“雙一流”背景下嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用教學(xué)改革

王艷春，苗鳳娟，夏穎，張勁松，王玨

（齊齊哈爾大學(xué) 通信與電子工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

2017 年，教育部、財政部和國家發(fā)展改革委員會聯(lián)合頒發(fā)了《統(tǒng)籌推進世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)實施辦法（暫行）》，強調(diào)要全面促進高等教育在人才培養(yǎng)、科學(xué)研究和社會服務(wù)等方面的綜合實力[1].2018年，國務(wù)院學(xué)位委員會發(fā)布了《關(guān)于制訂工程類碩士專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)方案的指導(dǎo)意見》，進一步強調(diào)專業(yè)學(xué)位研究生在工程性、實踐性和應(yīng)用性等方面的培養(yǎng)定位[2-3].

隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，社會對電子信息專業(yè)的人才需求越來越迫切，但目前電子信息專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)過程中發(fā)現(xiàn)存在一些共性的亟待解決的問題.主要包括應(yīng)用基礎(chǔ)理論及科學(xué)技術(shù)與方法指導(dǎo)解決工程問題的能力比較薄弱，課程建設(shè)和教學(xué)資源的不豐富，工程教育脫離產(chǎn)業(yè)需求，工程應(yīng)用能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)嚴(yán)重缺位等，這些都延緩了專業(yè)學(xué)位研究生工程知識、工程素養(yǎng)和工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)[4-5].因此，以解決工程問題、培養(yǎng)應(yīng)用能力為導(dǎo)向的專業(yè)學(xué)位研究生課程改革勢在必行.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用課程作為電子信息專業(yè)研究生的核心課程，須立足信息與通信學(xué)科的優(yōu)勢和特點，精準(zhǔn)對接未來社會對嵌入式人才的需要.課程目標(biāo)不僅要注重嵌入式系統(tǒng)知識體系的構(gòu)建，使學(xué)生全面掌握嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用方法，為從事嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計工作奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)，更要注重學(xué)生能力和素質(zhì)的培養(yǎng)，使學(xué)生產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣和專業(yè)認(rèn)同感，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新意識、工程素質(zhì)和工程應(yīng)用能力，提高專業(yè)素質(zhì)和就業(yè)競爭力.

1 理論教學(xué)改革促進學(xué)生能力培養(yǎng)

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用課程理論教學(xué)主要采用基于翻轉(zhuǎn)課堂的混合式教學(xué)和基于問題驅(qū)動的案例教學(xué)模式[6-7]，培養(yǎng)專業(yè)學(xué)位研究生自主學(xué)習(xí)能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，不斷提高教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量，加強學(xué)生對工程知識的理解和工程素質(zhì)的提升.

1.1 混合式教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力

在理論教學(xué)過程中，充分利用中國大學(xué)Mooc和網(wǎng)絡(luò)平臺開展混合式教學(xué).課前設(shè)置任務(wù)、組織學(xué)生課前觀看中國大學(xué)優(yōu)秀Mooc視頻、課件，完成課前測試.課上教師結(jié)合電子設(shè)計競賽嵌入式系統(tǒng)專題、大學(xué)生創(chuàng)新項目、通信領(lǐng)域嵌入式新產(chǎn)品等案例組織學(xué)生展開課堂討論，教學(xué)方式從“以教師為中心”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙詫W(xué)生為中心”.如結(jié)合教師指導(dǎo)的省級重點大學(xué)生創(chuàng)新項目“基于ZigBee的智能糧倉遠程監(jiān)控系統(tǒng)”，針對智慧農(nóng)業(yè)糧倉監(jiān)控中涉及的監(jiān)測、控制及無線通信對嵌入式技術(shù)的需求，通過“系統(tǒng)分析——問題引入——分組討論——能力提升”引導(dǎo)學(xué)生主動思考，積極探究系統(tǒng)設(shè)計方案，開發(fā)工具、實驗方法的選擇以及適用性、時效性等，通過各組提出的不同設(shè)計方案，討論嵌入式系統(tǒng)設(shè)計在工程實踐中的可行性、性價比，提升學(xué)生工程意識和對社會效益、經(jīng)濟效益的認(rèn)識和理解.課后通過網(wǎng)絡(luò)平臺在線答疑、線上討論及在線測試等，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，提高了學(xué)生分析、解決問題的能力和自主學(xué)習(xí)能力，有效提高了教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量.

1.2 問題驅(qū)動案例教學(xué)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

在本課程教學(xué)過程中，教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容結(jié)合實際應(yīng)用設(shè)計教學(xué)案例，結(jié)合教學(xué)案例設(shè)置工程問題，啟發(fā)學(xué)生進行探究、研討.如結(jié)合目前應(yīng)用十分廣泛的“智能門禁系統(tǒng)”應(yīng)用案例，引導(dǎo)學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)資源查閱智能門禁系統(tǒng)的不同解決方案、不同應(yīng)用場景，比較各種方案的優(yōu)勢和不足.學(xué)生通過對基于指紋識別、人臉識別、虹膜識別等生物信息識別技術(shù)，基于RFID 射頻識別技術(shù)的卡式識別技術(shù)，基于短信驗證的臨時密碼的智能門禁系統(tǒng)多種方案進行分析，對案例中所涉及的方案選擇、關(guān)鍵技術(shù)、軟硬件配置等復(fù)雜工程問題提出解決方案，設(shè)計滿足要求的電路及系統(tǒng)，選擇和使用相關(guān)的軟硬件設(shè)計和仿真平臺、儀器設(shè)備，分析其適用性、時效性等.教學(xué)過程中通過問題的提出，適時啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生找到有效的方法，得到合理有效的結(jié)論，培養(yǎng)了學(xué)生工程素養(yǎng)和工程應(yīng)用能力，激發(fā)了學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)興趣.

2 構(gòu)建“三梯度”實踐教學(xué)模式

本課程是一門軟硬件并重的專業(yè)課程，實踐教學(xué)在人才培養(yǎng)過程中起到了舉足輕重的作用.在教學(xué)過程中根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律和實踐內(nèi)容體系，構(gòu)建了“虛擬仿真實驗+科研項目實驗+工程應(yīng)用實踐”相融合的“三梯度”實踐教學(xué)模式，加強學(xué)生實踐能力的培養(yǎng).

2.1 虛擬仿真實驗

本課程虛擬仿真實驗采用英國Labcenter Electronics 公司的EDA 工具軟件Proteus，該軟件具有功能強大、界面直觀、性能完善等特點，目前已成為國內(nèi)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與仿真的軟件支撐[8].借助Proteus 對CPU和外圍電路強大的仿真能力以及豐富的資源庫進行嵌入式軟硬件實驗仿真，用構(gòu)建的虛擬嵌入式系統(tǒng)代替實際的硬件電路，有利于增強學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建的感性認(rèn)識，仿真實驗結(jié)果基本理想時再進行硬件調(diào)試.Proteus 虛擬仿真有效替代了傳統(tǒng)硬件仿真器進行前期軟硬件調(diào)試，不存在器件損耗問題，大大節(jié)約了教學(xué)資源，有效解決了實驗室資源緊張和疫情形勢下線上實驗問題.Proteus 虛擬仿真引入本課程教學(xué)過程后，接近實際的動態(tài)演示激發(fā)了學(xué)生興趣，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動性及理論聯(lián)系實際的能力都得以提高.

2.2 科研項目實驗

本課程教學(xué)過程中探索以科研項目為依托的實驗教學(xué)模式，充分利用教師科研項目和專利中與本課程內(nèi)容緊密聯(lián)系的實驗研究部分，借助教師科研實驗室平臺，構(gòu)建具有實際工程應(yīng)用背景的課程實驗?zāi)繕?biāo)、實驗內(nèi)容以及具體要求[9-10].如依托科研項目“滅火機器人路徑規(guī)劃研究”構(gòu)建了嵌入式滅火機器人實驗平臺，學(xué)生在完成滅火機器人控制模塊、傳感器模塊、視頻監(jiān)控模塊、電機驅(qū)動模塊、通信模塊測試的同時，進一步研究傳感器選擇、器件位置、電機振動特性、轉(zhuǎn)換接口設(shè)計等問題，給出了多種實施方案.以科研項目為引領(lǐng)的嵌入式實驗教學(xué)模式通過有計劃、有目標(biāo)的項目驅(qū)動使學(xué)生積極獲取、積累、整合所學(xué)知識，并培養(yǎng)學(xué)生科研道德和科研誠信.學(xué)生通過項目實驗不僅能夠驗證問題，而且能夠發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)了學(xué)生的工程素養(yǎng)和分析解決實際問題的能力.

2.3 工程應(yīng)用實踐

在教學(xué)實踐過程中，以專業(yè)學(xué)位研究生工程實踐能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，以電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展和嵌入式人才需求為牽引，依托學(xué)院“黑龍江省微納傳感器件重點實驗室”“黑龍江省農(nóng)業(yè)多維傳感器信息感知工程技術(shù)研究中心”2個省級平臺，校企合作“嵌入式聯(lián)合實驗室”等開展各類工程實踐活動.邀請校企合作單位的嵌入式研發(fā)工程師基于工程場景解讀當(dāng)前國內(nèi)外嵌入式應(yīng)用研究與產(chǎn)業(yè)發(fā)展前沿問題，使學(xué)生了解了嵌入式在人工智能領(lǐng)域、物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域、通信領(lǐng)域的應(yīng)用，明確了工程實踐與環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)系.邀請從事嵌入式研發(fā)的優(yōu)秀畢業(yè)生進行講座、在線指導(dǎo)，將企業(yè)工程實踐中的相關(guān)應(yīng)用案例，如高速公路智能測速系統(tǒng)、智能家居安防系統(tǒng)、掃地機器人等實踐項目引入本課程教學(xué)中，使學(xué)生通過企業(yè)項目實戰(zhàn)將所學(xué)知識、技能與工程實踐相結(jié)合，不僅培養(yǎng)了學(xué)生工程應(yīng)用和實踐創(chuàng)新能力，也開拓了視野，提升了學(xué)生對行業(yè)的認(rèn)同感和對本專業(yè)的興趣度，近3年就業(yè)率均達到100%.

3 結(jié)語

準(zhǔn)確定位“雙一流”背景下適應(yīng)社會需求的電子信息專業(yè)學(xué)位研究生工程應(yīng)用能力培養(yǎng)目標(biāo)，深入探討了研究生嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用課程教學(xué)改革思路，顯著提高了課程教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量.培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和工程素質(zhì)，有效提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、自主學(xué)習(xí)能力、工程應(yīng)用能力和綜合素質(zhì)，為培養(yǎng)適應(yīng)行業(yè)和社會發(fā)展需求的高素質(zhì)電子信息專業(yè)人才奠定了堅實的基礎(chǔ).