面向新工科的嵌入式實踐課程改革與實踐

李德興 王玉松 邢東洋

(中國民航大學 工程技術訓練中心, 天津 300300)

隨著信息技術的發展和教育理念的更新,高等工程教育經歷了多次轉型,從“技術范式”轉換為“科學范式”,繼而轉換為“工程范式”[1]。2016年,卓越工程師培育計劃的升級版“新工科”概念被提出,我國高校進入了“新工科”建設和發展時期[2]。新工科的推動和實施,旨在適應以新技術、新業態、新模式、新產業為代表的新經濟發展,對深化我國工程教育改革、建設工程教育強國、服務和支撐我國經濟轉型升級具有重大意義[3-4]。2018年,教育部提出了“金課”概念,要求提升大學生的學業挑戰度,合理增加課程難度,拓展課程深度,擴大課程的可選擇性,真正把“金課”轉變成有深度、有難度、有挑戰度的“金課”[5]。

嵌入式系統在智能應用領域具有很大的優勢,但嵌入式課程普遍存在與工程應用脫節的問題,國內許多高校對嵌入式實踐課程進行了改革[6-7],改進教學平臺、教學方法等,其目的在于將新工科建設引入嵌入式課程,培養學生的工程應用能力和創新能力。中國民航大學嵌入式實踐課程組通過分析課程中存在的不足,按照新工科建設的標準要求,對該課程進行了全面改革,調整授課內容,改進授課方式,挖掘該課程的“高階性”“創新性”和“挑戰度”,努力打造嵌入式實踐“金課”。

1 傳統嵌入式課程中存在的問題

嵌入式系統定義為:以應用為中心,以計算機技術為基礎,軟硬件可裁剪,適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統。

新工科建設開展后,對嵌入式實踐課程提出了新的要求。課程建設,“新”是取向,要求課程具有新理念,能夠應對變化,引領創新;要求課程建設具有新的途徑,能夠做到繼承與創新、交叉與融合、協調與共享;要求具有新的教學手段,能夠充分調動學生主動學習的積極性。嵌入式實踐課程綜合性、實踐性較強,對授課教師的要求很高,對學生的知識儲備和學習能力要求也很高,教學難度較大。對比新工科建設對本課程的要求,發現課程的不足之處主要表現在以下幾方面:

1.1 教學觀念落后

在授課過程中,教師安排實驗內容,帶領學生按步驟進行實驗,還保留著傳統的以教師為中心開展教學活動的方式,沒有做到以學生為課堂主體,調動其積極性開展自主學習,學生不會獨立思考,不去質疑,沒有創新思維。

1.2 教學內容陳舊

原有的教學內容局限性大,缺乏創新性,與實踐和應用脫節,不能滿足市場和產業對人才培養的要求。課程內容缺乏高階性、創新性,沒有挑戰度,對后續課程的學習不能提供足夠的支撐,沒有達到學習收獲期望。

1.3 教學模式單一

現有的教學模式不能跟上信息化、網絡化技術發展的腳步。教師課堂講解,提供相關資料,學生按照步驟進行操作,驗證結果。沒有充分利用公開課等線上資源,教學形式缺乏先進性和互動性。

1.4 考核方法不夠客觀

課程結束后,一般根據學生的實驗結果確定成績,對其學習過程的考核不足,同時由于“搭車”現象導致成績判定不公正公平,成績不能反映最終的學習效果。

綜上所述,改變課程現狀,提升挑戰度,挖掘課程深度,進而培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維模式,是教學中急需解決的問題。

2 課程改革主要內容

針對嵌入式實踐課程的特點和存在的問題,基于“新工科”對課程建設的要求,借鑒其他院校新工科建設的先進經驗,從教學內容、教學模式、考核方法等方面對該課程進行改革。

2.1 以新工科建設為導向明確教學目標

新工科對學科的創新實用性、交叉綜合性與成果導向性有很高的要求,嵌入式課程屬于交叉學科,與信息通信、電子控制、軟件設計等技術緊密結合。通過深入調研,確定嵌入式實踐課程的教學目標是:緊密結合學科前沿,了解嵌入式系統開發的相關技術,掌握相關學科的基本知識;以成果為導向,通過團隊協作的方式完成學習目標,使學生具備嵌入式系統應用項目的開發能力。

2.2 結合典型應用,更新教學內容

教學設計和教學實施的核心目標要直指通過教學活動最終取得的學習成果。嵌入式系統涉及知識范圍較廣,教學活動中需要根據不同專業開設相應的實驗內容。中國民航大學教學改革從更新嵌入式開發平臺、開設專業契合度高的實驗項目兩方面入手。

1)重構實驗平臺

選擇STM32開發板結合外圍器件構建實驗平臺,基于該平臺可以開設嵌入式課程所涉及的大部分實驗,包括嵌入式操作系統、傳感器應用、通信系統、網絡應用等。程序編寫語言為C語言,避免了學生重新學習編程語言的問題,節約課時。

2)更新實驗內容

按照專業能力培養目標級別不同進行分層,設定實驗內容,構建“三-三”課程教學架構,如圖1所示。實驗項目分為三層,不同級別對應培養不同的工程能力。第一層為基礎實驗,學習嵌入式相關基礎知識,旨在培養學生的基本學習能力;第二層為綜合實驗,由幾個基礎實驗組合構建,培養學生綜合應用能力,例如通過串口接收上位機信息,控制傳感器、紅外、無線數據傳輸模塊完成一定的任務;第三層為項目實訓,基于綜合實驗進行二次開發,學生以團隊形式完成,培養學生創新設計和團隊協作能力。

圖1 “三-三”課程教學架構

項目實訓內容包括雷達模擬系統、飛機選擇呼叫模擬系統等與學生所學通信工程專業契合度較高的實訓項目。要求學生基于嵌入式平臺,自主設計完成。雷達模擬系統開發需要學生掌握相關傳感器的應用,引導學生深入學習超聲波傳感器測距原理,并通過算法優化實現精確測距;飛機選擇呼叫模擬系統需要學生掌握該系統的工作原理,結合數字譯碼、模擬放大、射頻傳輸、濾波器等相關知識,實現選擇呼叫功能。項目實訓鍛煉學生的綜合應用能力,實現了不同課程內容之間的交叉融合,難度等同于本科畢業設計,具有較高的挑戰度和創新性。

以雷達模擬項目為例,要求能夠探測出80 cm內的物體,實時顯示在PC機屏幕上。項目涵蓋綜合實驗中的電機控制、傳感器控制、上位機通信等,同時需要對探測到的數據進行優化,發送到上位機,上位機需要編寫顯示程序,模擬雷達探物的顯示界面。每組學生分工明確,分別負責項目管理、硬件驅動、軟件編寫等工作,協同完成。對于學有余力的學生,鼓勵其編寫APP手機應用程序,把PC機的顯示程序轉移到手機端,教師提供APP開發例程和框架代碼,幫助學生完成APP開發。

2.3 “線上線下結合”,改進教學模式

單一的課堂教學活動不能滿足教學需要,在加強課堂教學建設的同時,開展“線上”課程建設,進行“線上線下混合式”教學。具體方案如下:課堂講解嵌入式系統基礎知識、應用項目開發流程,重點講解綜合實驗;學生通過慕課、公開課等線上教學資源學習基礎實驗內容;采用翻轉課堂形式進行項目實訓,由教師布置任務,提出考核指標,學生自行設計方案,與教師討論完善并實施,完成項目達到設計指標,撰寫項目總結報告,進行實物演示答辯。表1顯示了不同授課方式相對于學生的能力養成。

表1 授課方式與能力培養對照表

通過項目實訓,要求學生線上完成基礎知識學習,線下開展項目實做,使學生從“做中學”,切身體會嵌入式系統應用項目開發的完整過程,學生在項目開發時從“問題”入手,尋找解決方案,培養學生的創新實踐能力,同時訓練學生的設計報告撰寫能力,為今后的學習工作提前做好準備。

為了提高教師的教學能力,同時讓學生了解更多的嵌入式應用信息,開展校企聯合培養模式,“走出去,請進來”,派遣任課教師去企業進行培訓,學習嵌入式發展最前沿的技術,了解應用前景。聘請企業中參與嵌入式應用項目開發的專業人員來校授課,講解實際應用項目的開發流程,讓學生感受實際的項目運作,激發學生的學習熱情。

2.4 注重過程考核,改進考核方法

改革前,對于學生的成績判斷主觀性較大,只要學生參與學習,完成實驗內容,就能得到較好的成績,缺乏公平性和客觀性。改革后,成績由個人完成部分和小組完成部分組成。表2給出了總成績判定方案,按照該方案制定成績考核表對學生學習情況進行考核。

表2 成績判定基本方案

3 改革成效分析

新的教學模式和考核方式帶來了較好的教學效果,達到了預定的教學目標,受到學生好評。課程結束后,通過不記名的學習達成度問卷調查,讓學生反饋自己的學習成效,統計結果如圖2所示,90%以上的學生對學習效果滿意,表示知識量和工程應用能力都有所增長。

圖2 嵌入式學習達成度反饋結果

在2018～2019第一學期,隨機抽取4個班級學生進行了問卷調查,請學生對課程教學模式和考核方式進行客觀評價,表3為根據參與評價情況得出的改革認可度調查結果,從調查結果可以得出結論,97%的學生對本次教學改革表示滿意。學生們表示:通過課程學習,對嵌入式系統開發有了一個全新的認識,理論課上枯燥的寄存器、中斷等術語,變成了形象直觀的控制對象,對嵌入式系統開發產生了濃厚的興趣,同時也鍛煉了自己的自主學習和查閱資料的能力。

表3 改革方式認可度統計表

選修本課程的部分學生參與了電子設計大賽和智能車競賽,獲得全國電子設計大賽二等獎和天津市電子設計大賽一等獎,恩智浦杯智能車競賽優秀獎,獲獎學生反饋通過本課程學習,對參與比賽起到了一定的幫助,提升了自身創新設計能力。

課程改革同時極大地提高了教師的授課能力和項目開發能力,通過參與教改和企業培訓,教師反映自身工程應用能力有了顯著提高。

4 進一步改革思路

4.1 挖掘課程深度,開發新的實驗項目

嵌入式系統應用廣泛,發展迅速,在教學中需要緊跟市場步伐,把最前沿的應用成果介紹給學生,激勵學生的學習熱情。深入挖掘課程內容,開發新實驗項目,可以提供給學生更多的選擇和挑戰。同時,根據項目難易程度不同,可以對考核方式進一步細化,不同難度對應不同成績系數,想要得高分就需要付出更多的努力去挑戰困難的項目。

4.2 加強線上教學建設,拓展教學資源

現有的教學資源不夠豐富。根據實驗內容開發更多的有針對性的教學資源,使學生在線上學習時有的放矢,牢固掌握課程中的基礎實驗部分,彌補課堂學習中學時不足的現象。同時,引入線上學習監控系統,為學生的平時成績判定提供參考依據,完善實驗過程量化考核。

4.3 增加開放實驗,共享教學成果

嵌入式課程改革是新工科建設在中國民航大學的一項成功應用案例,其教學模式和成效應該向其他課程推廣。建議增加開放實驗學時,吸引更多的學生學習嵌入式課程。學生有好的創意和項目也可以帶入課程中進行交流,實現學習成果的共享。

5 結語

基于新工科建設要求開展的嵌入式課程改革,能夠帶領學生深入學習嵌入式系統的相關知識,對于學生的自主學習能力和創新意識培養起到了重要作用。通過重構課程教學架構和更新教學方法,有效地調動了學生的學習積極性,激發了學生的學習興趣。考核方法改革注重學生的學習過程評價,體現了考核的公平公正性,對學生的學習起到了督促作用。通過改革,教師和學生都有所收獲,為打造中國民航大學“嵌入式金課”做出了積極探索,為其他課程進行新工科建設探索提供了參考方案。