面向“雙創”教育的嵌入式系統課程改革與實踐

屈召貴

(四川旅游學院 信息與工程學院， 四川 成都 610100)

0 引言

為貫徹落實 《國務院辦公廳關于深化高等學校創新創業教育改革的實施意見》(國辦發〔2015〕36 號)文件精神，深入推進高等學校創新創業教育工作，加強高校創新創業教育課程建設，將創新創業教育融入人才培養全過程[1]。各高校開展了創新創業教育系列建設工作，成立創新創業示孵化中心，建設創新創業示范課程，舉辦“互聯網+”創新創業大賽等，積極探索創新創業教育模式，極大的推動了教育改革[2]。在應用型本科院校中的電氣信息類專業中大都開設了“嵌入式系統原理及應用”課程。該門課程內容涉及數模電、微型計算機等硬件知識和操作系統等軟件知識，綜合性強、知識面廣。傳統的教學方式只是從技術的角度從CPU的結構、匯編語言、處理器的應用和操作系統使用等內容講解，與創新創業能力的培養沒有直接聯系，不利于發揮學生的主動性、積極性、創造性和創業意識，沒有充分發揮該課程的綜合性的特點優勢[3～12]。基于此，提出面向創新創業能力培養的課程改革探索，在課程教學體系、大綱、教學方法、考核形式等方面依據應用型人才培養要求，以“雙創”教育為載體探索改革與實踐。

1 “三個層次，一個核心”教學模式

課程以“三個層次，一個核心”的教學模式開展教學，其結構如圖1所示，即在教學內容安排上采用三個層次，在教學目標上形成一個核心能力。

圖1 嵌入式系統課程教學模式

依據應用型人才培養的需要，課程內容融合基礎理論知識、綜合應用實踐、創新創業實訓“三層次”教學內容安排形式。基礎階段，主要讓學生掌握嵌入式系統設計基本方法、微控制器(STM32)的基本結構及應用、嵌入式實時操作系統(μC/OS)工作原理及應用。綜合應用階段，主要完成嵌入式系統課程設計，要求學生以小組為單位，協作完成軟硬件并做出實物，撰寫設計報告，參加答辯；并組織學生參加“藍橋杯”全國軟件和信息技術人才大賽嵌入式設計與開發大賽和全國大學生電子設計大賽，旨在提高學生的綜合應用能力。創新創業階段，要求學生申報并參與大學生科研項目、創新創業訓練計劃項目、互聯網“+”創新創業大賽，旨在培養創新能力和創業意識。教學內容及按排如表1所示。

通過課程的學習，讓學生掌握嵌入式技術，具有扎實的理論知識，較強的實踐動手能力。能進行硬件電路設計，制作PCB和電路調測；能進行軟件設計、RTOS系統應用和常用算法的實現。

表1 教學內容案排表

“三層次、一個核心”的實踐教學模式涵蓋全部教學環節，明確各環節的目標、任務、時間按排考核體系，將各環節有機地、循序漸進地貫穿起來，實現了教學內容的整體優化和功能的最大化，實現“雙創”教育的目的。

2 以創新為核心創業為引領的教學改革

課程采用理實一體、項目驅動和線上線下混合式教學方法，按照OBE教育理念，以學生為主體，教師為主導的教育理念。注重實踐動手能力培養、創新能力培養和創業意識。

2.1 通過產教融合促進教學內容優化

課程教學大綱與企業聯合，協同研究制定教學內容、授課時間、教學方法、實踐教學平臺、考核方式、具體實施等問題。嵌入式系統設計課程為電氣信息專業必修課，4個學分,64學時，兩周集中綜合設計(企業導師指導項目化教學)，課程按排在第5學期。課程教學理論講課34學時，實驗34學時。理論課程內容主要有ARMCortex-M3內核結構(4個學時)、STM32F103微控制器片上外設資源應用(16個學時)和C/OS操作系統原理及應用(12個學時)，課程內容與ST公司中國大學計劃部長期合作，提供最新技術指導。實驗課主要分為基本驗證性實驗(8學時)和綜合應用設計性實驗(20學時)。綜合應用設計性實驗，其實驗內容來自企業實際項目，由校企合作單位指導，以項目方式實施。課程要求每一位同學從項目需求分析、方案設計、詳細設計、測試調校等環節，力求讓學生掌握電子產品開發的全過程。課程大綱從知識目標、能力目標和素質目標方面全面檢查學生的達成度。

2.2 形成“二化，三賽”的教學方法與手段改革

通過“二化，三賽”的課程教學改革，促進創新創業能力培養。“二化”即理論教學與實踐教學一體化，教學內容項目化。“三賽”即嵌入式設計校內賽，“藍橋杯”全國軟件和信息技術大賽嵌入式開發與設計大賽和大學生電子設計大賽。

課程教學采用理實一體化模式，授課過程在實驗室進行。實驗室授課有利于講練結合，理論與實際統一，有助于學生對知識點的掌握。課程教學采用小班教學模式，指導過程全覆蓋，體現以學生為主體、教師為主導的OBE教育理念。

教學內容項目化，以企業的真實項目為載體，以CDIO理念為指導，為讓學生從項目可行性論述、軟硬件設計、電路制作、調測等，歷經一次產品開發的全過程。實驗室提供“口袋實驗機”平臺，為每個項目小組同學提供開發板套件，讓學生進行第二次開發。體現了開放式及個性化的教學，教學過程在時間和空間上得到延伸。

課程教學團隊重點篩選了三項學科競賽(校級嵌入式設計大賽、藍橋杯軟件及信息技術大賽、電子設計大賽)貫穿整個教學過程。分階段分層次進行，在基礎階段，要求學生參加校內的嵌入式設計大賽；在綜合應用階段，要求參加“藍橋杯”軟件及信息技術大賽嵌入式組的訓練比賽和全國大學生電子設計大賽的訓練比賽。通過課賽融合能激發學生積極主動性，提高創新思維能力。

2.3 形成以創新創業項目為孵化的創業引領

通過課程的教學，引導學生積極申報參與大學生科研項目、創新創業訓練計劃項目和互聯網“+”大賽項目，通過項目的創新，培育創業項目并進行孵化。其中10個獲得省級創新創業計計劃項目，4個獲得國家級創新創業計劃項目。

2.4 形成“N+1”的多元考核機制

課程考核主要針對基礎層的理論知識、實驗知識和課程設計。課程的成績由“N+1”組成，其中“N”代表平時成績(占總成績的60%)，由實驗、作業、課程設計和校內課程競賽構成；“1”代表期末筆試成績(占總績的40%)。筆試考試主要考核課程的理論知識的靈活運用；實驗主考核實驗項目設計、調測、結果分析(占30%)；課程設計主要考核方案分析、軟硬件設計和設計報告(占30%)；作業主要考核對各個知識點(占10%)；校內課程競賽主要考核學生對知識的綜合應用能力(占30%)。

在綜合應用層和創新創業層的考核不再是以成績形給出，而是依據人才培養方案直接和學科競賽與專業創新實踐學分掛鉤。要求學生參加學科競賽獲得的獎項和大學生創新創業計劃訓練項目等轉換為對應的自主學習與拓展實踐教育學分。

3 建立科學合理的保障機制

3.1 實驗實訓保障

構建了“一室，二地，一中心”的實驗實訓環境，如圖2所示，其中“一室”即嵌入式計算機實驗室，主要承擔課內實驗；“三地”即ARM-ST嵌入式創新實驗基地、Altium電子設計聯合實訓基地，主要承擔綜合應用實驗和創新創業項目；“一中心”即大學生創新創業中心，主要承擔大學生創新創業計劃訓練項目和互聯網“+”大賽的指導和項目孵化。

圖2 實驗室體系基本架構

3.2 師資力量保障

課程教學團隊教師共計5位，其中教授1名，副教授2名，講師2名。雙師型教師5名，國家注冊電氣工程1名。教學團隊與企業深度合作，打造雙師教師隊伍，寒暑假教師到企業頂崗訓練，共同進行科學研究、產品開發，共同開發實驗項目，編寫教材。

4 創新創業成果突出

4.1 創新促進創業效果好

經過實踐教學檢驗，學生創新創業效果明顯改善，培養了一批受企業歡迎的綜合實踐能力強的電子工程師。

課程教學案例中，通過同學創新，有6個獲得國家級大學生創新創業計劃項目。分別是：四旋翼自動巡邏小型無人機設計與實現、基于DSP的新能源可控整流技術的設計與實現、基于攝像頭的無人駕駛小車設計與實現、無線電能及信息傳輸設計與實現、基于嵌入式的3D打印機設計與實現、基于MSP430和4G網傳輸的便攜式心電監護儀設計與實現。

2013年以來獲電子設計競賽一等獎4項，二等獎16項，三等獎32項； “藍橋杯”全國軟件和信息技術大賽一等獎65項，二等獎64項，三等獎84項。

創業成效顯著，2014級學生張寶等同學，創建的四川龍騰古科技有限公司設計生產的“一卡通智慧校園”產品，其產品原型也來自于課程創新項目成果。2013級學生向俊橋，創建四川芯力量科技有限公司，研發的鋰電池管理系統。其產品原型就是課程案例項目的創新成果。2013級同學候弘岐、楊彬為首的創新團隊創建“四川樓下電子商務有限公司”，開創成都本土O2O“網上超市”的先例，2015年被評為“成都市創新型電子商務企業”，2016年獲得“國家級高新技術企業”稱號。2012級同學賀代斌創建的四川所能電子科技有限公司，其核心產品，礦井人員定位系統，也來課程案例的創新。

4.2 社會影響大，企合作成績突出

教學團隊被四川省人力資源和社會保障廳、教育廳授予2017年度“四川省教育工作先進集體”。嵌入式系統實驗室，于2014年被列入省級實驗教學示范中心建設項目，并于2018年合格驗收。

與ARM公司成立了“嵌入式創新實踐基地”，贈送100套RealView MDK 嵌入式開發軟件和40套ARM-ST嵌入式實驗開發裝置；與Altium公司成立了“四川工商學院-Altium電子設計聯合實驗室”；德州儀器(TI)公司贈送40套ARM-CortexM4嵌入式實驗開發板。這些實驗設備極大的促進了嵌入式課程教學。

5 結語

嵌入式系統課程經過多年建設，形成了以能力培養為目標，以課程內容案例建設為抓手，以“雙創”教育為載體，構建培養主動適應行業發展需要的應用型和創新型人才。在師資培養、實驗室建設、教學資源建設、教學理念、教學模式、教學方法和組織保障等方面大力改革探索，取得了較好的教學效果，人才培養質量顯著增強。