基于OBE理念的嵌入式系統實踐教學改革探索

摘 要 嵌入式系統實踐是計算機科學與技術專業的一門專業實踐課程。在工程教育專業認證和一流本科課程建設背景下，針對傳統嵌入式系統實踐教學脫離企業用人需求、缺乏個性化教學、硬件平臺跟不上等問題，文章以OBE理念為核心，圍繞產學合作、跨學科融合，結合分層次和多元化教學方式，提出了一種融入OBE理念的嵌入式系統實踐教學改革方案，可實現對學生多維度、全方位、全過程的教育，幫助學生全面發展技術能力、解決問題的能力，以及團隊合作能力，從而更好地適應工程領域的需求。

關鍵詞 OBE理念；嵌入式系統；實踐教學；分層次；多元化

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.21.044

Exploration on Practice Teaching Reform of Embedded System Based on OBE Concept

Abstract Embedded system practice is a professional practice course in computer science and technology majors. Under the background of professional certification of engineering education and the construction of first-class undergraduate courses， aiming at the problems that the traditional embedded system practice teaching is divorced from the needs of enterprises， lacking personalized teaching， and the hardware platform can't keep up， taking the OBE concept as the core， centering on the cooperation between production and learning， combining hierarchical and diversified teaching methods， this paper puts forward a teaching reform scheme that integrates the OBE education concept into the embedded system practice， which can realize the multi-dimensional， all-round and whole-process education for students and help them develop their technical ability and solve problems in an all-round way.

Keywords outcome based education concept; embedded system; practical teaching; hierarchical; diversification

隨著物聯網、人工智能、5G通信、區塊鏈等技術的發展，嵌入式系統已滲透到各領域，它涵蓋了智能家居與智能城市、智能交通與車聯網、醫療健康、工業自動化與智能制造、智能農業與環境檢測等相關行業的內容[1]。嵌入式系統實踐是一門跨學科、厚基礎、重實踐的課程[2]，也是計算機科學與技術專業的實踐課程。在工程教育專業認證[3-4]和一流本科課程建設[5]背景下，將“以學生為中心、成果為導向、持續改進”的成果導向（OBE）教育理念[6]融入嵌入式系統實踐教學，可提高學生的實際動手能力、培養其創新意識和解決問題的能力等。

1 嵌入式系統實踐課程教學現狀

在工程教育專業認證的推動下，高校培養的學生應符合企業界對人才的需求。目前嵌入式系統實踐課程培養的學生與企業界對人才的需求仍有一定差距，教學仍存在問題。

1.1 不了解企業對人才的需求，沒有產學合作

沒有對嵌入式領域的企業進行調研，不了解這些企業對計算機科學與技術專業人才的具體需求，物聯網、人工智能等技術的發展日新月異，若教學不能與時俱進，培養的畢業生將無法滿足企業的需求。學校與企業沒有合作，不能進行產學融合，學生接觸不到真實的項目和實際工作環境，畢業生將無法快速勝任工作崗位和融入企業工作中。

1.2 人才培養方案不足，教學沒有跨學科融合

計算機科學與技術專業的課程存在先修課程安排不夠合理的問題。嵌入式系統實踐教學的先修課程有C語言程序設計、數字邏輯、電路與電子技術、嵌入式系統，缺少單片機技術等先修課程，使得嵌入式系統實踐課程教學開展困難。

該專業人才培養方案存在不足，沒有到兄弟院校調研如何改進人才培養方案，教學大綱沒有與時俱進，與企業對人才的需求存在有一定的差距。該課程涉及多個學科的知識和技能，教學沒有進行跨學科融合，學生的綜合能力和跨界思維較弱。

1.3 教學方法和工具選擇不足，沒有融入OBE理念

嵌入式系統實踐課程重實踐，因教學方法和工具不足，教學沿用傳統方式，沒有融入OBE理念，以灌輸式教育為主，無個性化教學。

1.4 硬件知識薄弱、硬件平臺組裝凌亂

多數學生對單片機和硬件電路不了解，面對嵌入式系統硬件平臺資料無從下手，無法將嵌入式系統軟硬件很好地結合起來，導致學習效果不佳。

硬件模塊都從網上購買，單片機主控板功能單一，不能滿足實踐課程設計的需求，主控板擴展引腳多為排針，將外圍電路模塊與單片機主控板組裝時使用杜邦線連接，跳線多，雜亂無章，不符合工程設計的要求。

2 嵌入式系統實踐教學改革思路

2019年，教育部《關于一流本科課程建設的實施意見》提出，“課程目標堅持知識、能力、素質有機融合，培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維”[7]。2022年6月桂林理工大學信息科學與工程學院通過計算機科學與技術專業工程教育認證。為了嵌入式系統實習實踐課程在下一次專業工程教育認證中順利通過，課程教學改革刻不容緩。將嵌入式系統實踐教學與OBE理念相結合，可以更好地實現一流本科課程建設和工程教育認證的目標，確保學生在課程教學完成后具備所需的技能、知識和能力，能夠適應工程領域的需求。

3 嵌入式系統實踐教學改革方法和實踐

將OBE理念融入嵌入式系統實踐課程中，可以實現對學生多維度、全方位、全過程的教育，幫助他們全面發展技術能力、解決問題的能力以及團隊合作能力，從而更好地適應工程領域的需求。教學改革方法和實踐可以從以下幾點進行。

3.1 到嵌入式領域相關企業調研，探討產學合作

高校可以通過行業展會、學術會議、企業官網、社交媒體、畢業生調研等途徑，尋找嵌入式領域相關的企業，尋找合作機會。

教研室教師通過畢業生聯系了峰岹科技（深圳）股份有限公司、潤建股份有限公司、深圳市品為科技有限公司、深圳半島醫療有限公司、廣州賽意信息科技股份有限公司、深圳市丹貝斯新能源科技有限公司和廣東寬普科技有限公司，教研室和企業溝通后安排調研時間，由教研室負責安排與嵌入式課程有關的教師到企業參加調研，并準備好相應的調研工具和問題，向企業了解嵌入式領域的最新發展趨勢、技術應用、市場需求等信息，在交流中介紹了學校的教學和科研情況，探討產學合作的可能。

教師通過對上述7家企業的調研，了解企業對嵌入式系統領域的人才需求。經過學校和企業溝通，學校與峰岹科技制訂了產學合作項目，雙方簽訂合作協議，明確合作內容、責任和教學任務分配等事項，確保合作順利進行。通過與企業合作，讓學生接觸實際的嵌入式系統開發項目，了解行業需求和實際工作環境。在實踐教學期間，除學校的指導教師，還為學生安排了具有豐富實踐經驗的企業導師到學校指導學生的實踐活動，提供實時反饋和建議。同時教師寒暑假到合作企業進行實踐學習。

3.2 修訂人才培養方案，探討教學跨學科融合

與兄弟院校的計算機教研室一起舉辦專業交流會，交流課程的人才培養方案，了解兄弟院校該課程的培養目標、畢業要求、先修課程、實踐內容、實踐方式和考核方式。向兄弟院校學習經驗，借鑒該課程做得好的地方。

教研室每4年修改一次專業人才培養方案，每年修訂一次培養目標。結合OBE理念、企業調研情況以及兄弟院校人才培養方案，通過對比和分析近3年學生對該課程的課程目標達成情況，教研室主任和嵌入式系統課程教學的教師們一起討論修訂該課程的培養目標、畢業要求指標點、支持矩陣和教學大綱。調整教學大綱中的先修課程、實踐內容、學時分配和考核方式。調整課程目標達成情況的評價依據、觀測點和支撐比例。

嵌入式系統實踐課程涉及多學科的知識和技能，學校借鑒兄弟院校跨學科融合的情況，結合自身情況，嵌入式系統的設計和開發可以將電子工程和計算機科學領域相融合，將數學和物理學相融合，將信息技術與工程相融合，將機械工程與傳感器技術相融合，可以將工程倫理與社會科學相融合。

3.3 融入OBE理念

融入OBE理念的嵌入式系統實踐課程采用多維度、全方位、全過程的實踐教學方案，對課程實踐教學開展系統化建設。多維度和全過程對“知識、能力、素質”進行全方位評價與反饋，為持續改進教學提供依據，同時精準把握學生個體學習效果，提供個性化輔導幫扶。①多維度：學生自評、教師點評、小組成員互評。②全方位：課堂測知識、實踐測能力、團隊合作測素質。③全過程：課前自測、課堂實測、課后實測。④學生個體學習效果：及時反饋、個性化輔導、互助學習小組、教師單獨輔導。

3.4 分層次、多元化教學

優化嵌入式系統實踐課程的教學方案，可以采用分層次和多元化的教學方法，將實踐內容和教學方法分為不同層次，以滿足不同學生的學習需求和能力水平[8]。

①分級設置實踐題目。根據難度等級設計多個實踐題目，題目分為基礎項目、進階項目和拓展項目等級別[9]。根據學生的先驗知識和能力水平，學生自行選擇題目的難度。②個性化教學。指導教師觀察學生的課堂表現，評估學生的學習能力和實踐能力，根據學生的差異分配不同難度和復雜度的項目，靈活調整輔導時間或個別指導，幫助學生解決困難和問題，讓學生在實踐中得到更好的成長和發展。

在教學過程中，這些靈活多變的教學方式，有助于教師調動和維持學生的積極性，以保證教學的有效性[10]。

多元化的考核方式，不局限于考核功能的完整性，還要考核實踐過程的記錄情況，例如發現問題、分析問題、尋求網絡資源的幫助，所有的過程都以文檔形式進行記錄，作為考核中重要的過程材料。小組分工，小組討論，根據分工不同，通過實踐報告、實踐成果展示、口頭答辯等考核方式，充分考查每個學生的實際能力和理解水平。

3.5 以賽促學

嵌入式系統實踐教學通過以賽促學的方式，結合藍橋杯大賽和大學生電子設計競賽，來提高學生的實踐能力和競賽水平。為了激勵學生積極參加競賽，可以在學院內部組織培訓課程，配備適當的硬件設備和軟件工具，教授嵌入式系統的基礎知識、開發工具的使用方法，以及競賽相關的技能。教師提供實踐指導和支持，幫助學生掌握各種技術和解決問題的方法。學校可以創建學生交流平臺，讓參加競賽的學生分享經驗、交流想法，共同探討問題的解決方案。同時，建立資源共享機制，讓學生可以共享學習資料、項目代碼等資源，促進彼此之間的學習和成長。還可以設立獎勵機制，鼓勵學生在競賽中取得優異成績，激發學生的學習興趣和動力，增強他們的自信心和競爭意識。

3.6 優化嵌入式系統硬件平臺

課程組經過企業調研，分析和總結了企業對嵌入式系統方向的人才需求。嵌入式系統領域的企業使用的微處理器傾向于基于ARM內核的STM32系列微處理器，51內核單片機已經過時。硬件平臺跟不上會影響到嵌入式系統實踐課程的教學效果和學生的學習體驗。

實踐教學采用STM32處理器設計綜合實踐訓練平臺，具有外圍電路模塊方便擴展功能，適用于不同專業的教學目標。移植國產RT-Thread實時操作系統，激發學生對國產操作系統的熱愛和信心。

對硬件基礎薄弱的學生可以使用嵌入式系統的仿真工具，如Proteus、MATLAB等，可以在不依賴實際硬件的情況下進行系統設計、編程和調試。

4 結語

嵌入式系統實踐課程融入OBE理念，圍繞產學合作和跨學科融合，結合分層次和多元化教學方式，培養的學生能滿足企業人才需求，提高了教學效果和學生滿意度。在工程教育專業認證和一流本科課程建設背景下，融入OBE理念的嵌入式系統實踐課程教學改革取得了一些成果，其實踐環節增加，產學合作強化，跨學科融合增多，強調實踐成果評估，學生參與度提高。

參考文獻

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[3] 中國科協代表我國正式加入國際工程聯盟《華盛頓協議》[EB/OL].（2016-06-02）. https：//www.gov.cn/xinwen/2016-06/02/content_5079122.htm.

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