基于OBE理念的“嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用”課程改革與實(shí)踐

吳靜然 崔冉

摘 要 “嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用”作為信息工程專業(yè)的專業(yè)必修課程，是高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才培養(yǎng)的重要課程。文章以“嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用”課程存在的問題為出發(fā)點(diǎn)，以O(shè)BE理念為指導(dǎo)思想，考慮學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，從明確教學(xué)目標(biāo)、優(yōu)化教學(xué)體系、調(diào)整教學(xué)內(nèi)容、開展線上線下混合教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)和量化教學(xué)評價(jià)等方面探討了該課程的改革舉措，有效地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為培養(yǎng)高素質(zhì)、復(fù)合型新工科人才奠定良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用；信息工程；新工科人才；OBE理念

中圖分類號：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.7.029

Curriculum Reform and Practice of "Embedded Systems and Applications"

Based on OBE Concept

WU Jingran， CUI Ran

（Xuhai College， China University of Mining and Technology， Xuzhou， Jiangsu 221008）

Abstract "Embedded Systems and Applications" is a compulsory course for information engineering majors and an important course for cultivating high-quality composite new engineering talents. The article takes the problems existing in the course of "Embedded Systems and Applications" as the starting point， takes the OBE concept as the guiding ideology， considers the learning characteristics of students， and explores the reform measures of the course from the aspects of clarifying teaching objectives， optimizing teaching systems， adjusting teaching content， carrying out blended online and offline teaching， practical teaching， and quantitative teaching evaluation. It effectively stimulates students' interest in learning， and lays a solid foundation for cultivating high-quality composite new engineering talents.

Keywords Embedded Systems and Applications; information engineering; new engineering talents; OBE concept

隨著我國高等教育新工科建設(shè)戰(zhàn)略的實(shí)施，培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、適應(yīng)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才，成為目前高等院校的重要使命[1]。嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用課程作為信息工程專業(yè)的專業(yè)必修課，需要綜合運(yùn)用硬件設(shè)計(jì)、C語言編程與調(diào)試、軟件集成等相關(guān)知識，有助于培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、溝通表達(dá)、嵌入式系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)等能力，符合高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才的培養(yǎng)要求。如何契合獨(dú)立學(xué)院學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，明確教學(xué)目標(biāo)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，借助現(xiàn)代化教學(xué)工具，理論和實(shí)踐并行，是該課程亟待解決的關(guān)鍵問題。

1? “嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用”課程教學(xué)存在的問題

1.1? 教學(xué)目標(biāo)模糊，課程體系單一

當(dāng)前，“嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用”課程教學(xué)目標(biāo)模糊，課程體系相對陳舊，與用人單位嵌入式人才的實(shí)際需求脫節(jié)。理論課程與實(shí)踐實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)彼此割裂，相對獨(dú)立，未形成完整的課程體系，對學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)、軟硬件開發(fā)能力的培養(yǎng)效果大打折扣。

1.2? 教學(xué)內(nèi)容定位不清，教學(xué)手段單一

通過對中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院信電系學(xué)生的調(diào)研和觀察發(fā)現(xiàn)：大多數(shù)學(xué)生的知識水平相對薄弱，對于枯燥晦澀的理論知識學(xué)習(xí)有畏難情緒；重視動手實(shí)踐，但學(xué)習(xí)獨(dú)立性較差，需要及時(shí)反饋來促進(jìn)主動學(xué)習(xí)；部分學(xué)生感到迷茫，缺乏主動學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力。

“嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用”課程教學(xué)內(nèi)容向高層次本科院?？待R，包括枯燥的硬件知識和復(fù)雜的底層編程知識，但教學(xué)手段單一，采用教師講、學(xué)生聽的傳統(tǒng)授課方式，教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)設(shè)計(jì)未充分考慮到學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)和訴求，枯燥深入的底層編程知識使多數(shù)學(xué)生望而生畏，失去學(xué)習(xí)熱情和動力。

1.3? 重理論輕實(shí)踐

實(shí)踐性是“嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用”課程的重要特性，動手實(shí)踐是提升學(xué)生的軟硬件開發(fā)能力的必經(jīng)之路。然而“嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用”課程教學(xué)側(cè)重復(fù)雜的編程講解，學(xué)生的編程實(shí)踐落地性差，學(xué)習(xí)效果不盡如人意。

1.4? 教學(xué)評價(jià)機(jī)制僵化

考試的指揮棒在哪里，學(xué)生的學(xué)習(xí)方向就在哪里。目前課程以卷面考試為主，學(xué)生花費(fèi)大量的精力來應(yīng)對考試，動手實(shí)踐能力、表達(dá)能力、解決問題的能力并未得到有效鍛煉。

2? OBE教學(xué)理念闡述

OBE教學(xué)理念是美國學(xué)者斯派帝提出的一種以學(xué)生為中心，以成果導(dǎo)向?yàn)楹诵模浴澳嫦蛟O(shè)計(jì)、正向?qū)嵤睘樗悸?，持續(xù)改進(jìn)的教育理念[2]。該理念實(shí)施的5大要點(diǎn)分別為：充分考慮學(xué)生、企業(yè)、學(xué)校、教師的要求來確定學(xué)習(xí)目標(biāo)；以終為始，根據(jù)學(xué)習(xí)成果構(gòu)建課程體系；以學(xué)生為中心，明確教學(xué)策略，提升教學(xué)效果；采用多元化評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；持續(xù)改進(jìn)，提高嵌入式人才培養(yǎng)的針對性。由于OBE理念的實(shí)施要點(diǎn)可有效解決課程存在的痛點(diǎn)，課程組以O(shè)BE理念為指導(dǎo)，結(jié)合學(xué)生特點(diǎn)和課程特點(diǎn)，從明確教學(xué)目標(biāo)、構(gòu)建課程體系、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、線上線下混合教學(xué)和量化考核方式等方面開展課程教學(xué)改革。

3? “嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用”課程教學(xué)方法創(chuàng)新及措施

3.1? 明確教學(xué)目標(biāo)，優(yōu)化課程體系

中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院堅(jiān)持“學(xué)而優(yōu)則用，學(xué)而優(yōu)則創(chuàng)”的辦學(xué)理念，以培養(yǎng)德智體美全面發(fā)展，厚基礎(chǔ)、精專業(yè)、重實(shí)踐、強(qiáng)能力、高素質(zhì)的應(yīng)用型、復(fù)合型人才為培養(yǎng)目標(biāo)。契合學(xué)院的人才培養(yǎng)目標(biāo)，“嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用”課程體系突出應(yīng)用，重視實(shí)踐，為企業(yè)培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)、實(shí)踐能力強(qiáng)的高素質(zhì)復(fù)合型人才，從知識、技能、能力和素質(zhì)四個(gè)方面明確具體目標(biāo)[3]。

①知識目標(biāo)：通過課程教學(xué)使學(xué)生掌握嵌入式基礎(chǔ)知識和原理、工程技術(shù)知識和專業(yè)知識，了解嵌入式系統(tǒng)軟硬件開發(fā)流程和方法。②技能目標(biāo)：通過實(shí)踐教學(xué)，使學(xué)生掌握利用現(xiàn)代化工具進(jìn)行嵌入式芯片應(yīng)用和開發(fā)的技能。③能力目標(biāo)：通過實(shí)踐教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的軟硬件開發(fā)，發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題，團(tuán)隊(duì)協(xié)作，自信表達(dá)等多方面的能力。④素質(zhì)目標(biāo)：注重學(xué)生身心健康，助力學(xué)生樹立正確的人生觀、價(jià)值觀，培養(yǎng)腳踏實(shí)地、實(shí)事求是的做事態(tài)度，激發(fā)學(xué)生勤思考、多創(chuàng)新，強(qiáng)化責(zé)任和擔(dān)當(dāng)意識。

在此基礎(chǔ)上，課程組從教學(xué)平臺、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教師素質(zhì)提升四個(gè)方面構(gòu)建嵌入式課程教學(xué)體系[4-5]。課程內(nèi)容由基礎(chǔ)理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)和綜合應(yīng)用環(huán)節(jié)四部分構(gòu)成。課程以學(xué)、練、用為指導(dǎo)思想，優(yōu)化教學(xué)方法，借助多元化教學(xué)&創(chuàng)新實(shí)踐平臺助力學(xué)生提升嵌入式開發(fā)能力。其中在理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，借助網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺和課程教學(xué)平臺，重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生對基礎(chǔ)概念和知識的理解、掌握情況；實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生初步具備綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ痪C合應(yīng)用環(huán)節(jié)借助學(xué)科競賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等多元化平臺，以應(yīng)用為導(dǎo)向培養(yǎng)學(xué)生形成較好的軟硬件開發(fā)能力。“嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用”課程作為理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的重要載體，為后續(xù)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)和綜合應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.2? 調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，引入思政元素

該課程采用基于Cortex-M3內(nèi)核STM32作為主控芯片，該芯片資源豐富、易上手、性價(jià)比高、可移植FreeRTOS操作系統(tǒng)，可滿足課程綜合練習(xí)、學(xué)科競賽和畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求。教學(xué)過程雖按照內(nèi)部結(jié)構(gòu)、庫函數(shù)、編程講解的方式開展，符合嵌入式學(xué)習(xí)的思路，但枯燥的原理和函數(shù)的講解，無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)效果欠佳。課程組應(yīng)從頂層設(shè)計(jì)，結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)，采用項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)方式引入知識點(diǎn)，循序漸進(jìn)、由淺入深地引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)。

同時(shí)，從學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣、學(xué)習(xí)心理、學(xué)習(xí)方法、學(xué)習(xí)優(yōu)劣勢等方面出發(fā)，挖掘?qū)I(yè)課中蘊(yùn)含的文化價(jià)值，將思想政治教育內(nèi)化為符合學(xué)生認(rèn)知的課程內(nèi)容，潛移默化地引入中國特色社會主義教育、社會主義核心價(jià)值觀教育、中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化教育、勞動教育、心理健康教育等，以提升學(xué)生的綜合素質(zhì)[6]。

3.3? 線上線下混合教學(xué)模式

傳統(tǒng)課堂受時(shí)空限制，教師固定時(shí)間上課，學(xué)生課下完成作業(yè)，不利于培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，不能滿足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。課程組充分利用學(xué)生的“線上+線下”時(shí)間，形成了“課前+課中+課后”的完整閉環(huán)。教學(xué)過程如下：

課前：教師基于超星學(xué)習(xí)平臺發(fā)布數(shù)字鐘設(shè)計(jì)任務(wù)、課件和微課視頻，引導(dǎo)學(xué)生開展需求分析，初步思考數(shù)字鐘基礎(chǔ)功能和擴(kuò)展功能。課件中給出了STM32定時(shí)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、定時(shí)器函數(shù)，提出如何實(shí)現(xiàn)1秒定時(shí)的思考。

課中：教師采用“分組+討論式教學(xué)”的方式，引導(dǎo)學(xué)生討論出數(shù)字鐘的計(jì)時(shí)、鬧鐘、整點(diǎn)報(bào)時(shí)以及校時(shí)等功能。首先，教師引導(dǎo)學(xué)生以小組為單位，明確小組需要完成的基本功能和擴(kuò)展功能。然后，教師采用“翻轉(zhuǎn)課堂”的方式，引導(dǎo)學(xué)生對知識點(diǎn)進(jìn)行梳理、總結(jié)、歸納，對重點(diǎn)、難點(diǎn)問題進(jìn)行討論，以加深學(xué)生的理解。最后，教師引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)知識，借助Keil MDK、Proteus、硬件開發(fā)板，完成1秒鐘定時(shí)器的編程。

課后：小組成員團(tuán)隊(duì)協(xié)作完成數(shù)字鐘基本功能。教師通過超星學(xué)習(xí)平臺的討論板塊組織學(xué)生進(jìn)行討論，針對性進(jìn)行輔導(dǎo)，并通過布置“我的時(shí)鐘我做主”展示環(huán)節(jié)，增加學(xué)生成就感，促進(jìn)學(xué)生互學(xué)互鑒。

3.4? 分組自主選題，培養(yǎng)綜合能力

實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)共32學(xué)時(shí)。在引導(dǎo)學(xué)生完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以學(xué)生自選項(xiàng)目課題為主線，以學(xué)生提出問題、分析問題、解決問題為線索，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識解決項(xiàng)目難題，使學(xué)生充分體驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)流程，鍛煉學(xué)生資料搜集整合能力、解決問題能力、語言表達(dá)能力和軟硬件開發(fā)等方面的能力。

整個(gè)過程中，學(xué)生轉(zhuǎn)變角色，從被動輸入轉(zhuǎn)為主動設(shè)計(jì)，自主分組，自選題目，進(jìn)行需求分析、資料調(diào)研、方案選擇、硬件設(shè)計(jì)、PCB繪制、軟件編程、論文撰寫、小組答辯，綜合運(yùn)用所學(xué)知識，做中學(xué)、學(xué)中做，充分內(nèi)化嵌入式開發(fā)的相關(guān)知識，初步具備提出問題、分析問題、解決問題的能力。

教師進(jìn)行過程管理以及問題的解答。教師根據(jù)學(xué)生在方案選擇、電路設(shè)計(jì)、PCB繪制、軟件編程、論文撰寫、小組答辯等環(huán)節(jié)的完成質(zhì)量進(jìn)行綜合評價(jià)[7]，各環(huán)節(jié)考核評分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。為了對小組成員成績進(jìn)行公正評價(jià)，各小組采用ABC 3級對小組成員的貢獻(xiàn)度進(jìn)行小組自評。小組成員的最終成績由其所在小組的最終成績*小組貢獻(xiàn)度（A=100%，B=90%，C=80%）得出。

3.5? 量化教學(xué)評價(jià)，閉環(huán)教學(xué)過程

OBE教育評價(jià)體系注重過程性評價(jià)及多元化評價(jià)，合理的教學(xué)評價(jià)機(jī)制將有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，提升教學(xué)效果。由于“嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用”課程難度較大、實(shí)踐性強(qiáng)，單憑一張?jiān)嚲頍o法反映學(xué)生的掌握情況。為了客觀對學(xué)生進(jìn)行教學(xué)評價(jià)，課程采用卷面60%、平時(shí)成績40%進(jìn)行成績的評定。其中，平時(shí)成績由出勤、課堂表現(xiàn)、作業(yè)完成情況、考試測評和實(shí)驗(yàn)以5%，5%，20%，15%，55%的比重加權(quán)獲得。教師需要做好過程管理，利用超星學(xué)習(xí)平臺獲取學(xué)生學(xué)習(xí)情況，及時(shí)給予學(xué)生反饋，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行總結(jié)和反思，同時(shí)不斷調(diào)整教學(xué)策略，優(yōu)化教學(xué)過程，形成良性閉環(huán)。

4? 結(jié)語

本文基于中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院電子科學(xué)技術(shù)和信息工程專業(yè)的“嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用”課程，針對課程存在的問題，以O(shè)BE理念為指導(dǎo)，以高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才培養(yǎng)為目標(biāo)，從優(yōu)化課程體系、調(diào)整教學(xué)內(nèi)容、采用線上線下任務(wù)驅(qū)動式混合教學(xué)、巧設(shè)自主選題環(huán)節(jié)、調(diào)整考核方式等方面進(jìn)行探討，通過一系列舉措充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)，為實(shí)訓(xùn)教學(xué)和綜合應(yīng)用環(huán)節(jié)打下良好的基礎(chǔ)，為高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才培養(yǎng)提供保障。

基金項(xiàng)目：江蘇高校“青藍(lán)工程”資助項(xiàng)目；江蘇省高等學(xué)校自然科學(xué)研究項(xiàng)目（23KJD510014）；中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院教育教改研究項(xiàng)目“OBE理念下的《嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用》教學(xué)改革與實(shí)踐”（YA2323）。

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