面向新工科的嵌入式實踐教學改革研究

陳 明，謝劍云，張 華，李 振

（浙江理工大學 機械工程學院，浙江 杭州 310018）

0 引言

當今世界，新一輪科技革命正在加速變革中，綜合國力的競爭正在不斷加劇，特別是高新技術產業競爭更加激烈。世界各國都在加強自身的供應鏈的建設的同時，積極創新工程教育，以為自身的工業基礎服務。在此背景下，中國教育部在2016年提出了新工科建設這個概念，2017年復旦共識、天大行動、北京指南為新工科建設指明了方向，也是高等教育適應新經濟，新產業的需要，奏響了人才培養的主旋律[1,2]。

隨著智能時代的來臨，特別是物聯網技術的不斷發展，嵌入式開發技術的應用與研究已經變得越來越重要，開設嵌入式系統應用等課程也成為時代的需要，也是物聯網，智能制造等相關領域入門的非常重要的基礎。因此，全國大多數高校都開設了與嵌入式開發技術有關的相關的課程，浙江理工大學機械電子工程專業是浙江省一流本科建設點，浙江省優勢特色專業建設點，當然也不例外，浙江理工大學的機械電子工程專業開設了以STM32 單片機為基礎的嵌入式開發課程。浙江理工大學機械基礎實驗教學示范中心是第一批國家級實驗教學示范中心，主要是負責整個機械與自動控制學院的實驗教學工作，而實驗教學在本科生教育培養過程中起著舉足輕重的作用，對學生工程實踐、應用創新等綜合素質的提高起著非常重要的作用。

嵌入式實踐教學應當按照新工科的發展理念和建設要求，不斷推進教學質量的創新，提高與發展，加強對學生工程應用能力的培養，對標專業認證的相關要求，以提高學生各方面的綜合能力為中心，結合專業的特點，行業的需求，學校的特色，改進教學方法，不斷推進同步互動式教學模式的建設，提高學生學習的獲得感，努力使每一個學生都能跟上教學的節奏，真正意義上不斷推進機械電子工程專業認證的建設。為了適應新時代的要求，讓學生更加容易適應企業的發展，項目開發的相關要求，提高學生的各方面的綜合素質，提出在嵌入式實踐教學過程中，要注重學生的設計思維的培養，強化學生能夠解決更加復雜，更加困難問題的能力，以使學生畢業后能夠盡快地融入社會。在教學手段方面，引進Proteus 虛擬仿真平臺，以項目制為基礎，實現虛實結合，使學生不受時間和空間的限制，以較低的成本踐行新工科的各項要求，為機械電子工程專業認證的建設提供了一個比較好的思路。同時也對嵌入式實踐教學最終的考核方式進行了變革，以期能夠從多方面對學生的綜合能力進行評價，為嵌入式實踐教學的新工科提供衡量標準，為社會提供符合要求的人才，讓浙江理工大學的學生都成為能創新、有創意、懂工程、會管理、勤實踐的綜合素質較高的，工程應用能力較強的社會科技人才。文章從教學模式、教學思維、教學手段、教學形式、教學評價體系等方面，對基于新工科教學理念的嵌入式實踐教學體系進行闡述。

1 改革教學方法，推進同步互動式教學模式建設

為了適應新時代的發展要求，高校的工程教育應當基于新工科建設的相關要求，創新人才培養模式，不斷改進人才培養的質量，具體到嵌入式開發實踐教學過程中，應當根據當今社會的時代特點，順應新時代的本科生思想狀況，對日常教學活動進行分析，對老師的教和學生的學進行分析，努力找出規律性的東西，加以改進，實現教學模式的不斷創新。

（1）嵌入式實踐教學需要實現理論教學和實踐教學之間的互動。

嵌入式實踐教學需要實現理論教學和實踐教學之間的相互互動，既要讓學生掌握非常深奧的原理知識，又要讓學生嵌入式實踐過程中得到鍛煉，實現嵌入式基礎知識的快速轉化。因此在教學的過程中，應當以學生的學習能力的提高為中心，讓一些非常復雜的理論融入到虛擬仿真，實驗實踐等環節中，讓學生在學習的過程中能夠邊學習邊練習，能夠對一些復雜問題進行思考，提高學生運用所學知識解決現實問題的能力[2-4]。

（2）嵌入式實踐教學需要實現老師的教與學生的學同步，課堂中要實現教學的快速響應。

課堂教學不是老師的個人作秀，而是需要學生的配合，兩者之間需要有互動。老師需要把學生帶入到相應的情境中，學生思考老師提出的問題，并根據自身的情況提出問題，只有兩者之間實現真正意義上的交流，才能調動起學生的學習積極性，才能使課堂效率不斷提高。建立師生之間的友好關系也能有助于學生的個人發展。課堂教學應當每一個學生都參與進來，共同解決一些復雜的嵌入式開發的技術問題，促進學生對理論知識的理解，可以啟發學生的創新思維，培養學生的創新能力。

（3）嵌入式實踐教學需要實現學生學習嵌入式技術與嵌入式系統應用兩者之間的同步。

學生學習嵌入式技術與嵌入式系統應用兩者之間的同步，加速理論應用實際的速度。嵌入式系統應用這類課程的應用性比較強，主要體現在嵌入式實踐教學過程中，落實在嵌入式系統的各種實際過程中。通過嵌入式硬件實驗，Proteus 虛擬仿真平臺、口袋實驗室、課程設計等多種方式，調動學生的學習積極性，提高學生的學習興趣，使學生能夠更有效地利用自己的時間和空間，實現高質量實驗資源的共享，讓學生能夠更好地實現學習與嵌入式系統應用的同步。

（4）嵌入式實踐教學需要實現學生學習嵌入式技術與課外科技競賽之間的互動。

學生學習嵌入式技術與課外科技競賽之間的互動，加速學生所學知識的融合，加強學生解決復雜實際問題的能力。鼓勵學生和組織學生參加大學生機器人大賽，大學生電子設計大賽等各種類型的學科競賽，并努力取得比較好的成績，這某種程度上充分調動了學生們參與嵌入式實踐活動的積極性，對學生綜合能力的培養起著非常大的促進作用。

（5）嵌入式實踐教學需要實現學生的學習嵌入式技術和產學研之間的同步互動。

學生的學習嵌入式技術和產學研之間的同步互動，讓各類的科研經驗科研成果融入到嵌入式實踐教學過程中，積極組織學生參與老師的科研項目中去，同時也鼓勵學生自己申請浙江省和國家的產學研科研項目，努力構建出各種各樣的嵌入式系統應用平臺，以使學生能夠更好地適應社會的發展，為培養學生的綜合能力提供了非常重要的保障。

（6）嵌入式實踐教學需要積極推進同步互動式的教學模式。

從新工科建設的理念出發，在嵌入式實踐教學過程中積極推進同步互動式的教學模式，改變原來理論授課和實踐教學分離的模式，強調了互動的重要性，融洽師生之間的良好關系，改變了老師單邊授課的方式，而是實現多渠道教學的互動，老師的角色也發生轉換，由單純的授課者轉變為學社的指導者，啟發者，助推者，由以前的被動的學習，轉變為積極地參與各種類型的教學活動和科研活動，能夠更加靈活主動去學習各種嵌入式系統應用知識，學習嵌入式的理論知識不再是那么枯燥無味的，能夠激發學生的積極性，趣味性，更重要的是能夠自主地給自己定學習目標，不斷提高自身的創新能力，學生的參與積極性也比較高，由此可見應該積極地改進教學方法，推進同步互動式教學模式的建設，讓高校的學生能夠從中受益，充分體現“以學生的學習為主體，以教師為指導者，啟發者”的教學理念。

2 改革培養方式，促進學生創新思維的形成

（1）嵌入式實踐教學需要培養具有設計思維，創新能力的新時代的人才。

新工科建設要求各高校培養具有創新思維及創新能力的新時代的人才，同時它也是提高大學生綜合能力的前提和保障。自學能力的提高要遠遠的優于掌握了某門技術，也能讓學生更能適應當下的社會發展節奏，更好地融入社會發展的大家庭中去。為了提高學生的自學能力，培養學生的創新思維，設計思維就顯得非常重要。學好嵌入式理論知識固然重要，但把這些理論知識用于實際應用中，能夠解決復雜的技術更加重要，探索創新的設計理念和設計方法，提高學生的參與度，提高學生的自學能力，也是新工科建設必須完成的一大目標。

大學的工程實踐教育不僅培養學生解決復雜、困難的實際問題的能力，還培養學生立足于現實、尋找機會、挖掘需求、發現問題的能力和分析、設計、創新等高階能力為了引導學生確立設計思考意識，有必要將設計思考導入大學的工程實踐教育中。

為了推進大學工科專業學生的設計思考的培養，教育部、工業和信息化部、中國工程院等三部委員會在共同印發的“加快新工科建設發展的卓越工程師教育培養計劃2.0 的意見”中明確提出“重視工科學生的設計思維的培養”。嵌入式的開發和設計已經成為學校機械電氣專業非常重要的課程，涉及原理圖電路的設計、電路板的繪制和焊接、嵌入式程序的制作和調試。那么，設計思維是什么呢？如何將設計思維融入高校嵌入式實踐教學過程中？這一系列問題都要由廣大高校工科教師考慮的。

設計思維作為一種解決問題的方法論，作為一段不斷迭代的創新過程，作為一類能夠代表所有輻射群體深度體驗的思維方式，已經成為國內外高校理工科專業教學培養與實踐的指導性方法，具體到嵌入式開發過程中，就需要像嵌入式工程師那樣發現問題，思考問題，解決問題，即用系統的思考方式解決現實生活中的具體問題。設計思維就是指設計活動或設計作品中蘊含的思想方法，就是發現問題、分析問題、解決問題和反思問題的過程，是蘊含于各種專業活動中的，并非設計專業獨有。

（2）在嵌入式實踐教學中實現設計思維的融入。

為了探索如何讓設計思維融入到高校的工程實踐教育過程中去，本研究將以電加熱溫度控制系統單個項目為例，在保證主導思想不變的情況下，對部分階段階段進行優化合并，并對各個階段所要達到的要求進行修訂，最終形成面向新工科的具有思維導向的嵌入式實踐教學的新型模式。

在電加熱溫度控制系統開發研究過程中，老師要對學生的基本情況要做一個大概的了解，知道所授課的學生現在處于什么學習階段，先前已經學習了哪些課，已經具備了哪些技能等，而這些信息可以通過測驗，交流等方式間接得到的。基于面向新工科的具有設計思維導向嵌入式實踐教學模式的要求，老師知識情境的設置，提出相應的開發問題，學生才是整個創意的設計者，項目的執行者，知識的重塑者，也是最終的受益者。學生能否按照設置的情境，設計的要求保質保量的完成相應的任務或者完成任務的程度直接關系到教學的效果。

通過溫度智能控制這個項目，要求學生自己動手設計一個小型的計算機控制系統，能夠動態的控制溫度的變化，主要目的還在于學生能夠將理論結合實踐以加深對嵌入式理論知識的理解。

如圖1 要想達到技術要求的內容，少不了以下幾種器件：STM32 單片機、溫度傳感器、LCD 顯示屏、直流電動機等。其中STM32 單片機用作主控制器，控制其他器件的工作和處理數據；溫度傳感器用來檢測環境中的實時溫度，并將檢測值送到單片機中進行數值對比；LCD 顯示屏用來顯示溫度、時間的數字值；直流電動機用來表示電加熱爐的工作情況，轉動表示電加熱爐通電加熱，停止轉動表示電加熱爐斷電停止加熱[5，6]。

圖1 溫度智能控制

另外，還可以加上模擬量分析模塊（圖2），以對整個溫度智能控制模塊進行調試。針對這個設計，學生可以更好的動態控制溫度的變化，對學生工程實踐能力與創新能力是比較大的提升，正好切合我們浙江理工大學的培養目標。

圖2 模擬量分析模塊

當然學生也可以其他的設計方案，總之只要能達到目標要求就可以了，這樣對學生來說設計自己的方案更加靈活了，對培養學生的創新思維，設計思維大有益處。

3 改革考核方式，引入競爭機制，提升課程的達成度

（1）考核方式改革可充分調動學生的學習動力。

考核是對學生學完本門課程之后綜合能力的一次評價。對學生成績的評價應當公平、公正、透明、客觀。好的評價機制能夠調動同學們的積極性，激發起學生們學習嵌入式開發技術的興趣，反之會挫傷學生們的學習積極性，不利于高校人才的培養[7,8]。

總之，對考核方式這樣一個指揮棒，高校教師應當引起足夠的重視。因此對嵌入式系統應用的考核方式進行了初步的嘗試。嵌入式系統應用課主要著重于實踐環節，實踐環節又分為課堂實驗，課程設計，答辯環節三個部分，這三個部分的比重為3頤3頤4，同時引入了競爭機制，采用比賽的方式進行。

（2）嵌入式實踐教學考核方式改革的實現過程。

本門課的評價方式采用的是五分制的模式，和其它課的五分制有所區別，預先制定規則，采用固定名額的方法，即開課之前規定優秀的名額只能有幾個，良好的名額只能有幾個，中等的名額幾個，剩下的根據具體情況決定及格或者不及格，這在某種程度實現了競爭，在學校績點政策的配合下執行效果較好。

成績評好之后，不是立即把成績錄入系統，而是在嵌入式系統應用所開設的QQ 群中進行公示24 h，有異議可以查成績，甚至可以推翻別人的成績。只要項目做得足夠好，因為各個等級的名額是有限定的，無異議后，才會把成績錄入系統中。

（3）嵌入式實踐教學考核方式改革，更加注重考核的公平性。

課程考核的過程也要注重公平原則，項目的完成基本都是在課后完成，難免有學生不是自己做，或是抄襲的網上的，或是找別人代做的，針對課程設計部分設置了答辯環節，不僅鍛煉自己的語言表達能力，而且可以增強學生的現場反應能力，更重要的是通過此環節可以識別出哪些項目是學生自己獨立完成，以及學生通過課程的學習究竟具有了什么樣的能力。針對那些能力比較弱的學生，把平時的課堂實驗納入了考核的范疇，課程設計還必須提交文本資料，這實際上也鍛煉他們的書面表達能力，為日后的畢業設計打下了堅實的基礎。

4 結語

本次教學改革從教學模式、教學思維、教學手段、教學形式、教學評價體系等方面，對基于新工科教學理念的嵌入式實踐教學體系進行闡述，如何改進教學方法，推進同步互動式教學模式建設；如何革新培養方式，促進學生創新思維，設計思維的形成；如何改變考核方式，引入競爭機制，提升課程的達成度。實踐證明，基于新工科教學理念的嵌入式實踐教學改革是非常有效的，效果比較突出，學生的創新意識，創新能力，以及解決復雜問題，困難問題的嵌入式社會應用能力得到了顯著的提高，同時也對機械電子工程專業專業認證提供了有力的支持。