嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)課程思政教學改革實踐探究

吳宗勝，韓改寧

（咸陽師范學院計算機學院，陜西咸陽 712000)

0 引言

高校的根本任務是立德樹人，進行課程思政教育是高校教師實現(xiàn)該任務的有力舉措[1-2]。為了全面推進課程思政建設，在所有課堂中都應該融入思政元素，要將思政教育貫穿教學全過程，促進思想政治工作實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展[3]。

習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調(diào)指出：“要堅持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現(xiàn)全程育人、全方位育人，努力開創(chuàng)我國高等教育事業(yè)發(fā)展新局面。”[4]

當前，各高校已經(jīng)掀起了課程思政改革的浪潮，使課程思政成為越來越普遍的教育理念和教學實踐[5]。然而，有些教師對課程思政的認識不足或?qū)φn程思政內(nèi)涵的理解不夠深入，因此不知道如何在自己的課程中開展課程思政教育。很多教師在教學過程中，普遍存在一種情況，即過于注重知識的傳授，而忽略了價值觀和職業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)[6]。嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)是一門自動化控制、物聯(lián)網(wǎng)工程、軌道交通信號與控制等專業(yè)的基礎課程，它涉及硬件設計、軟件開發(fā)、系統(tǒng)集成等多個方面的知識，是一門專業(yè)性強、實踐性突出的課程[7]。隨著物聯(lián)網(wǎng)和機器人等技術的快速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)應用的范圍越來越廣泛。然而，目前這類課程與思政教育的融合程度不夠高。在嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)課程教學中引入思想政治育人內(nèi)容，可以在學習知識和鍛煉技能的同時，培養(yǎng)學生的家國情懷和社會責任感，這對于實現(xiàn)全員全程全方位育人有著重要的意義。本文以嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)課程為例，通過分析該課程的教學內(nèi)容，挖掘相關思政元素，并探索教學方法，達到知識傳授和價值引領的有機統(tǒng)一，最終培養(yǎng)出能夠肩負民族復興大任的新時代人才。

1 教學目的與育人目標

1.1 教學目的

本課程的教學目的是通過嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境、開發(fā)方法、開發(fā)流程、編程實踐等基礎教學及嵌入式應用系統(tǒng)設計等進階實驗，培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新思維，使學生能夠掌握嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)的基本理論和技術，具備獨立進行嵌入式系統(tǒng)設計與應用開發(fā)的能力。

1.2 育人目標

結合本課程的教學目的，通過在課堂教學中因地制宜融入思政教育，實現(xiàn)培養(yǎng)有理想信念、有社會責任感、有創(chuàng)新精神、有人文素養(yǎng)的高素質(zhì)人才的育人目標。具體來說，包括以下幾個方面：

1) 引導學生樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀，使其具有良好的思想道德素質(zhì)和行為習慣。

2)培養(yǎng)學生扎實的專業(yè)知識和技能，具備團結協(xié)作、勇于擔當?shù)囊庾R，使其能夠勝任相關工作，并具備獨立創(chuàng)新能力和國際競爭力。

3)培養(yǎng)學生科學家精神，使其具備追求真理、創(chuàng)新思維和實踐能力，能夠積極適應和引領時代變化和科技發(fā)展，不斷創(chuàng)新和進步。

4)使學生具有人文情懷和美育素養(yǎng)，尊重人權、關心社會、熱愛祖國、崇尚和平，能夠追求個人價值和社會公益并且二者相互促進。

5)使學生具備強烈的社會責任感和使命感，始終為人民服務，積極參與社會建設和公益事業(yè)，為國家和人民做出貢獻。

2 教學內(nèi)容與教學方法

2.1 教學內(nèi)容

本課程的教學內(nèi)容主要包括嵌入式系統(tǒng)的基本概念與原理、嵌入式系統(tǒng)的體系結構、嵌入式微處理器與接口、ARM-Linux內(nèi)核、嵌入式系統(tǒng)的移植、設備驅(qū)動程序的設計、嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試與測試、嵌入式系統(tǒng)的應用與發(fā)展等方面的內(nèi)容。通過這些內(nèi)容的學習，學生可以全面了解和掌握嵌入式系統(tǒng)的硬件設計與軟件開發(fā)技術。

2.2 教學方法

在教學方法上，我們采用了理論與實踐相結合的方式進行教學。通過多種教學方法，包括理論講授、案例分析、實踐教學、隱性滲透式、課堂討論式等，使學生在理論學習的基礎上能夠進行實際操作和實驗設計，提升學生的實踐能力和創(chuàng)新思維。同時，課程還將德育元素和知識點進行融合，將立德樹人貫穿于教學過程中。

1)案例驅(qū)動式教學法

采用案例驅(qū)動式教學法是將思政教育內(nèi)容融入課程案例教學過程中。在教授專業(yè)知識和培養(yǎng)技能的同時，還要對學生進行個人觀念和價值觀的塑造，將知識傳授和價值引導有機結合。例如：將自改革開放以來，我國在嵌入式系統(tǒng)領域取得的巨大成就作為課程案例，厚植愛黨、愛國、愛社會主義的情感；同時，結合國際和國內(nèi)兩個大局及社會熱點問題和重大事件案例，挖掘課程中所蘊含的思政教育元素和承載的思政教育功能。

2)實踐教學法

實踐教學是培養(yǎng)學生動手能力、團隊協(xié)作能力、創(chuàng)新思維和嚴謹科學態(tài)度的有效途徑。實踐教學可通過課內(nèi)實驗和課外實踐的方式進行。

課內(nèi)實驗包括課程內(nèi)容的單項實驗和項目分組實驗，在實驗中教師可以在軟件程序或硬件連接中設置一些隱藏的問題和障礙，學生可以根據(jù)實驗運行結果來分析故障原因以排查故障，教育學生應該在挫折中具有堅持不懈的探索精神和解決問題的能力，并養(yǎng)成嚴謹?shù)目茖W態(tài)度、優(yōu)秀的職業(yè)素養(yǎng)以及追求卓越的工匠精神。

課外實踐主要以參加課外科技活動和競賽為主，如全國“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)大賽、中國大學生計算機設計大賽、中國大學生工程實踐與創(chuàng)新能力大賽、全國大學生節(jié)能減排社會實踐與科技競賽，旨在鼓勵大學生積極參與各類科技競賽，關注國家科技、能源與環(huán)境發(fā)展政策，并將人文素養(yǎng)融入科學知識技能中以啟發(fā)創(chuàng)新性思維。通過該類實踐活動引導學生勤于學習、甘于奉獻、勇于創(chuàng)新，肩負起時代賦予的歷史重任。

3 課程思政教學案例

習近平總書記在2019 年3 月18 日的學校思想政治理論課教師座談會上強調(diào)：“要堅持顯性教育和隱性教育相統(tǒng)一，挖掘其他課程和教學方式中蘊含的思想政治教育資源，實現(xiàn)全員全程全方位育人[8]?！币虼?，為了達到全方位育人的目標，我們根據(jù)本課程的特點并結合具體的教學內(nèi)容，在教學與實踐中引入了顯性的和隱性的思政教學元素。以下是本課程設計的部分教學案例：

1)教學內(nèi)容：嵌入式微處理器

知識要點：嵌入式微處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心部件，由運算器和控制構成，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的算術和邏輯運算等操作，并執(zhí)行用戶指令控制嵌入式系統(tǒng)的各功能部件，保證系統(tǒng)各部分能自動而協(xié)調(diào)地工作。

對應的思政元素：愛黨愛國、家國情懷。嵌入式系統(tǒng)使用的微控制器由微處理器CPU 和外圍電路組成，CPU 處在核心的領導地位，與之連接的各部件在其領導下可以有條不紊地協(xié)調(diào)工作。猶如我黨帶領56 個民族走中國特色社會主義道路，實現(xiàn)共同富裕。引導學生們堅持我黨的領導地位，理解“堅持黨對一切工作的領導”是決定黨和國家前途命運的重大原則問題，是實現(xiàn)中華民族偉大復興的根本保證。

2)教學內(nèi)容：嵌入式微處理器的發(fā)展

知識要點：我國的嵌入式微處理器設計起步較晚，缺乏自主設計高端處理器的關鍵核心技術。雖然目前部分國產(chǎn)處理器技術（如龍芯、飛騰和申威）已經(jīng)取得很大的進步，但核心技術仍然遠遠落后于國際先進水平，高性能的微處理器主要還依賴國外進口，不僅價格昂貴，而且經(jīng)常面臨出口限制，使得國家信息系統(tǒng)安全面臨巨大威脅[9]。2018年的“中興事件”無疑是一個很好的案例。當年美國商務部發(fā)布出口禁令，禁止美國企業(yè)向中興通訊出售任何電子技術或通信元件，給依賴美國元器件的中興公司造成了巨大損失。近幾年，以美國為首的資本主義國家瘋狂地打壓我國的科技發(fā)展，斷供高端芯片和制造芯片所用的光刻機，企圖阻斷我國半導體芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，受影響最大的當是華為公司的微控制器麒麟手機芯片和5G射頻芯片。雖然麒麟芯片的設計水準達到了國際先進水平，但無奈臺積電拒絕代工，國內(nèi)廠家也缺少制造芯片的高端光刻機，導致進入無芯可用的尷尬境地。在5G 通信技術中，華為掌握了大部分的5G 專利，但重要的射頻芯片卻受制于人，導致自己的手機不能使用5G網(wǎng)絡。

對應的思政元素：奮斗精神、愛國精神、責任感和使命感。通過“中興事件”和華為麒麟芯片斷供事件，教導學生要立足國情，刻苦學習專業(yè)知識，做到艱苦奮斗、自力更生、自主創(chuàng)新、勇挑重擔，為實現(xiàn)中華民族偉大復興的中國夢而奮斗；引導學生關注國家科技發(fā)展新動向，理解半導體芯片新技術對我國發(fā)展的重要戰(zhàn)略意義，增強學生對我國科技發(fā)展和民族復興的使命感和責任感，激發(fā)他們的家國情懷和愛國主義精神。

3)教學內(nèi)容：嵌入式操作系統(tǒng)

知識要點：常見的嵌入式操作系統(tǒng)包括嵌入式Linux、Windows CE、Android、VxWorks、μC/OS-Ⅱ等。一直以為，我國在桌面操作系統(tǒng)和嵌入式操作系統(tǒng)方面落后于世界先進水平。落后就會被挨打，2019年谷歌公司禁止華為手機使用Google服務，導致華為手機不能使用Android 系統(tǒng)，慶幸的是華為公司對此早有先見之明，推出了前期自行研發(fā)的鴻蒙系統(tǒng)，完美替換了Android系統(tǒng)，打破了谷歌的封鎖。

對應的思政元素：知識產(chǎn)權，民族情懷。引導學生理解自主知識產(chǎn)權的重要性，并尊重知識產(chǎn)權，不侵犯他人的創(chuàng)造成果；同時，引導學生支持民族企業(yè)，發(fā)展民族產(chǎn)業(yè)，使我們國家擺脫外國的技術封鎖,真正地實現(xiàn)自主創(chuàng)新、自由發(fā)展，助力實現(xiàn)中華民族偉大復興。

4)教學內(nèi)容：嵌入式系統(tǒng)的應用領域與發(fā)展趨勢

知識要點：嵌入式系統(tǒng)廣泛應用于工業(yè)控制、軍事電子、智慧交通、信息家電、智能家居、物聯(lián)網(wǎng)、機器人、移動支付和智能測控等眾多方面，正在向微型化、網(wǎng)絡化、智能化與穿戴式方向發(fā)展。

對應的思政元素：愛國情感、民族自豪感。引導學生關注國家十多年來在計算機技術和嵌入式系統(tǒng)應用領域所取得的巨大成就，以及這些成就如何改變了人們的生活方式和消費方式，從而增強學生的愛國情感和民族自豪感。

5)教學內(nèi)容：中斷系統(tǒng)

知識要點：中斷系統(tǒng)可以即時響應并處理中斷或異常事件。CPU 是根據(jù)中斷優(yōu)先級的高低順序?qū)χ袛嗾埱筮M行響應的。中斷的優(yōu)先級相當于事情的緊急程度和重要程度，具有高優(yōu)先級的任務可以打斷優(yōu)先級低的任務。中斷的處理過程則由預先定義的中斷服務程序進行處理。

對應的思政元素：工作效率、應急能力。處理事務需要注重事情的輕重緩急，合理安排待辦事務的先后順序，凡事需要做好應急預案（正如中斷處理程序），做到有備無患、遇事不慌，牢牢把握主動權。引導學生思考如何安排時間以提高學習效率和工作效率，發(fā)揮做事主觀能動性，提高事件發(fā)生的預見性，培養(yǎng)學生的對突發(fā)事件的應急處理意識與應對處理方法。

6)教學內(nèi)容：GPIO接口驅(qū)動LED

知識要點：GPIO為通用的輸入輸出接口，可以直接連接并驅(qū)動LED 燈。LED 燈是一種節(jié)能環(huán)保的燈具，具有亮度高、功耗低的特點，并可以通過定時器輸出PWM脈沖控制燈的亮度。

對應的思政元素：綠色環(huán)保、社會公益、人生價值觀。通過介紹PWM 基本原理和實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)頻的方法，講解LED 燈調(diào)光控制和直流電機調(diào)速等典型案例，引入節(jié)能控制和綠色發(fā)展的理念。引導學生重視社會公益、節(jié)能減排，發(fā)展綠色的可持續(xù)發(fā)展的技術，推廣綠色設計理念，實現(xiàn)自己的人生價值。

7)教學內(nèi)容：設備驅(qū)動程序設計

知識要點：設備驅(qū)動程序框架、代碼編寫規(guī)范。設備驅(qū)動程序是應用軟件和硬件設備之間的一個軟件層，負責與硬件的通信并向用戶提供調(diào)用接口。嵌入式系統(tǒng)的設備驅(qū)動程序需要按照一定的程序框架和規(guī)則進行編寫代碼。

對應的思政元素：遵紀守法。通過設計設備驅(qū)動程序，引導學生要遵守代碼編寫規(guī)范，并升華到遵紀守法。“不以規(guī)矩，無以成方圓?！弊袷丶o律、規(guī)則，社會才會安然有序。

8)實踐內(nèi)容：課內(nèi)實驗

知識要點：結合理論教學內(nèi)容開展相應的課內(nèi)實驗，實踐出真知，通過實驗印證理論，以鞏固所學知識并提高學生動手能力、團隊協(xié)作能力、分析實際問題和解決實際問題的能力。

對應的思政元素：務實求真、工匠精神、團隊意識。通過解決在實驗中出現(xiàn)的諸如硬件電路焊接存在虛焊、引腳接觸不良、代碼中變量類型定義不當、程序邏輯錯誤、系統(tǒng)移植中配置與硬件不符等問題，培養(yǎng)學生實事求是、吃苦耐勞的作風、以及嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，弘揚工匠精神；在實施實驗項目過程中，引導學生相互之間建立信任，共同協(xié)作，團結互助，為實現(xiàn)共同目標而努力，使學生學會做人做事，并且在此過程中增強其團隊意識、創(chuàng)新意識和責任意識，培養(yǎng)學生良好的團隊協(xié)作精神和集體榮譽感。

9)實踐內(nèi)容：科技競賽等課外實踐

知識要點：在課內(nèi)實驗的基礎上，進一步培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，鼓勵學生積極參與各種課外的科技競賽，并結合當前科技熱點，設計具有創(chuàng)新性的嵌入式應用系統(tǒng)。通過這類項目的競賽，可以鞏固學生已學的基礎知識，并將其靈活應用，培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力。

對應的思政元素：開拓創(chuàng)新、責任使命。引導學生自主學習、勇于創(chuàng)新，通過自主性學習和實踐來領悟做人做事的基本原則和社會主義核心價值觀，以此堅定實現(xiàn)中華民族偉大復興的決心，并承擔歷史賦予的責任和使命。

4 結論

嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)這門課程不應僅僅是技術和實踐的培養(yǎng)，更應該注重思政教育的融入。通過思政教育的引導，可以使學生在學習專業(yè)知識的同時，樹立正確的世界觀、人生觀、價值觀，培養(yǎng)學生的社會責任感和創(chuàng)新能力。因此，在今后的課程教學中，我們將進一步加強對思政教育的重視，不斷探索和實踐，提升學生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。這樣才能夠更好地發(fā)揮學生在嵌入式系統(tǒng)領域中的作用，為社會的發(fā)展、國家的富強和民族的復興做出貢獻。