基于實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的嵌入式實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)改革探索

楊璐 高宇鵬 李青云

(晉中信息學(xué)院信息工程學(xué)院 山西太谷 030800)

嵌入式系統(tǒng)具備體積小、功能強(qiáng)、可靠性高等方面的特點(diǎn)[1]，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍工等領(lǐng)域，滲透到人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?，?duì)應(yīng)產(chǎn)業(yè)的人才需求也變得多樣化、高端化[2]。因此，越來越多的高校相繼開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用方面的課程。以新興應(yīng)用型本科院校晉中信息學(xué)院為例，信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)開設(shè)了嵌入式技術(shù)相關(guān)的理論課程、實(shí)驗(yàn)課程、課程設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)集成項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)課程，旨在培養(yǎng)兼具嵌入式系統(tǒng)軟、硬件綜合開發(fā)應(yīng)用能力的高素質(zhì)的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)人才。

1 嵌入式實(shí)訓(xùn)課程特點(diǎn)

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。以晉中信息學(xué)院為例，《系統(tǒng)集成綜合項(xiàng)目開發(fā)》實(shí)訓(xùn)課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)在《嵌入式技術(shù)與應(yīng)用》理論課、實(shí)驗(yàn)課以及課程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上開設(shè)的一門專業(yè)綜合實(shí)踐課，主要介紹嵌入式系統(tǒng)中基于QT項(xiàng)目的軟硬件系統(tǒng)的開發(fā)。通過該實(shí)訓(xùn)課程的學(xué)習(xí)實(shí)踐，使得學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐技能綜合應(yīng)用到項(xiàng)目中，加深對(duì)嵌入式系統(tǒng)項(xiàng)目綜合設(shè)計(jì)與開發(fā)的理解，掌握嵌入式系統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與開發(fā)的基本流程、常用方法和技能，培養(yǎng)學(xué)生分析、解決復(fù)雜工程問題的能力。

2 嵌入式實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)現(xiàn)狀

嵌入式系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)課程具有較強(qiáng)的綜合性、實(shí)踐性以及發(fā)展性，對(duì)于嵌入式課程體系來說，該實(shí)踐教學(xué)是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，意義非常重大[3]。但是該課程教學(xué)難度相對(duì)較大，以目前高校的軟硬件資源配置難以達(dá)到培養(yǎng)卓越工程師的標(biāo)準(zhǔn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 師資力量弱

目前課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)教師存在實(shí)踐項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)不足、實(shí)踐能力不夠強(qiáng)的問題，因此難以設(shè)計(jì)出先進(jìn)的、高質(zhì)量系統(tǒng)集成綜合項(xiàng)目用于教學(xué)，從而不能很好地挖掘?qū)W生的潛力，以及提高學(xué)生的創(chuàng)新、實(shí)踐能力，教學(xué)模式單一，教學(xué)活動(dòng)乏味，不能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備老舊

嵌入式系統(tǒng)技術(shù)更新變化快，不同應(yīng)用領(lǐng)域所涉及的開發(fā)板都各有不同，想要與時(shí)俱進(jìn)采購市面上先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)箱或開發(fā)板需要大量資金投入進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室建設(shè)。由于耗資巨大，高校通常在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)初期大規(guī)模購置一批實(shí)驗(yàn)箱后，多年不進(jìn)行更新。以筆者學(xué)院為例，在進(jìn)行教學(xué)改革前，實(shí)踐課程主要采用的是多年前采購的CortexA8 實(shí)驗(yàn)箱，常年使用下來已有大部分出現(xiàn)故障不能使用。學(xué)生只能分小組，每組使用一臺(tái)實(shí)驗(yàn)箱完成實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，學(xué)生不能充分實(shí)踐鍛煉，而且導(dǎo)致學(xué)生在校學(xué)習(xí)的嵌入式開發(fā)技術(shù)滯后于企業(yè)所需的技術(shù)，不利于畢業(yè)后的實(shí)習(xí)工作。

2.3 課程體系設(shè)置不夠合理

由于嵌入式系統(tǒng)相關(guān)課程需要先修C語言程序設(shè)計(jì)、電子技術(shù)基礎(chǔ)、操作系統(tǒng)、單片機(jī)原理等課程，所以嵌入式課程的相關(guān)理論課、實(shí)驗(yàn)課一般在大三開設(shè)，對(duì)應(yīng)的集成項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)課程到大四才開設(shè)，這樣的課程設(shè)置導(dǎo)致大二、大三學(xué)生不能早些具備參加大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽等相關(guān)學(xué)科競賽的基本技能，從而失去參加各種學(xué)科競賽的積極性和信心，錯(cuò)失通過參加各種大賽鍛煉、檢驗(yàn)自身的知識(shí)技能水平的機(jī)會(huì)。

3 基于實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的嵌入式實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)改革

針對(duì)嵌入式系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)課程的特點(diǎn)以及教學(xué)現(xiàn)狀分析，主要從師資力量、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和課程體系設(shè)置3個(gè)方面著手進(jìn)行改革實(shí)踐，并提出將“創(chuàng)客”教育模式引入教學(xué)過程中，旨在充分挖掘?qū)W生的潛力，提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力以及團(tuán)隊(duì)合作能力[4]。具體情況如圖1所示。

圖1 基于實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的嵌入式實(shí)訓(xùn)課程改革

3.1 師資力量提升

教師作為教學(xué)活動(dòng)的主要設(shè)計(jì)者和組織者，首先要提升自身在理論研究及項(xiàng)目實(shí)踐方面的水平和能力，與時(shí)俱進(jìn)，關(guān)注嵌入式技術(shù)發(fā)展的新動(dòng)向，不斷地學(xué)習(xí)拓展新知識(shí)、新技能，才能更好地踐行嵌入式實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)改革。以晉中信息學(xué)院為例，采用“走出去，請(qǐng)進(jìn)來”的方式，一方面派相關(guān)教師利用寒暑假到企業(yè)參觀實(shí)習(xí)；另一方面定期邀請(qǐng)廠家相關(guān)技術(shù)人員入校對(duì)教師團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)行項(xiàng)目技術(shù)指導(dǎo)培訓(xùn)，以此提升教師的專業(yè)知識(shí)技能水平。

教師在提升自身知識(shí)技能水平的基礎(chǔ)上，還應(yīng)思索改變傳統(tǒng)單一的教學(xué)模式，學(xué)習(xí)引進(jìn)新的教學(xué)模式，如引入“創(chuàng)客”教育模式?！皠?chuàng)客”教育注重激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，采用做項(xiàng)目的學(xué)習(xí)方式，培養(yǎng)學(xué)生具備發(fā)現(xiàn)解決問題能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)合作能力[5]。通過讓學(xué)生自主選擇各種類型開發(fā)板，研究學(xué)習(xí)開發(fā)板配套的實(shí)驗(yàn)手冊(cè)及視頻教程資源，DIY 出個(gè)性的系統(tǒng)綜合集成項(xiàng)目。通過采用項(xiàng)目教學(xué)法[6]，提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力、發(fā)現(xiàn)并解決問題的能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等。培養(yǎng)學(xué)生積極探索、敢于創(chuàng)新的拼搏精神，養(yǎng)成認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)、精益求精的學(xué)習(xí)態(tài)度，成為高素質(zhì)的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)人才。

3.2 不斷完善實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

實(shí)驗(yàn)室作為嵌入式系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)的主陣地，對(duì)于應(yīng)用型本科院校培養(yǎng)嵌入式專業(yè)技術(shù)人才極為重要。針對(duì)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛、更新變化快的特點(diǎn)，授課團(tuán)隊(duì)教師摸索出一條既能與時(shí)俱進(jìn)又花費(fèi)較少的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案。通過申請(qǐng)耗材的方式，每個(gè)學(xué)年申報(bào)購買各種類型的市面上新型開發(fā)板，教師首先學(xué)習(xí)研究各種開發(fā)板，給出對(duì)應(yīng)開發(fā)板上可以完成的項(xiàng)目課題及大致功能要求并下達(dá)任務(wù)書，學(xué)生自由組隊(duì)，自主選擇開發(fā)板以及對(duì)應(yīng)項(xiàng)目課題去分工設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的嵌入式系統(tǒng)集成項(xiàng)目。以晉中信息學(xué)院為例，目前已陸續(xù)購置各種類型開發(fā)板30 套，后續(xù)還會(huì)繼續(xù)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行申報(bào)采購。豐富的開發(fā)板類型及豐富的配套資源，使得學(xué)生可以運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)、實(shí)踐技能將項(xiàng)目的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)成具體的應(yīng)用項(xiàng)目，在此過程中學(xué)生獲得成就感，激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步研究學(xué)習(xí)的興趣，很好地滿足培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力以及團(tuán)隊(duì)合作能力方面的需求。

3.3 完善課程體系設(shè)置

為了更好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，嵌入式系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)課程教師團(tuán)隊(duì)需要把握新工科教育轉(zhuǎn)型改革的內(nèi)涵，充分認(rèn)識(shí)到當(dāng)前課程體系存在的不足，以培育應(yīng)用型人才為導(dǎo)向，對(duì)課程體系進(jìn)行完善[7]。

為了更好地促進(jìn)學(xué)生廣泛參與各種學(xué)科競賽，課程組教師邀請(qǐng)老教授以及學(xué)院負(fù)責(zé)人共同探討，已經(jīng)申請(qǐng)?jiān)谛抻喰乱粚脤W(xué)生人才培養(yǎng)方案時(shí)，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用相關(guān)課程以及相其先修課程的開設(shè)學(xué)期適當(dāng)提前，或是通過增加小學(xué)期的方式提前對(duì)學(xué)生進(jìn)行集中實(shí)訓(xùn)，讓學(xué)生先體驗(yàn)、先實(shí)踐、先設(shè)計(jì)，再輔以適當(dāng)?shù)睦碚撝v解，理論與實(shí)踐相結(jié)合，在實(shí)踐過程中慢慢理解領(lǐng)悟?qū)?yīng)的理論知識(shí)，讓學(xué)生提早掌握相關(guān)學(xué)科競賽所需的各種基本技能，從而讓學(xué)生更廣泛地參與到相關(guān)學(xué)科競賽中去，獲得鍛煉和提升，為畢業(yè)實(shí)習(xí)、找工作等打下堅(jiān)實(shí)的實(shí)踐基礎(chǔ)。

4 嵌入式系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)改革成效

4.1 課程“活”起來

學(xué)生根據(jù)自己的興趣選擇不同的開發(fā)板，設(shè)計(jì)完成功能各異的個(gè)性化系統(tǒng)集成項(xiàng)目，學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)、實(shí)踐更感興趣，經(jīng)過一輪實(shí)踐教學(xué)改革，目前學(xué)生已完成的系統(tǒng)集成項(xiàng)目有：基于CortexA8 實(shí)驗(yàn)箱的智能考勤系統(tǒng)、智能電卡系統(tǒng)、智能水卡系統(tǒng)，以及基于STM32的智能音樂播放器、實(shí)驗(yàn)室安防系統(tǒng)、智能家居系統(tǒng)、智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)等。

4.2 學(xué)科競賽參與效果提升

學(xué)生通過實(shí)訓(xùn)課程的學(xué)習(xí)實(shí)踐，廣泛參與華北五省大學(xué)生計(jì)算機(jī)應(yīng)用大賽、全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽等相關(guān)學(xué)科競賽，并獲得較好名次。通過參加學(xué)科競賽，充分鍛煉學(xué)生對(duì)實(shí)際問題求解能力以及進(jìn)行整體項(xiàng)目設(shè)計(jì)的能力，以賽促學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和創(chuàng)造力。

5 結(jié)語

結(jié)合高校實(shí)際情況，依托該校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)以及嵌入式系統(tǒng)課程的課程目標(biāo)，以實(shí)踐、創(chuàng)新為核心理念，引入創(chuàng)客教育模式，圍繞設(shè)計(jì)完成開放性項(xiàng)目組織開展教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生嵌入式系統(tǒng)集成項(xiàng)目設(shè)計(jì)開發(fā)的能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，積累項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，很好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力以及團(tuán)隊(duì)合作能力，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)應(yīng)用型嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人才的最終目標(biāo)。