基于課程群的嵌入式應(yīng)用課程項目化教學(xué)改革

摘 要：嵌入式應(yīng)用技術(shù)課程是一門綜合性、應(yīng)用性很強的專業(yè)課程，但在實際教學(xué)過程中，由于學(xué)時、教學(xué)資源等限制，學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力很難得到充分鍛煉。針對這種情況，在新工科背景下，結(jié)合可編程邏輯器件和智能終端開發(fā)技術(shù)課程組建課程群，實施項目化教學(xué)改革，設(shè)計綜合創(chuàng)新實踐項目，以利于提高學(xué)生的工程實踐能力、提升學(xué)生的專業(yè)技能、拓寬學(xué)生的就業(yè)途徑。

關(guān)鍵詞：嵌入式應(yīng)用；課程群；項目化；校企合作；教學(xué)改革；學(xué)科融合

中圖分類號：TP39；G642 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）08-0-04

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.08.038

0 引 言

近年來，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，電子信息工程相關(guān)專業(yè)無論在教學(xué)方法還是教學(xué)內(nèi)容方面都需要不斷改革創(chuàng)新。自2017年教育部啟動“新工科”建設(shè)以來，學(xué)科融合、課程群建設(shè)、OBE理念等逐漸成為各種課程改革的重要依托[1-5]。在此背景下，如何打破學(xué)科之間的壁壘、架起課程之間的橋梁，通過深度校企合作，為學(xué)生提供各種創(chuàng)新實踐項目或創(chuàng)新實踐平臺以提高學(xué)生的工程實踐能力、提升學(xué)生的專業(yè)技能并拓寬學(xué)生的就業(yè)途徑是亟待解決的重要問題[6]。

北京聯(lián)合大學(xué)是一所高水平應(yīng)用型大學(xué)，本學(xué)院更是面向北京信息產(chǎn)業(yè)和現(xiàn)代服務(wù)業(yè)而成立，旨在培養(yǎng)高素質(zhì)技術(shù)技能型人才。我們一直在著力推進以就業(yè)為導(dǎo)向，從職業(yè)出發(fā)確定培養(yǎng)目標(biāo)，以課程改革驅(qū)動專業(yè)建設(shè)。在就業(yè)形勢不容樂觀，學(xué)生就業(yè)壓力較大的大環(huán)境下，我們更需要通過深化課程改革、深入校企合作以更有效地提升學(xué)生的專業(yè)技術(shù)水平，更好地滿足就業(yè)市場的需求。

與嵌入式應(yīng)用技術(shù)課程關(guān)聯(lián)緊密的專業(yè)技術(shù)崗位包括嵌入式硬件工程師、嵌入式軟件工程師、嵌入式測試工程師等，這些崗位在就業(yè)市場上一直有較大的需求，但剛走出校門的學(xué)生，其專業(yè)技術(shù)水平往往滿足不了企業(yè)的需求，很多企業(yè)也無力花費時間和金錢對學(xué)生進行長期培養(yǎng)，導(dǎo)致學(xué)生就業(yè)遭遇一定困難。

為解決這一矛盾，進一步提升學(xué)生的專業(yè)技能并拓寬就業(yè)途徑，將嵌入式應(yīng)用技術(shù)結(jié)合可編程邏輯器件和智能終端開發(fā)技術(shù)兩門課程組建課程群，進行了項目化教學(xué)改革。

1 課程介紹與教學(xué)現(xiàn)狀分析

1.1 課程介紹

嵌入式應(yīng)用技術(shù)及另外兩門課程都是第3學(xué)期開設(shè)的課程，是學(xué)生進行畢業(yè)設(shè)計前較為重要的專業(yè)課程，也是學(xué)生就業(yè)階段提升專業(yè)技術(shù)水平的關(guān)鍵課程。學(xué)生繼前兩個學(xué)期的理論課程和實訓(xùn)課程學(xué)習(xí)之后，具備了一定的專業(yè)基礎(chǔ)技能，但還需要進一步提升。根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和未來就業(yè)市場的定位，目前開設(shè)的嵌入式應(yīng)用技術(shù)課程主要以ARM處理器芯片（如STM32系列）為基礎(chǔ)，結(jié)合仿真實驗平臺及開發(fā)板平臺，要求學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)方法，學(xué)習(xí)使用Keil編譯工具，掌握芯片各基本功能部件，如GPIO、中斷、定時器、USART、ADC等的開發(fā)方法，能夠根據(jù)具體的應(yīng)用需求進行簡單的硬件設(shè)計和程序設(shè)計。課程共48學(xué)時，包含16學(xué)時理論，32學(xué)時實驗，所有課程都在實驗室進行。實驗內(nèi)容要么借助于Proteus+Keil仿真的形式，要么采用嵌入式開發(fā)板平臺，根據(jù)開發(fā)板提供的硬件條件開展基本實驗及拓展實驗。

1.2 教學(xué)現(xiàn)狀分析

嵌入式應(yīng)用技術(shù)課程在以往的授課過程中，都較為注重實踐環(huán)節(jié)，無論采用仿真平臺還是開發(fā)板，都能利用有限的資源進行一定程度、小型的項目化開發(fā)。但這些仿真或者基于開發(fā)板的實驗都具有一定的局限性，如Proteus對STM32芯片的仿真支持是有限的，而基于開發(fā)板的實驗項目其綜合性是有限的。

本院電子信息工程專業(yè)面向二年制專升本學(xué)生，課程設(shè)置與四年制本科有較大區(qū)別，主要是學(xué)習(xí)年限不同所帶來的區(qū)別。兩年學(xué)制意味著學(xué)生第一年是新生，第二年就成為了畢業(yè)生。學(xué)生要在有限的一年半時間內(nèi)學(xué)習(xí)完所有的基礎(chǔ)和專業(yè)課程，雖然學(xué)生有三年?？茖W(xué)習(xí)基礎(chǔ)，但受所在專業(yè)不同、課程學(xué)習(xí)內(nèi)容不同、學(xué)生來源不同等影響，使得專升本階段所能涉及的課程深度和廣度受到了制約。另一方面，專升本階段第二年學(xué)生面臨畢業(yè)壓力，其個人精力或多或少會受到影響，尤其是有考研或考公計劃的學(xué)生。

本次課程改革的初衷是通過組建課程群設(shè)計一個創(chuàng)新實踐項目，以設(shè)計硬件“產(chǎn)品”為例，讓學(xué)生參與到完整的軟硬件開發(fā)流程中，帶領(lǐng)學(xué)生親歷“產(chǎn)品”的規(guī)劃、設(shè)計以及功能實現(xiàn)的全過程[7]。通過參與創(chuàng)新實踐項目，學(xué)生不僅能完成各門課程基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)，還能綜合應(yīng)用這些知識和技能設(shè)計實現(xiàn) “產(chǎn)品”。希望通過這樣的方式能夠培養(yǎng)出合格的嵌入式軟硬件工程師、測試工程師，使學(xué)生在未來的就業(yè)市場中更具競爭力，最大程度滿足就業(yè)市場的需求。

2 設(shè)計思路

2.1 教學(xué)設(shè)計思路

實際崗位中嵌入式系統(tǒng)軟硬件開發(fā)大致流程如圖1所示，我們在進行項目化教學(xué)設(shè)計時也基本遵循這一流程。但考慮到實際崗位中做系統(tǒng)設(shè)計的研發(fā)人員要對軟硬件技術(shù)有一定程度的掌握，而目前學(xué)生的基礎(chǔ)還達不到。另外從成本、硬件制作周期以及學(xué)時三方面考慮，我們在一定程度上弱化了學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計這一環(huán)節(jié)，改由教師負責(zé)、企業(yè)人員參與的方式，此舉適當(dāng)增加了硬件系統(tǒng)的可擴展性。

雖然學(xué)生并未從系統(tǒng)層面獨立設(shè)計硬件系統(tǒng)，但在教學(xué)過程中，利用硬件系統(tǒng)的可擴展性，讓每組學(xué)生都對硬件架構(gòu)進行了獨立思考與創(chuàng)新，從而起到鍛煉學(xué)生對于復(fù)雜硬件系統(tǒng)的分析能力。因此在后期實物的功能實現(xiàn)階段，學(xué)生都會按照這一流程分析需求，明確設(shè)計要求，了解系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計，完成實物的組裝及功能調(diào)試。

2.2 三門課程融合的載體

為了使三門課程更好地融合在一起，培養(yǎng)合格的嵌入式開發(fā)工程師，需要有一個合適的載體作為智能硬件“產(chǎn)品”，并通過項目化教學(xué)過程，初步實現(xiàn)智能硬件“產(chǎn)品”。經(jīng)團隊成員與企業(yè)人員共同商議，最終決定將一款“智能小車”作為此次項目化教學(xué)改革的載體。這款智能小車可以實現(xiàn)以下功能：

（1）車輛具有尋跡功能，能夠按照黑色引導(dǎo)線自動行駛到達指定位置；

（2）具有障礙物檢測功能；

（3）能夠檢測環(huán)境參數(shù)，如溫濕度、光照、煙霧、PM2.5等，測量傳感器可以支持模擬和數(shù)字兩種類型；

（4）車輛電機為雙驅(qū)，能夠?qū)嵤┎钏倏刂疲?/p>

（5）系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)通信功能，可與移動終端實現(xiàn)信息傳遞，實現(xiàn)移動終端對車輛的控制；

（6）移動終端APP可以接收環(huán)境參數(shù)，并可將溫濕度等參數(shù)以圖形化的方式實時展示。

為了將三門課程與“智能小車”的開發(fā)有機融合，我們將小車的功能劃分成3部分，分別由三門課程負責(zé)實現(xiàn)[8]，如圖2所示。

①部分包括基于STM32的環(huán)境參數(shù)采集、障礙物檢測、尋跡以及WiFi通信，通過學(xué)習(xí)“嵌入式應(yīng)用技術(shù)”課程來實現(xiàn)該部分功能；②部分是基于FPGA對小車的驅(qū)動控制，通過學(xué)習(xí)“可編程邏輯器件”課程來實現(xiàn)該部分功能；③部分基于Android 平臺的移動終端APP開發(fā)，通過學(xué)習(xí)“智能終端開發(fā)技術(shù)”這門課程來實現(xiàn)該部分功能。

2.3 項目指引，夯實基礎(chǔ)

此次項目化教學(xué)改革對教師也提出了新的要求，既要在有限的學(xué)時內(nèi)保證教學(xué)質(zhì)量，為學(xué)生夯實基礎(chǔ)，又要在項目的指引下，實現(xiàn)“智能小車”的基本功能。團隊教師重新整理了教學(xué)內(nèi)容、調(diào)整了教學(xué)進度，為了使三門課程相互配合，統(tǒng)一將課程分為兩個階段：基礎(chǔ)學(xué)習(xí)階段和小車功能開發(fā)階段。不論哪一門課程對初學(xué)的學(xué)生來說都是陌生的，一定要完成基礎(chǔ)部分的學(xué)習(xí)之后，才有可能進行后期的功能設(shè)計開發(fā)工作。

在基礎(chǔ)學(xué)習(xí)階段，充分利用了移動教學(xué)工具，采用教師講授、學(xué)生實驗與學(xué)生自主學(xué)習(xí)相結(jié)合的方式，通過教師提供的PPT、教學(xué)視頻等學(xué)習(xí)資料，讓學(xué)生完成一部分內(nèi)容的自主學(xué)習(xí)，教師隨時為學(xué)生提供指導(dǎo)并答疑解惑。此階段期末考核以個人考核為主，會充分考慮對個人自主學(xué)習(xí)部分的考核，以提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

在小車功能開發(fā)階段，將學(xué)生分組，各組員要有具體的工作側(cè)重點。通過分組，學(xué)生根據(jù)個人的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)以及興趣愛好在團隊中充當(dāng)不同的角色，例如專業(yè)基礎(chǔ)較好的同學(xué)主要負責(zé)本組“產(chǎn)品”功能的制定以及軟硬件的實現(xiàn)；專業(yè)技術(shù)稍差的同學(xué)可以負責(zé)文檔的整理，報告、PPT的撰寫以及匯報等；動手能力較強的同學(xué)可以負責(zé)“產(chǎn)品”的組裝、維護以及焊接調(diào)試等。在技術(shù)實現(xiàn)上也可以以三門課程的不同內(nèi)容來進行分工合作，以便于更快實現(xiàn)“產(chǎn)品”功能。在整個產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程中，小組成員雖有分工，但要共同協(xié)作、互相幫助，最后的完成階段也要求每組分別進行研討，分享各自在設(shè)計、文檔撰寫及組裝焊接調(diào)試中的經(jīng)驗及問題，以達到團隊協(xié)作、共同進步的目的。本階段的考核以團隊考核為主，個人考核為輔[9-10]。

3 項目化教學(xué)設(shè)計

教學(xué)設(shè)計整體分為兩個階段：基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)階段和小車功能開發(fā)階段。

3.1 基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)階段

嵌入式應(yīng)用課程的基礎(chǔ)知識包括熟悉芯片的基本硬件資源、開發(fā)方法、常用庫函數(shù)及編譯工具的熟練應(yīng)用等。這一部分計劃用5周的時間由教師帶領(lǐng)學(xué)生完成，因此前5周為基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)階段。學(xué)生自主學(xué)習(xí)定時器/計數(shù)器部分，教師提供PPT和視頻來幫助學(xué)生完成自主學(xué)習(xí)。

其他兩門課程的情況與之類似，都是在這5周的時間內(nèi)完成必備的基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)。這樣也有效保證了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，避免一開始就分組導(dǎo)致學(xué)生對基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)不足。

3.2 小車功能開發(fā)階段

本階段的前3周，即第6周到第8周，“嵌入式應(yīng)用技術(shù)”和“可編程邏輯器件”課程學(xué)習(xí)都會按照嵌入式軟硬件開發(fā)流程進行項目需求分析，明確小車能實現(xiàn)的具體功能，組裝小車并設(shè)計原理圖。再通過硬件搭建、調(diào)試和軟件設(shè)計逐步實現(xiàn)各功能，如兩個核心板間的通信、小車電機及舵機的驅(qū)動、小車WiFi功能、超聲波、尋跡等。

“智能終端開發(fā)技術(shù)”課程則會根據(jù)任務(wù)要求，設(shè)計移動終端APP的功能界面，逐步實現(xiàn)對小車的控制、環(huán)境參數(shù)的采集、圖形化顯示等功能。

本階段的后2周進入綜合功能的調(diào)試、測試階段，在這個階段，讓學(xué)生以小組為單位進行小車整體功能的測試，按照每組制定的任務(wù)完成本組的小車功能調(diào)試。在這一階段，團隊教師會在時間、地點和技術(shù)上全力支持學(xué)生，希望能在任務(wù)的驅(qū)動下更有效地提升學(xué)生的程序編寫、系統(tǒng)調(diào)試及測試能力。

4 項目實際開展情況

本次課程改革的對象是2020級專升本學(xué)生，班級2個，涉及教師3人，企業(yè)工程師2人，學(xué)生86人。項目從醞釀到實施共分成了5個階段，包括前期調(diào)研、課程群項目設(shè)計、課程群項目合理性論證、課程群項目實施和課程群項目總結(jié)。

第一階段，前期調(diào)研。通過調(diào)研并與相關(guān)企業(yè)工程師溝通，明確三門課程在本專業(yè)人才培養(yǎng)過程中學(xué)生所需學(xué)習(xí)或培養(yǎng)的職業(yè)技能和職業(yè)素養(yǎng)。

第二階段，課程群項目設(shè)計。課程群設(shè)計的內(nèi)容首先要滿足每門課程的教學(xué)目標(biāo)要求，然后把三門課程的教學(xué)內(nèi)容有機結(jié)合，并設(shè)計一個創(chuàng)新綜合實踐項目用于提升學(xué)生的工程實踐能力和專業(yè)技能，既保證了每門課程在教學(xué)環(huán)節(jié)的順利實施，又增強了課程之間的關(guān)聯(lián)性和實用性。

第三階段，課程群項目合理性論證。為保障課程群建設(shè)成果能夠在2021年下半年順利實施，項目組于2021年上半年就組織部分學(xué)生進行小范圍實施，通過學(xué)生的反饋，不斷從學(xué)生的角度去修改課程執(zhí)行方案并形成終稿。

第四階段，課程群項目實施。在2021年下半年，課程按照教學(xué)設(shè)計分階段實施。在團隊成員的努力下，兩個班共28個小組都不同程度完成了各自制定的任務(wù)目標(biāo)，學(xué)生在這個過程中，獨立完成了小車綜合功能的調(diào)試，部分小組完成了全部功能調(diào)試。學(xué)生們的編程能力得到了大幅提高，積累了很多系統(tǒng)調(diào)試和測試的經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力得到了很大提升。

第五階段，課程群項目總結(jié)。課程結(jié)束后，教學(xué)團隊對學(xué)生進行了課程滿意度調(diào)查，調(diào)查結(jié)果顯示，超過97%的學(xué)生對三門課程的課程內(nèi)容設(shè)計為滿意或非常滿意；98.78%的學(xué)生認為項目化課程群教學(xué)對專業(yè)課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)起到了幫助作用；97.56%的學(xué)生認為項目化課程群教學(xué)對畢業(yè)設(shè)計和就業(yè)有幫助。

5 結(jié) 語

該項目在2022年下半年得以繼續(xù)實施，這樣的項目經(jīng)歷確實能夠在學(xué)生就業(yè)面試過程中為他們加分。部分學(xué)生畢業(yè)后去到科研院所或科技公司從事研發(fā)工作，而在改革之前，更多的學(xué)生從事的是測試、技術(shù)支持類的工作。

在競賽成果方面，學(xué)生獲得了多項市級競賽一、二等獎，包括北京市大學(xué)生集成電路設(shè)計競賽和中華北五?。ㄊ?、自治區(qū)）及港澳臺大學(xué)生計算機應(yīng)用大賽等，并首次獲得了藍橋杯北京賽區(qū)單片機設(shè)計與開發(fā)大學(xué)組一等獎。

經(jīng)過兩個學(xué)期的實施，該課程群項目教學(xué)改革確實取得了一定成效，但嵌入式課程有些方面還存在改進和提升的空間，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）實踐教學(xué)過程中，由于學(xué)時、經(jīng)費、時間周期等原因，導(dǎo)致學(xué)生部分理論內(nèi)容學(xué)習(xí)不充分、實踐技能鍛煉不充分，如嵌入式系統(tǒng)中與嵌入式操作系統(tǒng)相關(guān)的理論和實踐內(nèi)容[9-10]、PCB板的設(shè)計與調(diào)試等；

（2）在新技術(shù)、新工藝、新材料不斷涌現(xiàn)的背景下，如何在學(xué)生能接受的前提下，將更前沿的知識引入課程，如一些高級控制算法、機器視覺等；

（3）傳統(tǒng)教材對課程群的內(nèi)容針對性不強，教師在課程改革相對完善時可以進一步開發(fā)指導(dǎo)書或教材；

（4）如何更進一步深化校企合作，將教學(xué)過程與企業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合，依托企業(yè)的技術(shù)、設(shè)備、生產(chǎn)和管理優(yōu)勢，把教育功能與企業(yè)的生產(chǎn)需求相結(jié)合，既培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)，也鍛煉教師的實踐教學(xué)能力。

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收稿日期：2023-07-24 修回日期：2023-08-30

基金項目：北京聯(lián)合大學(xué)教改項目：項目式教學(xué)推動下的課程群建設(shè)與實踐—以電子信息工程專業(yè)為例（JJ2023Y046）

作者簡介：李 琳（1981—），女，博士在讀，講師，研究方向為嵌入式理論與應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)化預(yù)測控制等。