二次學習，并通過練習、測評、互動等一系列實踐過程鞏固學習成果，深化記憶。在線下講解過程中以解決學生疑問為載體，將教學內(nèi)容進行分析與解構。將同學們的問題分門別類，穿插在教學內(nèi)容之中，從而提升學生課堂參與感，讓學生感受到被關注、問題被回應，進而提升學生們的學習熱情[5]。教師需要從多個角度剖析問題，以適應對同一個知識點不同的學生所產(chǎn)生各種疑問。對于具體知識點講解要善于運用比喻、類比、舉例說明等方法進行教學，也可以通過學生問題進行把握，做到淺者不覺其深、深者不覺其淺的知識傳授，達到針對不同基礎學生因材施教的效果。

2.3 加強課程實踐

本課程具有很強的實踐性，需要對學生每節(jié)課的實踐目標、實踐重難點加以指定與分析。讓學生能夠循序漸進地在實驗中體會到嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的成就感，進而慢慢引起學生們的開發(fā)熱情和學習興趣。減少諸如“點亮小燈”“數(shù)字計時器”等常規(guī)驗證性的實踐課時，設計多層次的課程實踐環(huán)節(jié)。具體分為驗證層、應用層和創(chuàng)新層。驗證層實驗以實現(xiàn)理論課程所學的知識為主，占實踐課程總學時的20%，通過對理論課程的驗證初步掌握所學知識。應用層實驗占實踐課程總學時的30%，通過將嵌入式系統(tǒng)應用于不同場景，如課程簽到系統(tǒng)、電子門禁系統(tǒng)、溫度預警系統(tǒng)等，提升學生們的實際應用能力。在此基礎上，創(chuàng)新層的實驗旨在激發(fā)同學們的想象力與創(chuàng)造力，不限制應用場景，激發(fā)同學們利用現(xiàn)有的人工智能技術和設備進行一些有創(chuàng)意的實驗。同時，需要加強嵌入式系統(tǒng)實踐教學平臺的搭建，讓學生們能夠?qū)⒆约旱乃妓雽崿F(xiàn)出來，建立電子設計競賽實訓基地，為學生們的創(chuàng)造性思維提供基本的實驗設備基礎。實驗平臺建設主要包括嵌入式系統(tǒng)所涉及的相關軟硬件、教學制度以及實踐項目的專用硬件設備。在學生學力仍有富余的情況下可以引入相關科研項目，從本科階段培養(yǎng)學生的研究性思維。

2.4 重新制定課程考核制度

引入適用于機器人工程專業(yè)的“嵌入式系統(tǒng)”課程的教材，理論課程要少而精，實踐課程要循序漸進，穩(wěn)扎穩(wěn)打。增加過程考核占據(jù)課程總體考核的比例。詳細規(guī)劃實踐過程考核中每位學生所負責的功能與完成度的具體考核指標，擺脫當前小組考核中部分同學“劃水”而另一部分同學任務繁重的情況。使得每位同學按照自己負責和完成任務的程度獲得相應的成績。同時，引導和鼓勵學生參與各類大學生創(chuàng)新科技項目，授課老師作為指導教師在參賽過程中發(fā)現(xiàn)同學們對于嵌入式系統(tǒng)的掌握情況，并能夠針對學生們知識掌握的薄弱環(huán)節(jié)更新教學重點與難點，形成教學的正向反饋。

3 結束語

嵌入式系統(tǒng)是當前人工智能發(fā)展浪潮中不可或缺的一部分，尤其在工業(yè)應用領域，具有人工智能的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)將逐漸改變我國生產(chǎn)模式，讓我國從粗放型、能耗型生產(chǎn)向高精密、高可靠性、高節(jié)能型生產(chǎn)轉(zhuǎn)型。這其中需要高校教師培養(yǎng)相關人才，為國家的建設教育棟梁之才。以培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新能力為重點，為智能制造相關領域提供生力軍，全面提高學生的技能水平和就業(yè)競爭力。