基于課程群的嵌入式應用課程項目化教學改革

摘 要：嵌入式應用技術課程是一門綜合性、應用性很強的專業課程，但在實際教學過程中，由于學時、教學資源等限制，學生的創新實踐能力很難得到充分鍛煉。針對這種情況，在新工科背景下，結合可編程邏輯器件和智能終端開發技術課程組建課程群，實施項目化教學改革，設計綜合創新實踐項目，以利于提高學生的工程實踐能力、提升學生的專業技能、拓寬學生的就業途徑。

關鍵詞：嵌入式應用；課程群；項目化；校企合作；教學改革；學科融合

中圖分類號：TP39；G642 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）08-0-04

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.08.038

0 引 言

近年來，隨著人工智能、大數據以及物聯網技術的不斷發展，電子信息工程相關專業無論在教學方法還是教學內容方面都需要不斷改革創新。自2017年教育部啟動“新工科”建設以來，學科融合、課程群建設、OBE理念等逐漸成為各種課程改革的重要依托[1-5]。在此背景下，如何打破學科之間的壁壘、架起課程之間的橋梁，通過深度校企合作，為學生提供各種創新實踐項目或創新實踐平臺以提高學生的工程實踐能力、提升學生的專業技能并拓寬學生的就業途徑是亟待解決的重要問題[6]。

北京聯合大學是一所高水平應用型大學，本學院更是面向北京信息產業和現代服務業而成立，旨在培養高素質技術技能型人才。我們一直在著力推進以就業為導向，從職業出發確定培養目標，以課程改革驅動專業建設。在就業形勢不容樂觀，學生就業壓力較大的大環境下，我們更需要通過深化課程改革、深入校企合作以更有效地提升學生的專業技術水平，更好地滿足就業市場的需求。

與嵌入式應用技術課程關聯緊密的專業技術崗位包括嵌入式硬件工程師、嵌入式軟件工程師、嵌入式測試工程師等，這些崗位在就業市場上一直有較大的需求，但剛走出校門的學生，其專業技術水平往往滿足不了企業的需求，很多企業也無力花費時間和金錢對學生進行長期培養，導致學生就業遭遇一定困難。

為解決這一矛盾，進一步提升學生的專業技能并拓寬就業途徑，將嵌入式應用技術結合可編程邏輯器件和智能終端開發技術兩門課程組建課程群，進行了項目化教學改革。

1 課程介紹與教學現狀分析

1.1 課程介紹

嵌入式應用技術及另外兩門課程都是第3學期開設的課程，是學生進行畢業設計前較為重要的專業課程，也是學生就業階段提升專業技術水平的關鍵課程。學生繼前兩個學期的理論課程和實訓課程學習之后，具備了一定的專業基礎技能，但還需要進一步提升。根據學生的學習基礎和未來就業市場的定位，目前開設的嵌入式應用技術課程主要以ARM處理器芯片（如STM32系列）為基礎，結合仿真實驗平臺及開發板平臺，要求學生學習嵌入式系統的軟硬件開發方法，學習使用Keil編譯工具，掌握芯片各基本功能部件，如GPIO、中斷、定時器、USART、ADC等的開發方法，能夠根據具體的應用需求進行簡單的硬件設計和程序設計。課程共48學時，包含16學時理論，32學時實驗，所有課程都在實驗室進行。實驗內容要么借助于Proteus+Keil仿真的形式，要么采用嵌入式開發板平臺，根據開發板提供的硬件條件開展基本實驗及拓展實驗。

1.2 教學現狀分析

嵌入式應用技術課程在以往的授課過程中，都較為注重實踐環節，無論采用仿真平臺還是開發板，都能利用有限的資源進行一定程度、小型的項目化開發。但這些仿真或者基于開發板的實驗都具有一定的局限性，如Proteus對STM32芯片的仿真支持是有限的，而基于開發板的實驗項目其綜合性是有限的。

本院電子信息工程專業面向二年制專升本學生，課程設置與四年制本科有較大區別，主要是學習年限不同所帶來的區別。兩年學制意味著學生第一年是新生，第二年就成為了畢業生。學生要在有限的一年半時間內學習完所有的基礎和專業課程，雖然學生有三年?？茖W習基礎，但受所在專業不同、課程學習內容不同、學生來源不同等影響，使得專升本階段所能涉及的課程深度和廣度受到了制約。另一方面，專升本階段第二年學生面臨畢業壓力，其個人精力或多或少會受到影響，尤其是有考研或考公計劃的學生。

本次課程改革的初衷是通過組建課程群設計一個創新實踐項目，以設計硬件“產品”為例，讓學生參與到完整的軟硬件開發流程中，帶領學生親歷“產品”的規劃、設計以及功能實現的全過程[7]。通過參與創新實踐項目，學生不僅能完成各門課程基礎知識的學習，還能綜合應用這些知識和技能設計實現 “產品”。希望通過這樣的方式能夠培養出合格的嵌入式軟硬件工程師、測試工程師，使學生在未來的就業市場中更具競爭力，最大程度滿足就業市場的需求。

2 設計思路

2.1 教學設計思路

實際崗位中嵌入式系統軟硬件開發大致流程如圖1所示，我們在進行項目化教學設計時也基本遵循這一流程。但考慮到實際崗位中做系統設計的研發人員要對軟硬件技術有一定程度的掌握，而目前學生的基礎還達不到。另外從成本、硬件制作周期以及學時三方面考慮，我們在一定程度上弱化了學生系統設計這一環節，改由教師負責、企業人員參與的方式，此舉適當增加了硬件系統的可擴展性。

雖然學生并未從系統層面獨立設計硬件系統，但在教學過程中，利用硬件系統的可擴展性，讓每組學生都對硬件架構進行了獨立思考與創新，從而起到鍛煉學生對于復雜硬件系統的分析能力。因此在后期實物的功能實現階段，學生都會按照這一流程分析需求，明確設計要求，了解系統的硬件電路設計，完成實物的組裝及功能調試。

2.2 三門課程融合的載體

為了使三門課程更好地融合在一起，培養合格的嵌入式開發工程師，需要有一個合適的載體作為智能硬件“產品”，并通過項目化教學過程，初步實現智能硬件“產品”。經團隊成員與企業人員共同商議，最終決定將一款“智能小車”作為此次項目化教學改革的載體。這款智能小車可以實現以下功能：

（1）車輛具有尋跡功能，能夠按照黑色引導線自動行駛到達指定位置；

（2）具有障礙物檢測功能；

（3）能夠檢測環境參數，如溫濕度、光照、煙霧、PM2.5等，測量傳感器可以支持模擬和數字兩種類型；

（4）車輛電機為雙驅，能夠實施差速控制；

（5）系統具有網絡通信功能，可與移動終端實現信息傳遞，實現移動終端對車輛的控制；

（6）移動終端APP可以接收環境參數，并可將溫濕度等參數以圖形化的方式實時展示。

為了將三門課程與“智能小車”的開發有機融合，我們將小車的功能劃分成3部分，分別由三門課程負責實現[8]，如圖2所示。

①部分包括基于STM32的環境參數采集、障礙物檢測、尋跡以及WiFi通信，通過學習“嵌入式應用技術”課程來實現該部分功能；②部分是基于FPGA對小車的驅動控制，通過學習“可編程邏輯器件”課程來實現該部分功能；③部分基于Android 平臺的移動終端APP開發，通過學習“智能終端開發技術”這門課程來實現該部分功能。

2.3 項目指引，夯實基礎

此次項目化教學改革對教師也提出了新的要求，既要在有限的學時內保證教學質量，為學生夯實基礎，又要在項目的指引下，實現“智能小車”的基本功能。團隊教師重新整理了教學內容、調整了教學進度，為了使三門課程相互配合，統一將課程分為兩個階段：基礎學習階段和小車功能開發階段。不論哪一門課程對初學的學生來說都是陌生的，一定要完成基礎部分的學習之后，才有可能進行后期的功能設計開發工作。

在基礎學習階段，充分利用了移動教學工具，采用教師講授、學生實驗與學生自主學習相結合的方式，通過教師提供的PPT、教學視頻等學習資料，讓學生完成一部分內容的自主學習，教師隨時為學生提供指導并答疑解惑。此階段期末考核以個人考核為主，會充分考慮對個人自主學習部分的考核，以提高學生的自主學習能力。

在小車功能開發階段，將學生分組，各組員要有具體的工作側重點。通過分組，學生根據個人的學習基礎以及興趣愛好在團隊中充當不同的角色，例如專業基礎較好的同學主要負責本組“產品”功能的制定以及軟硬件的實現；專業技術稍差的同學可以負責文檔的整理，報告、PPT的撰寫以及匯報等；動手能力較強的同學可以負責“產品”的組裝、維護以及焊接調試等。在技術實現上也可以以三門課程的不同內容來進行分工合作，以便于更快實現“產品”功能。在整個產品設計開發過程中，小組成員雖有分工，但要共同協作、互相幫助，最后的完成階段也要求每組分別進行研討，分享各自在設計、文檔撰寫及組裝焊接調試中的經驗及問題，以達到團隊協作、共同進步的目的。本階段的考核以團隊考核為主，個人考核為輔[9-10]。

3 項目化教學設計

教學設計整體分為兩個階段：基礎知識學習階段和小車功能開發階段。

3.1 基礎知識學習階段

嵌入式應用課程的基礎知識包括熟悉芯片的基本硬件資源、開發方法、常用庫函數及編譯工具的熟練應用等。這一部分計劃用5周的時間由教師帶領學生完成，因此前5周為基礎知識學習階段。學生自主學習定時器/計數器部分，教師提供PPT和視頻來幫助學生完成自主學習。

其他兩門課程的情況與之類似，都是在這5周的時間內完成必備的基礎知識學習。這樣也有效保證了學生的學習效果，避免一開始就分組導致學生對基礎知識的學習不足。

3.2 小車功能開發階段

本階段的前3周，即第6周到第8周，“嵌入式應用技術”和“可編程邏輯器件”課程學習都會按照嵌入式軟硬件開發流程進行項目需求分析，明確小車能實現的具體功能，組裝小車并設計原理圖。再通過硬件搭建、調試和軟件設計逐步實現各功能，如兩個核心板間的通信、小車電機及舵機的驅動、小車WiFi功能、超聲波、尋跡等。

“智能終端開發技術”課程則會根據任務要求，設計移動終端APP的功能界面，逐步實現對小車的控制、環境參數的采集、圖形化顯示等功能。

本階段的后2周進入綜合功能的調試、測試階段，在這個階段，讓學生以小組為單位進行小車整體功能的測試，按照每組制定的任務完成本組的小車功能調試。在這一階段，團隊教師會在時間、地點和技術上全力支持學生，希望能在任務的驅動下更有效地提升學生的程序編寫、系統調試及測試能力。

4 項目實際開展情況

本次課程改革的對象是2020級專升本學生，班級2個，涉及教師3人，企業工程師2人，學生86人。項目從醞釀到實施共分成了5個階段，包括前期調研、課程群項目設計、課程群項目合理性論證、課程群項目實施和課程群項目總結。

第一階段，前期調研。通過調研并與相關企業工程師溝通，明確三門課程在本專業人才培養過程中學生所需學習或培養的職業技能和職業素養。

第二階段，課程群項目設計。課程群設計的內容首先要滿足每門課程的教學目標要求，然后把三門課程的教學內容有機結合，并設計一個創新綜合實踐項目用于提升學生的工程實踐能力和專業技能，既保證了每門課程在教學環節的順利實施，又增強了課程之間的關聯性和實用性。

第三階段，課程群項目合理性論證。為保障課程群建設成果能夠在2021年下半年順利實施，項目組于2021年上半年就組織部分學生進行小范圍實施，通過學生的反饋，不斷從學生的角度去修改課程執行方案并形成終稿。

第四階段，課程群項目實施。在2021年下半年，課程按照教學設計分階段實施。在團隊成員的努力下，兩個班共28個小組都不同程度完成了各自制定的任務目標，學生在這個過程中，獨立完成了小車綜合功能的調試，部分小組完成了全部功能調試。學生們的編程能力得到了大幅提高，積累了很多系統調試和測試的經驗，發現問題、分析問題和解決問題的能力得到了很大提升。

第五階段，課程群項目總結。課程結束后，教學團隊對學生進行了課程滿意度調查，調查結果顯示，超過97%的學生對三門課程的課程內容設計為滿意或非常滿意；98.78%的學生認為項目化課程群教學對專業課程內容的學習起到了幫助作用；97.56%的學生認為項目化課程群教學對畢業設計和就業有幫助。

5 結 語

該項目在2022年下半年得以繼續實施，這樣的項目經歷確實能夠在學生就業面試過程中為他們加分。部分學生畢業后去到科研院所或科技公司從事研發工作，而在改革之前，更多的學生從事的是測試、技術支持類的工作。

在競賽成果方面，學生獲得了多項市級競賽一、二等獎，包括北京市大學生集成電路設計競賽和中華北五?。ㄊ?、自治區）及港澳臺大學生計算機應用大賽等，并首次獲得了藍橋杯北京賽區單片機設計與開發大學組一等獎。

經過兩個學期的實施，該課程群項目教學改革確實取得了一定成效，但嵌入式課程有些方面還存在改進和提升的空間，主要體現在以下幾個方面：

（1）實踐教學過程中，由于學時、經費、時間周期等原因，導致學生部分理論內容學習不充分、實踐技能鍛煉不充分，如嵌入式系統中與嵌入式操作系統相關的理論和實踐內容[9-10]、PCB板的設計與調試等；

（2）在新技術、新工藝、新材料不斷涌現的背景下，如何在學生能接受的前提下，將更前沿的知識引入課程，如一些高級控制算法、機器視覺等；

（3）傳統教材對課程群的內容針對性不強，教師在課程改革相對完善時可以進一步開發指導書或教材；

（4）如何更進一步深化校企合作，將教學過程與企業生產相結合，依托企業的技術、設備、生產和管理優勢，把教育功能與企業的生產需求相結合，既培養學生的職業素養，也鍛煉教師的實踐教學能力。

參考文獻

[1]李衛軍，邢延，蔡述庭，等.面向多學科融合的自動化類人才培養模式探索與實踐[J].高等工程教育研究，2021，39（6）：31-37.

[2]楊彥甫，張霆廷，李苑青.面向課程群建設的“光纖通信”教學方法探索[J].電氣電子教學學報，2022，44（5）：72-74.

[3]郭慧，王雨晗，王毅.基于OBE模式的嵌入式系統課程教學改革探索 [J].西部素質教育，2019，6（2）：195.

[4]楊喜軍，吳雙，侯孝涵，等.成果導向與產學合作融合的學生培養模式[J].電氣電子教學學報，2023，45（1）：1-3.

[5]郭秀梅，王成義，張萍.淺談新工科背景下電子信息類課程群建設[J].教育教學論壇，2020，34（13）：122-123.

[6]杜宏秀，肖大薇，趙慧然.基于就業導向的高校嵌入式專業教學改革研究[J].信息系統工程，2023，36（2）：152-154.

[7]屈召貴，周永強.應用型本科電子信息工程專業實踐教學體系探索[J].實驗室研究與探索，2018，37（12）：240-244.

[8]賀方圓，路銘，李琳.高職專升本專業課程群建設與探索—以電子信息工程專業為例[J].智庫時代，2021，5（18）：44-46.

[9]張婧婧，李勇偉，王磊，等.嵌入式技術課程群的多范式教學改革[J].計算機教育，2020，18（1）：127-130.

[10]童英華.“嵌入式系統與應用”教學改革與探索[J].物聯網技術，2022，12（8）：137-138.

收稿日期：2023-07-24 修回日期：2023-08-30

基金項目：北京聯合大學教改項目：項目式教學推動下的課程群建設與實踐—以電子信息工程專業為例（JJ2023Y046）

作者簡介：李 琳（1981—），女，博士在讀，講師，研究方向為嵌入式理論與應用、網絡化預測控制等。