基于OBE理念的嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)改革探索

摘 要 嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)實(shí)踐課程。在工程教育專業(yè)認(rèn)證和一流本科課程建設(shè)背景下，針對(duì)傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)脫離企業(yè)用人需求、缺乏個(gè)性化教學(xué)、硬件平臺(tái)跟不上等問題，文章以O(shè)BE理念為核心，圍繞產(chǎn)學(xué)合作、跨學(xué)科融合，結(jié)合分層次和多元化教學(xué)方式，提出了一種融入OBE理念的嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)改革方案，可實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生多維度、全方位、全過程的教育，幫助學(xué)生全面發(fā)展技術(shù)能力、解決問題的能力，以及團(tuán)隊(duì)合作能力，從而更好地適應(yīng)工程領(lǐng)域的需求。

關(guān)鍵詞 OBE理念；嵌入式系統(tǒng)；實(shí)踐教學(xué)；分層次；多元化

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.21.044

Exploration on Practice Teaching Reform of Embedded System Based on OBE Concept

Abstract Embedded system practice is a professional practice course in computer science and technology majors. Under the background of professional certification of engineering education and the construction of first-class undergraduate courses， aiming at the problems that the traditional embedded system practice teaching is divorced from the needs of enterprises， lacking personalized teaching， and the hardware platform can't keep up， taking the OBE concept as the core， centering on the cooperation between production and learning， combining hierarchical and diversified teaching methods， this paper puts forward a teaching reform scheme that integrates the OBE education concept into the embedded system practice， which can realize the multi-dimensional， all-round and whole-process education for students and help them develop their technical ability and solve problems in an all-round way.

Keywords outcome based education concept; embedded system; practical teaching; hierarchical; diversification

隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G通信、區(qū)塊鏈等技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已滲透到各領(lǐng)域，它涵蓋了智能家居與智能城市、智能交通與車聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療健康、工業(yè)自動(dòng)化與智能制造、智能農(nóng)業(yè)與環(huán)境檢測(cè)等相關(guān)行業(yè)的內(nèi)容[1]。嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐是一門跨學(xué)科、厚基礎(chǔ)、重實(shí)踐的課程[2]，也是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的實(shí)踐課程。在工程教育專業(yè)認(rèn)證[3-4]和一流本科課程建設(shè)[5]背景下，將“以學(xué)生為中心、成果為導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的成果導(dǎo)向（OBE）教育理念[6]融入嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)，可提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力、培養(yǎng)其創(chuàng)新意識(shí)和解決問題的能力等。

1 嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐課程教學(xué)現(xiàn)狀

在工程教育專業(yè)認(rèn)證的推動(dòng)下，高校培養(yǎng)的學(xué)生應(yīng)符合企業(yè)界對(duì)人才的需求。目前嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐課程培養(yǎng)的學(xué)生與企業(yè)界對(duì)人才的需求仍有一定差距，教學(xué)仍存在問題。

1.1 不了解企業(yè)對(duì)人才的需求，沒有產(chǎn)學(xué)合作

沒有對(duì)嵌入式領(lǐng)域的企業(yè)進(jìn)行調(diào)研，不了解這些企業(yè)對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才的具體需求，物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展日新月異，若教學(xué)不能與時(shí)俱進(jìn)，培養(yǎng)的畢業(yè)生將無法滿足企業(yè)的需求。學(xué)校與企業(yè)沒有合作，不能進(jìn)行產(chǎn)學(xué)融合，學(xué)生接觸不到真實(shí)的項(xiàng)目和實(shí)際工作環(huán)境，畢業(yè)生將無法快速勝任工作崗位和融入企業(yè)工作中。

1.2 人才培養(yǎng)方案不足，教學(xué)沒有跨學(xué)科融合

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的課程存在先修課程安排不夠合理的問題。嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的先修課程有C語言程序設(shè)計(jì)、數(shù)字邏輯、電路與電子技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)，缺少單片機(jī)技術(shù)等先修課程，使得嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐課程教學(xué)開展困難。

該專業(yè)人才培養(yǎng)方案存在不足，沒有到兄弟院校調(diào)研如何改進(jìn)人才培養(yǎng)方案，教學(xué)大綱沒有與時(shí)俱進(jìn)，與企業(yè)對(duì)人才的需求存在有一定的差距。該課程涉及多個(gè)學(xué)科的知識(shí)和技能，教學(xué)沒有進(jìn)行跨學(xué)科融合，學(xué)生的綜合能力和跨界思維較弱。

1.3 教學(xué)方法和工具選擇不足，沒有融入OBE理念

嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐課程重實(shí)踐，因教學(xué)方法和工具不足，教學(xué)沿用傳統(tǒng)方式，沒有融入OBE理念，以灌輸式教育為主，無個(gè)性化教學(xué)。

1.4 硬件知識(shí)薄弱、硬件平臺(tái)組裝凌亂

多數(shù)學(xué)生對(duì)單片機(jī)和硬件電路不了解，面對(duì)嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)資料無從下手，無法將嵌入式系統(tǒng)軟硬件很好地結(jié)合起來，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不佳。

硬件模塊都從網(wǎng)上購(gòu)買，單片機(jī)主控板功能單一，不能滿足實(shí)踐課程設(shè)計(jì)的需求，主控板擴(kuò)展引腳多為排針，將外圍電路模塊與單片機(jī)主控板組裝時(shí)使用杜邦線連接，跳線多，雜亂無章，不符合工程設(shè)計(jì)的要求。

2 嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)改革思路

2019年，教育部《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》提出，“課程目標(biāo)堅(jiān)持知識(shí)、能力、素質(zhì)有機(jī)融合，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級(jí)思維”[7]。2022年6月桂林理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院通過計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)工程教育認(rèn)證。為了嵌入式系統(tǒng)實(shí)習(xí)實(shí)踐課程在下一次專業(yè)工程教育認(rèn)證中順利通過，課程教學(xué)改革刻不容緩。將嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)與OBE理念相結(jié)合，可以更好地實(shí)現(xiàn)一流本科課程建設(shè)和工程教育認(rèn)證的目標(biāo)，確保學(xué)生在課程教學(xué)完成后具備所需的技能、知識(shí)和能力，能夠適應(yīng)工程領(lǐng)域的需求。

3 嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)改革方法和實(shí)踐

將OBE理念融入嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐課程中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生多維度、全方位、全過程的教育，幫助他們?nèi)姘l(fā)展技術(shù)能力、解決問題的能力以及團(tuán)隊(duì)合作能力，從而更好地適應(yīng)工程領(lǐng)域的需求。教學(xué)改革方法和實(shí)踐可以從以下幾點(diǎn)進(jìn)行。

3.1 到嵌入式領(lǐng)域相關(guān)企業(yè)調(diào)研，探討產(chǎn)學(xué)合作

高校可以通過行業(yè)展會(huì)、學(xué)術(shù)會(huì)議、企業(yè)官網(wǎng)、社交媒體、畢業(yè)生調(diào)研等途徑，尋找嵌入式領(lǐng)域相關(guān)的企業(yè)，尋找合作機(jī)會(huì)。

教研室教師通過畢業(yè)生聯(lián)系了峰岹科技（深圳）股份有限公司、潤(rùn)建股份有限公司、深圳市品為科技有限公司、深圳半島醫(yī)療有限公司、廣州賽意信息科技股份有限公司、深圳市丹貝斯新能源科技有限公司和廣東寬普科技有限公司，教研室和企業(yè)溝通后安排調(diào)研時(shí)間，由教研室負(fù)責(zé)安排與嵌入式課程有關(guān)的教師到企業(yè)參加調(diào)研，并準(zhǔn)備好相應(yīng)的調(diào)研工具和問題，向企業(yè)了解嵌入式領(lǐng)域的最新發(fā)展趨勢(shì)、技術(shù)應(yīng)用、市場(chǎng)需求等信息，在交流中介紹了學(xué)校的教學(xué)和科研情況，探討產(chǎn)學(xué)合作的可能。

教師通過對(duì)上述7家企業(yè)的調(diào)研，了解企業(yè)對(duì)嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的人才需求。經(jīng)過學(xué)校和企業(yè)溝通，學(xué)校與峰岹科技制訂了產(chǎn)學(xué)合作項(xiàng)目，雙方簽訂合作協(xié)議，明確合作內(nèi)容、責(zé)任和教學(xué)任務(wù)分配等事項(xiàng)，確保合作順利進(jìn)行。通過與企業(yè)合作，讓學(xué)生接觸實(shí)際的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)項(xiàng)目，了解行業(yè)需求和實(shí)際工作環(huán)境。在實(shí)踐教學(xué)期間，除學(xué)校的指導(dǎo)教師，還為學(xué)生安排了具有豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的企業(yè)導(dǎo)師到學(xué)校指導(dǎo)學(xué)生的實(shí)踐活動(dòng)，提供實(shí)時(shí)反饋和建議。同時(shí)教師寒暑假到合作企業(yè)進(jìn)行實(shí)踐學(xué)習(xí)。

3.2 修訂人才培養(yǎng)方案，探討教學(xué)跨學(xué)科融合

與兄弟院校的計(jì)算機(jī)教研室一起舉辦專業(yè)交流會(huì)，交流課程的人才培養(yǎng)方案，了解兄弟院校該課程的培養(yǎng)目標(biāo)、畢業(yè)要求、先修課程、實(shí)踐內(nèi)容、實(shí)踐方式和考核方式。向兄弟院校學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，借鑒該課程做得好的地方。

教研室每4年修改一次專業(yè)人才培養(yǎng)方案，每年修訂一次培養(yǎng)目標(biāo)。結(jié)合OBE理念、企業(yè)調(diào)研情況以及兄弟院校人才培養(yǎng)方案，通過對(duì)比和分析近3年學(xué)生對(duì)該課程的課程目標(biāo)達(dá)成情況，教研室主任和嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)的教師們一起討論修訂該課程的培養(yǎng)目標(biāo)、畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)、支持矩陣和教學(xué)大綱。調(diào)整教學(xué)大綱中的先修課程、實(shí)踐內(nèi)容、學(xué)時(shí)分配和考核方式。調(diào)整課程目標(biāo)達(dá)成情況的評(píng)價(jià)依據(jù)、觀測(cè)點(diǎn)和支撐比例。

嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐課程涉及多學(xué)科的知識(shí)和技能，學(xué)校借鑒兄弟院校跨學(xué)科融合的情況，結(jié)合自身情況，嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)可以將電子工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域相融合，將數(shù)學(xué)和物理學(xué)相融合，將信息技術(shù)與工程相融合，將機(jī)械工程與傳感器技術(shù)相融合，可以將工程倫理與社會(huì)科學(xué)相融合。

3.3 融入OBE理念

融入OBE理念的嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐課程采用多維度、全方位、全過程的實(shí)踐教學(xué)方案，對(duì)課程實(shí)踐教學(xué)開展系統(tǒng)化建設(shè)。多維度和全過程對(duì)“知識(shí)、能力、素質(zhì)”進(jìn)行全方位評(píng)價(jià)與反饋，為持續(xù)改進(jìn)教學(xué)提供依據(jù)，同時(shí)精準(zhǔn)把握學(xué)生個(gè)體學(xué)習(xí)效果，提供個(gè)性化輔導(dǎo)幫扶。①多維度：學(xué)生自評(píng)、教師點(diǎn)評(píng)、小組成員互評(píng)。②全方位：課堂測(cè)知識(shí)、實(shí)踐測(cè)能力、團(tuán)隊(duì)合作測(cè)素質(zhì)。③全過程：課前自測(cè)、課堂實(shí)測(cè)、課后實(shí)測(cè)。④學(xué)生個(gè)體學(xué)習(xí)效果：及時(shí)反饋、個(gè)性化輔導(dǎo)、互助學(xué)習(xí)小組、教師單獨(dú)輔導(dǎo)。

3.4 分層次、多元化教學(xué)

優(yōu)化嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐課程的教學(xué)方案，可以采用分層次和多元化的教學(xué)方法，將實(shí)踐內(nèi)容和教學(xué)方法分為不同層次，以滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和能力水平[8]。

①分級(jí)設(shè)置實(shí)踐題目。根據(jù)難度等級(jí)設(shè)計(jì)多個(gè)實(shí)踐題目，題目分為基礎(chǔ)項(xiàng)目、進(jìn)階項(xiàng)目和拓展項(xiàng)目等級(jí)別[9]。根據(jù)學(xué)生的先驗(yàn)知識(shí)和能力水平，學(xué)生自行選擇題目的難度。②個(gè)性化教學(xué)。指導(dǎo)教師觀察學(xué)生的課堂表現(xiàn)，評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和實(shí)踐能力，根據(jù)學(xué)生的差異分配不同難度和復(fù)雜度的項(xiàng)目，靈活調(diào)整輔導(dǎo)時(shí)間或個(gè)別指導(dǎo)，幫助學(xué)生解決困難和問題，讓學(xué)生在實(shí)踐中得到更好的成長(zhǎng)和發(fā)展。

在教學(xué)過程中，這些靈活多變的教學(xué)方式，有助于教師調(diào)動(dòng)和維持學(xué)生的積極性，以保證教學(xué)的有效性[10]。

多元化的考核方式，不局限于考核功能的完整性，還要考核實(shí)踐過程的記錄情況，例如發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、尋求網(wǎng)絡(luò)資源的幫助，所有的過程都以文檔形式進(jìn)行記錄，作為考核中重要的過程材料。小組分工，小組討論，根據(jù)分工不同，通過實(shí)踐報(bào)告、實(shí)踐成果展示、口頭答辯等考核方式，充分考查每個(gè)學(xué)生的實(shí)際能力和理解水平。

3.5 以賽促學(xué)

嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)通過以賽促學(xué)的方式，結(jié)合藍(lán)橋杯大賽和大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽，來提高學(xué)生的實(shí)踐能力和競(jìng)賽水平。為了激勵(lì)學(xué)生積極參加競(jìng)賽，可以在學(xué)院內(nèi)部組織培訓(xùn)課程，配備適當(dāng)?shù)挠布O(shè)備和軟件工具，教授嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)、開發(fā)工具的使用方法，以及競(jìng)賽相關(guān)的技能。教師提供實(shí)踐指導(dǎo)和支持，幫助學(xué)生掌握各種技術(shù)和解決問題的方法。學(xué)?？梢詣?chuàng)建學(xué)生交流平臺(tái)，讓參加競(jìng)賽的學(xué)生分享經(jīng)驗(yàn)、交流想法，共同探討問題的解決方案。同時(shí)，建立資源共享機(jī)制，讓學(xué)生可以共享學(xué)習(xí)資料、項(xiàng)目代碼等資源，促進(jìn)彼此之間的學(xué)習(xí)和成長(zhǎng)。還可以設(shè)立獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，鼓勵(lì)學(xué)生在競(jìng)賽中取得優(yōu)異成績(jī)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力，增強(qiáng)他們的自信心和競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)。

3.6 優(yōu)化嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)

課程組經(jīng)過企業(yè)調(diào)研，分析和總結(jié)了企業(yè)對(duì)嵌入式系統(tǒng)方向的人才需求。嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的企業(yè)使用的微處理器傾向于基于ARM內(nèi)核的STM32系列微處理器，51內(nèi)核單片機(jī)已經(jīng)過時(shí)。硬件平臺(tái)跟不上會(huì)影響到嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐課程的教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

實(shí)踐教學(xué)采用STM32處理器設(shè)計(jì)綜合實(shí)踐訓(xùn)練平臺(tái)，具有外圍電路模塊方便擴(kuò)展功能，適用于不同專業(yè)的教學(xué)目標(biāo)。移植國(guó)產(chǎn)RT-Thread實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，激發(fā)學(xué)生對(duì)國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)的熱愛和信心。

對(duì)硬件基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生可以使用嵌入式系統(tǒng)的仿真工具，如Proteus、MATLAB等，可以在不依賴實(shí)際硬件的情況下進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)、編程和調(diào)試。

4 結(jié)語

嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐課程融入OBE理念，圍繞產(chǎn)學(xué)合作和跨學(xué)科融合，結(jié)合分層次和多元化教學(xué)方式，培養(yǎng)的學(xué)生能滿足企業(yè)人才需求，提高了教學(xué)效果和學(xué)生滿意度。在工程教育專業(yè)認(rèn)證和一流本科課程建設(shè)背景下，融入OBE理念的嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐課程教學(xué)改革取得了一些成果，其實(shí)踐環(huán)節(jié)增加，產(chǎn)學(xué)合作強(qiáng)化，跨學(xué)科融合增多，強(qiáng)調(diào)實(shí)踐成果評(píng)估，學(xué)生參與度提高。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳躍飛.新工科背景下嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].軟件導(dǎo)刊，2024，23（3）：178-183.

[2] 劉桃麗，張健.CDIO理念下《嵌入式系統(tǒng)》工程教學(xué)模式的探索與實(shí)踐[J].教育現(xiàn)代化，2018，5（49）：85-88.

[3] 中國(guó)科協(xié)代表我國(guó)正式加入國(guó)際工程聯(lián)盟《華盛頓協(xié)議》[EB/OL].（2016-06-02）. https：//www.gov.cn/xinwen/2016-06/02/content_5079122.htm.

[4] 中國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì)網(wǎng).工程教育認(rèn)證通告[2019]第1號(hào)[EB/OL].（2019-06-24）.http：//www.ceeaa.org.cn/gcjyzyrzxh/xwdt/tzgg56/ 608447/index.html.

[5] 陳澤軍，袁新建，何維均，等.國(guó)家級(jí)一流本科專業(yè)核心課程建設(shè)與實(shí)踐——以材料力學(xué)性能為例[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2024（5）：106-109.

[6] 唐敏，肖波，吳荻，等.OBE教育理念下嵌入式實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)探索與實(shí)踐[J].內(nèi)江科技，2023，44（12）：100-102.

[7] 曹一鵬，吳昊，毛艷娥.OBE理念下單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)改革的探索與實(shí)踐[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2022，（17）：128-130，136.

[8] 李寶萍.“MOOC+翻轉(zhuǎn)課堂”多元化教學(xué)模式在高等數(shù)學(xué)教學(xué)中的實(shí)踐探究[J].山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2020，37（8）：179-183.

[9] 楊玲.基于在線開放課程的“課內(nèi)選修”個(gè)別化教學(xué)模式研究[J].玉林師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2021，42（5）：135-140.

[10] 魏璁琪，黨紅云，種永恒.課程思政融入高職電工電子技術(shù)教學(xué)的實(shí)踐探究[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2023，19（18）：156-158.