新工科背景下“嵌入式系統(tǒng)”課程教學(xué)改革研究*

吳晨睿

（上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

高等工程教育在我國(guó)高等教育中占有重要地位。深化工程教育改革，建設(shè)工程教育強(qiáng)國(guó)，對(duì)服務(wù)和支撐我國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)意義重大[1]。當(dāng)前，國(guó)家為推動(dòng)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，提出了“一帶一路”倡議，實(shí)施了“中國(guó)制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大戰(zhàn)略，以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，對(duì)工程科技人才提出了更高要求。基于此，教育部要求各高校必須加強(qiáng)新產(chǎn)業(yè)形勢(shì)下新工科的人才培養(yǎng)內(nèi)涵建設(shè)。

新工科的內(nèi)涵是以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對(duì)變化、塑造未來(lái)為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來(lái)多元化創(chuàng)新型卓越工程人才，工程教學(xué)改革是學(xué)生的期望、教師的責(zé)任、國(guó)家的要求和社會(huì)的需求。新工科建設(shè)具備“新理念、新體系、新模式、新質(zhì)量和新結(jié)構(gòu)”等“五新”特征[2]。這也是新工科建設(shè)的研究與實(shí)踐的指導(dǎo)方向。2020年5月，為推進(jìn)新工科建設(shè)進(jìn)一步深化，教育部決定在高校建設(shè)一批未來(lái)技術(shù)學(xué)院，旨在培養(yǎng)面向未來(lái)的卓越工程創(chuàng)新人才，建設(shè)工程教育強(qiáng)國(guó)，支撐民族偉大復(fù)興。

“嵌入式系統(tǒng)”是機(jī)器人工程專業(yè)的核心專業(yè)課程，它結(jié)合硬件、軟件、系統(tǒng)與控制于一體，是一門具有較強(qiáng)應(yīng)用導(dǎo)向的課程[3]。從日常生活中的電子設(shè)備到工業(yè)生產(chǎn)中的加工制造裝備，無(wú)一不存在著嵌入式系統(tǒng)的身影。隨著社會(huì)和科技的不斷發(fā)展，尤其是近年來(lái)智能制造的興起，企業(yè)對(duì)于嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人才的需求愈加迫切。但目前從事嵌入式底層系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的工程師比較多，企業(yè)更加青睞于能夠勝任從事嵌入式系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)、程序開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品上線部署、升級(jí)維護(hù)等嵌入式系統(tǒng)全生命周期研發(fā)的高水平專業(yè)人才。因此，隨著社會(huì)需求的更替和教育理念的改革轉(zhuǎn)型，“嵌入式系統(tǒng)”教學(xué)面臨著全新的挑戰(zhàn)，需要高校教師“以學(xué)生為中心”，對(duì)現(xiàn)有“嵌入式系統(tǒng)”課程進(jìn)行整體上的革新。

1 “嵌入式系統(tǒng)”教學(xué)中存在的問(wèn)題

1.1 學(xué)生基礎(chǔ)薄弱，無(wú)法深入原理性學(xué)習(xí)

“嵌入式系統(tǒng)”是機(jī)器人工程專業(yè)大二下學(xué)期開(kāi)設(shè)的專業(yè)必修課，由于機(jī)器人工程專業(yè)是面向應(yīng)用型的專業(yè)，因此需要在有限的課時(shí)內(nèi)同時(shí)學(xué)習(xí)機(jī)械類、電類、信息類課程，故而當(dāng)學(xué)習(xí)本門課程時(shí)，學(xué)生尚無(wú)數(shù)字電路、模擬電路、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等課程基礎(chǔ)。而程序基礎(chǔ)主要以選修的“C語(yǔ)言基礎(chǔ)”或“Python程序設(shè)計(jì)”為主。這導(dǎo)致學(xué)生對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的底層原理如CPU運(yùn)行原理、系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)、IO接口的輸入輸出等知識(shí)均不能從根本上理解，從而進(jìn)入死記硬背的學(xué)習(xí)狀態(tài)。

1.2 教學(xué)一言堂，學(xué)生積極性不高

雖然當(dāng)前教學(xué)以Problem-based Learning（PBL）為主，但是提問(wèn)往往是從老師的角度思考問(wèn)題，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生參與討論和研究。教師所提出的問(wèn)題往往是根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和知識(shí)點(diǎn)的需要而延申出簡(jiǎn)單實(shí)例，通常缺少與學(xué)生生活或興趣息息相關(guān)的問(wèn)題。教師的提問(wèn)從一種引導(dǎo)學(xué)生思考、啟發(fā)學(xué)生思維的方式，轉(zhuǎn)向?yàn)樘嵝褜W(xué)生注意聽(tīng)講，將學(xué)生注意力拉回課堂的權(quán)宜之計(jì)。教師的提問(wèn)通常沒(méi)有同學(xué)主動(dòng)應(yīng)答，而需要教師通過(guò)點(diǎn)名的方式達(dá)到目的。究其本質(zhì)，一方面是課程內(nèi)容無(wú)法引起學(xué)生的興趣，另一方面則是授課教師沒(méi)有做到將課程內(nèi)容深入淺出地講授出來(lái)，使學(xué)生在感受到學(xué)習(xí)困難時(shí)，放棄學(xué)習(xí)理解新的理論知識(shí)。

1.3 課程知識(shí)無(wú)法內(nèi)化，僅為應(yīng)付考試

學(xué)習(xí)是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，學(xué)生需要在課上和課后對(duì)課程知識(shí)反復(fù)記憶與理解，才能達(dá)到學(xué)有所得的效果。學(xué)生學(xué)習(xí)的過(guò)程，不能僅僅停留在“產(chǎn)生疑問(wèn)—理解答案”的過(guò)程中循環(huán)，而應(yīng)該將課堂上所學(xué)的知識(shí)轉(zhuǎn)化為自己的能力，以“產(chǎn)生疑問(wèn)—理解答案—應(yīng)用實(shí)踐”的方式不斷往復(fù)才能真正地學(xué)以致用?！皩W(xué)而不思則罔”，對(duì)于“嵌入式系統(tǒng)”課程而言，最好的思考即是讓學(xué)生參與到課程實(shí)踐當(dāng)中，通過(guò)各式各樣的實(shí)驗(yàn)將所學(xué)的知識(shí)應(yīng)用于不同的場(chǎng)景。然而，當(dāng)前的“嵌入式系統(tǒng)”課程仍以理論教學(xué)為主，重理論而輕實(shí)踐，導(dǎo)致學(xué)生動(dòng)手能力差。

1.4 考核方式過(guò)度依靠試題，忽略學(xué)習(xí)過(guò)程

當(dāng)前“嵌入式系統(tǒng)”課程考核方式仍以期末考試試卷為主。通常課程的總成績(jī)由30%的平時(shí)成績(jī)和70%的期末考試成績(jī)組成。這種考核方法雖然方便了教師進(jìn)行成績(jī)管理，但是對(duì)學(xué)生是否真正掌握了設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和優(yōu)化嵌入式系統(tǒng)的能力卻無(wú)法給出明確的答案。許多學(xué)生通過(guò)期末考試前的臨時(shí)突擊，將課程涉及的理論知識(shí)逐一記憶，又在通過(guò)考試后快速遺忘。這使得學(xué)生并不能通過(guò)對(duì)課程的學(xué)習(xí)掌握嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的技能。

2 “嵌入式系統(tǒng)”課程體系建設(shè)措施

作為“嵌入式系統(tǒng)”開(kāi)發(fā)課程的專業(yè)教師，需要把握新工科教育轉(zhuǎn)型改革的內(nèi)涵，認(rèn)清目前課程體系存在的不足，以應(yīng)用型人才培育為導(dǎo)向，對(duì)課程體系展開(kāi)創(chuàng)新構(gòu)建[4]。

2.1 改進(jìn)教學(xué)方法與教學(xué)設(shè)計(jì)

針對(duì)機(jī)器人工程專業(yè)學(xué)生當(dāng)前的學(xué)情，重新規(guī)劃教學(xué)設(shè)計(jì)，需要將學(xué)生尚未學(xué)習(xí)的數(shù)字電路、模擬電路、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)等前置課程的知識(shí)融入教學(xué)過(guò)程中，使得同學(xué)們能夠從基礎(chǔ)原理掌握嵌入式系統(tǒng)的各個(gè)部分，而不會(huì)發(fā)生某一部分知識(shí)是“黑盒”的情況，這將加強(qiáng)學(xué)生對(duì)整門課程的理解。適當(dāng)減少當(dāng)前嵌入式課程中部分老舊和科普方向的知識(shí)，增加嵌入式系統(tǒng)前置知識(shí)的講授，合理利用課程教學(xué)時(shí)間。在課前與課后通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查等形式主動(dòng)收集學(xué)生們的疑問(wèn)和反饋，并在教學(xué)過(guò)程中針對(duì)多數(shù)學(xué)生存在的問(wèn)題進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。在教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中需要關(guān)注教學(xué)難點(diǎn)和教學(xué)重點(diǎn)的分配，將多個(gè)重點(diǎn)均勻分布在教學(xué)過(guò)程中，避免由于教學(xué)難點(diǎn)集中導(dǎo)致學(xué)生注意力下降，或因?yàn)橹R(shí)難以理解學(xué)生放棄學(xué)習(xí)的問(wèn)題。

2.2 豐富課堂組織形式

通過(guò)多媒體微課堂等形式打造翻轉(zhuǎn)課堂，將專業(yè)課程知識(shí)設(shè)計(jì)制作成為不同類型的微課，指導(dǎo)學(xué)生課前學(xué)習(xí)和課堂學(xué)習(xí)，在教育過(guò)程中給學(xué)生自主選擇的權(quán)利，使學(xué)生們能夠在學(xué)習(xí)狀態(tài)飽滿的情況下攝取知識(shí)，構(gòu)建線上加線下混合式教育模式。通過(guò)設(shè)置預(yù)習(xí)、練習(xí)、測(cè)評(píng)、互動(dòng)等功能，給學(xué)生提供線上學(xué)習(xí)空間。學(xué)生可以針對(duì)在課堂上沒(méi)有完全理解和掌握的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行二次學(xué)習(xí)，并通過(guò)練習(xí)、測(cè)評(píng)、互動(dòng)等一系列實(shí)踐過(guò)程鞏固學(xué)習(xí)成果，深化記憶。在線下講解過(guò)程中以解決學(xué)生疑問(wèn)為載體，將教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行分析與解構(gòu)。將同學(xué)們的問(wèn)題分門別類，穿插在教學(xué)內(nèi)容之中，從而提升學(xué)生課堂參與感，讓學(xué)生感受到被關(guān)注、問(wèn)題被回應(yīng)，進(jìn)而提升學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情[5]。教師需要從多個(gè)角度剖析問(wèn)題，以適應(yīng)對(duì)同一個(gè)知識(shí)點(diǎn)不同的學(xué)生所產(chǎn)生各種疑問(wèn)。對(duì)于具體知識(shí)點(diǎn)講解要善于運(yùn)用比喻、類比、舉例說(shuō)明等方法進(jìn)行教學(xué)，也可以通過(guò)學(xué)生問(wèn)題進(jìn)行把握，做到淺者不覺(jué)其深、深者不覺(jué)其淺的知識(shí)傳授，達(dá)到針對(duì)不同基礎(chǔ)學(xué)生因材施教的效果。

2.3 加強(qiáng)課程實(shí)踐

本課程具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，需要對(duì)學(xué)生每節(jié)課的實(shí)踐目標(biāo)、實(shí)踐重難點(diǎn)加以指定與分析。讓學(xué)生能夠循序漸進(jìn)地在實(shí)驗(yàn)中體會(huì)到嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的成就感，進(jìn)而慢慢引起學(xué)生們的開(kāi)發(fā)熱情和學(xué)習(xí)興趣。減少諸如“點(diǎn)亮小燈”“數(shù)字計(jì)時(shí)器”等常規(guī)驗(yàn)證性的實(shí)踐課時(shí)，設(shè)計(jì)多層次的課程實(shí)踐環(huán)節(jié)。具體分為驗(yàn)證層、應(yīng)用層和創(chuàng)新層。驗(yàn)證層實(shí)驗(yàn)以實(shí)現(xiàn)理論課程所學(xué)的知識(shí)為主，占實(shí)踐課程總學(xué)時(shí)的20%，通過(guò)對(duì)理論課程的驗(yàn)證初步掌握所學(xué)知識(shí)。應(yīng)用層實(shí)驗(yàn)占實(shí)踐課程總學(xué)時(shí)的30%，通過(guò)將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于不同場(chǎng)景，如課程簽到系統(tǒng)、電子門禁系統(tǒng)、溫度預(yù)警系統(tǒng)等，提升學(xué)生們的實(shí)際應(yīng)用能力。在此基礎(chǔ)上，創(chuàng)新層的實(shí)驗(yàn)旨在激發(fā)同學(xué)們的想象力與創(chuàng)造力，不限制應(yīng)用場(chǎng)景，激發(fā)同學(xué)們利用現(xiàn)有的人工智能技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行一些有創(chuàng)意的實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，需要加強(qiáng)嵌入式系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的搭建，讓學(xué)生們能夠?qū)⒆约旱乃妓雽?shí)現(xiàn)出來(lái)，建立電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽實(shí)訓(xùn)基地，為學(xué)生們的創(chuàng)造性思維提供基本的實(shí)驗(yàn)設(shè)備基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)主要包括嵌入式系統(tǒng)所涉及的相關(guān)軟硬件、教學(xué)制度以及實(shí)踐項(xiàng)目的專用硬件設(shè)備。在學(xué)生學(xué)力仍有富余的情況下可以引入相關(guān)科研項(xiàng)目，從本科階段培養(yǎng)學(xué)生的研究性思維。

2.4 重新制定課程考核制度

引入適用于機(jī)器人工程專業(yè)的“嵌入式系統(tǒng)”課程的教材，理論課程要少而精，實(shí)踐課程要循序漸進(jìn)，穩(wěn)扎穩(wěn)打。增加過(guò)程考核占據(jù)課程總體考核的比例。詳細(xì)規(guī)劃實(shí)踐過(guò)程考核中每位學(xué)生所負(fù)責(zé)的功能與完成度的具體考核指標(biāo)，擺脫當(dāng)前小組考核中部分同學(xué)“劃水”而另一部分同學(xué)任務(wù)繁重的情況。使得每位同學(xué)按照自己負(fù)責(zé)和完成任務(wù)的程度獲得相應(yīng)的成績(jī)。同時(shí)，引導(dǎo)和鼓勵(lì)學(xué)生參與各類大學(xué)生創(chuàng)新科技項(xiàng)目，授課老師作為指導(dǎo)教師在參賽過(guò)程中發(fā)現(xiàn)同學(xué)們對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的掌握情況，并能夠針對(duì)學(xué)生們知識(shí)掌握的薄弱環(huán)節(jié)更新教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)，形成教學(xué)的正向反饋。

3 結(jié)束語(yǔ)

嵌入式系統(tǒng)是當(dāng)前人工智能發(fā)展浪潮中不可或缺的一部分，尤其在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，具有人工智能的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)將逐漸改變我國(guó)生產(chǎn)模式，讓我國(guó)從粗放型、能耗型生產(chǎn)向高精密、高可靠性、高節(jié)能型生產(chǎn)轉(zhuǎn)型。這其中需要高校教師培養(yǎng)相關(guān)人才，為國(guó)家的建設(shè)教育棟梁之才。以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力為重點(diǎn)，為智能制造相關(guān)領(lǐng)域提供生力軍，全面提高學(xué)生的技能水平和就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。