結合學科競賽的嵌入式系統實驗教學改革與實踐

摘 要 嵌入式系統是電子信息類專業的核心課程之一，其涵蓋電子電路、計算機體系結構、操作系統、編程語言以及各類通信協議等多領域的知識。文章針對當前嵌入式系統課程教學中存在的問題，提出將學科競賽與該課程的實踐訓練相結合，并探索“課程思政、匠心育才”的實施路徑。實踐表明，課程改革對于提高學生解決復雜工程問題的能力、創新意識以及職業素養具有較強的促進作用，并對競賽人才培養選拔、擴大競賽受益面、激發教師的教學熱情都有著積極意義。

關鍵詞 學科競賽；嵌入式系統；教學改革；工程認證

中圖分類號：G424 " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A " " DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2025.08.026

Reform and Practice of Embedded System Experimental Teaching Combined with Subject Competitions

ZHOU Yinghua1， ZHAO Lei2， ZHANG Wei1， LIU Dongzhuo1

（1. College of Electronic and Information Engineering， Southwest University， Chongqing 400715;

2. Chongqing AWCloud Technology Co.， Ltd.， Chongqing 400031）

Abstract The embedded system is one of the core courses in the electronic information major， covering knowledge in multiple fields such as electronic circuits， computer architecture， operating systems， programming languages， and various communication protocols. Aiming at the existing problems in the current teaching of the embedded system course， this paper proposes combining subject competitions with the practical training of this course and explores the implementation path of \"integrating ideological and political education into the curriculum and cultivating talents with craftsmanship spirit\". Practice shows that the curriculum reform has a strong promoting effect on improving students' ability to solve complex engineering problems， innovative awareness， and professional qualities. It also has positive significance for the cultivation and selection of competition talents， expanding the scope of students benefited from competitions， and stimulating teachers' teaching enthusiasm.

Keywords subject competitions; embedded system; teaching reform; engineering accreditation

嵌入式系統作為電子信息技術不可或缺的一部分，近年來在工業設備、交通管理、生物醫療的智能化應用方面得到了廣泛的應用，各行業對嵌入式系統設計研發人才的需求也在持續增長[1]。西南大學電子信息工程學院的通信工程專業是“國家一流本科專業建設點”，電子信息工程專業是“重慶市大數據化類特色專業”，兩個專業開設的“嵌入式系統”都是專業核心課程。通過本課程的學習，學生將在理論和實踐上綜合掌握復雜電子系統的結構組成、硬件底層驅動開發，了解嵌入式操作系統的特點和使用方法，具備復雜電子產品的硬件系統設計和應用軟件開發的初步能力[2]。

全國大學生電子設計競賽、嵌入式系統專題邀請賽、重慶市合泰杯單片機設計競賽等學科競賽，與高校相關專業的教學體系和實踐教學結合緊密，涵蓋電子電路、自動控制、通信調制、智能信號處理等方面的考點[3-4]。參加競賽的學生除了掌握專業理論知識外，還需具備較為扎實的實踐能力，并具有良好的團隊協作與創新意識。

學科競賽的選題通常會涉及行業主流技術與新興研究方向，這與嵌入式系統課程中對新技術的學習和實踐密切相關，兩者的目標在很大程度上是一致的，都旨在培養學生的專業知識、實踐能力、創新精神和團隊協作能力[5-6]。筆者多年指導學科競賽，本教改將學科競賽與嵌入式系統實踐教學改革相結合，并融入思政元素，探索“以賽促改，教賽相長，價值引領”的有效途徑。

1" 教學現狀分析

1.1" 綜合性較強，入門難度大

嵌入式技術涉及的知識領域廣泛，包括電子電路、硬件接口、驅動開發、C語言、數據結構、操作系統等多個方面。這種跨學科的特性要求學生不僅要懂底層的硬件，而且要有較高的軟件編程能力，能夠處理軟件和硬件的交互問題[7]。部分學生先修課程基礎不扎實，知識點關聯能力弱，導致知識點零散不成體系，跟不上教學進度，極大削弱了學習主動性。

1.2" 實驗內容單一，缺乏過程性考核

傳統實驗還停留在流水燈、A/D轉換、“看門狗”等模塊功能驗證性項目，學生按實驗講義進行實驗，所謂的“二次開發”僅是對某些參數的修改[8]。這類實驗項目往往缺乏高階性，沒有挑戰度，不能很好地整合嵌入式系統的多個知識點，導致學生綜合設計能力欠缺，創新意識匱乏。實驗成績主要根據學生的報告評分，對其學習過程的考核不足，不能客觀完整反映最終的學習效果，無法達到工程教育專業認證的人才培養要求。

1.3" 實驗設備匱乏，實驗資源使用受限

嵌入式系統實驗板、仿真器、信號源等設備價格偏高，且實驗過程中由于操作不當，設備損壞情況時有發生。由于經費有限，配備的實驗板無法及時維修，在相當程度上限制了學生多元化工程能力的鍛煉。另外，采購的設備只適用于特定的教學項目，在學科競賽中需要重新購買其他開發板，造成資源重復與浪費。

2" 改革舉措

本教改項目緊密結合學科競賽，擬從重構實驗體系、優化實驗項目、更新軟硬件條件等多維度著手，如圖1所示。在組織實施上，一是要突出理論知識與實踐運用的結合，讓學生在“用中學”和“用中研”；二是要突出與學科競賽中新技術、新方法和新器件的結合，使學生具有更高的技術起點；三是要對標工科教育專業認證的人才培養要求，契合前沿科技及產業變革需求。

2.1" 重構實驗項目體系

改革后的實驗體系仍保留嵌入式系統的經典基礎實驗，其目的是通過訓練夯實學生的基本技能。如STM32最小系統搭建、GPIO控制實驗、中斷與定時器應用等傳統實驗，搭配常規傳感器（如溫度、光敏傳感器）A/D采樣實驗，讓學生熟悉嵌入式開發環境搭建、程序燒錄流程，為后續進階項目筑牢根基。

對于綜合性、設計性實驗項目，鼓勵學生根據自身能力、擅長方向和合作愿意進行組隊，為避免“出工不出力”的情況，團隊規模控制在2―3人/組，并有明確的分工。負責硬件設計的學生，專注電路設計、PCB" 制作焊接；負責軟件的學生，需要編寫板載驅動、算法設計，采用多種機器語言混合編程提升代碼效率；負責測試的學生，需要用示波器、頻譜分析儀深度剖析信號的完整性、時序問題，精準定位故障根源，排查程序漏洞。針對不同選題，教師對各組的設計方案進行審核并給出建議，但不過多參與具體開發。對于共性問題，及時組織討論反饋，提高實驗教學的效率。

對于創新性實驗項目，鼓勵學生大膽創新，培養學生敢為人先的創新精神。在學生熟練掌握實時操作系統（RTOS）如" FreeRTOS、RT-Thread" 的內核機制的基礎上，鼓勵其在功能拓展、技術融合、人機交互優化方面大膽嘗試，如把深度學習推理框架部署到低功耗嵌入式芯片，優化執行效率。學生在面對硬件兼容性、軟件漏洞、算法失效等問題時，要求其發揮團隊合力，優化解決方案，總結經驗教訓，從而提升解決復雜工程問題的能力。通過完整項目的流程歷練，使學生扎實掌握嵌入式系統開發的精髓。

2.2" 凝練競賽考點，優化實驗項目

學科競賽的獲獎級別往往都有一定的比例，因此其題目要求設置，從基礎技術指標到發揮部分，都具有一定的難度區分，但考點均與所學課程有較強的相關性。例如，2023年全國大學生設計競賽的H題“信號分離裝置”，屬于信號處理方向，題目要求學生首先應用電子電路中的知識點，搭建一個模擬信號加法器，然后用所設計的裝置將兩路信號進行分離，波形無失真，且幅度有一定的要求。

該題目需綜合應用嵌入式技術，配合外圍電路進行設計。命題的指標點可轉化為難度分級的嵌入式技術的實驗項目，如多波形信號發生器、信號頻譜分析與降噪處理、數字式相位差測量儀等。通過該類項目的實踐，快速傅里葉變換、信號重構、DDS9910、鎖相環等競賽中軟硬件的綜合應用得以推廣。學生通過文獻查閱、設計選型、集成優化、故障診斷等環節，將零散的知識點整合為條理清晰的知識鏈，其應用理論知識解決實際問題的能力和創新意識得以提升，對專業前沿技術也有了更深入的了解。

2.3" 更新軟硬件實驗設施

為符合國家政策導向，提高學院自身的技術自主可控能力，降低辦學成本，近年來學院在改善辦學條件時，有組織地對EDA設計軟件進行了國產化更新。例如，嘉立創EDA替換了Altium" Designer，ProgeCAD替換了AutoCAD等。國產軟件經過多年發展，在本科教學層面，已經完全可以滿足教學要求，且操作與外國軟件無明顯差別，學生上手不需要太大難度。此外，學院耗資八十余萬元購買了天津德中儀器的激光雕刻機，將電路板加工精度提升到了0.2mm，并極大程度消除了環保隱患。此外，實驗中心組織教師，結合競賽要求和教學大綱，開發了“嵌入式實驗箱”。實驗軟硬件條件的改善，提升了師生的專業自信，也為通過工程教育專業認證奠定了堅實的基礎。

2.4" 挖掘課程思政元素

新版工程教育專業認證把培養學生的工程實踐能力和創新意識提到了更加突出的位置，要求學生不僅具備扎實的技術功底，還要有良好的職業操守[9]。在實踐中，筆者以專業知識為起點，以思政元素為落腳點，遵循思政、專業相長的原則，凝練不同層次實驗的思政元素，筑牢學生理想信念的根基，如表1所示：

在具體實驗過程中，綜合應用案例法、項目驅動法將實操內容與思政元素有機融合[10]。如指導教師通過分析我國高端芯片制造技術受制于人的問題，組織學生討論如何通過自身努力在該領域實現突破，培養學生的憂患意識和愛國情懷，激勵學生勇于創新、敢于擔當，為解決我國" “卡脖子”" 技術難題而努力學習；在查閱文獻資料、參考借鑒技術方案時，告誡學生尊重他人的知識產權，不抄襲、不盜用他人的代碼和設計成果，培養學生的法律意識和誠信精神。

2.5" 優化考核方式

傳統的考核方式按照單個實驗完成情況和報告進行評分，過于偏向學生對獨立知識點的掌握情況，而忽視了對學生系統思維能力的培養[11]。改革后的考核方式強調學生在面對電子競賽的綜合性、挑戰性任務時，展現出的技術運用、問題解決、團隊協作以及創新應變能力，考核主要包括以下內容。

①項目完成情況。項目質量從硬件設計、軟件編程、系統指標等方面進行考查。硬件部分考查原理圖規范性，元件布局合理性，是否充分考慮電磁干擾、信號完整性；軟件部分考查代碼規范性、注釋詳盡程度、算法效率，隨機抽選代碼片段讓學生闡釋邏輯，檢驗其掌握程度。系統指標依據項目要求考核，如數據采集精度、傳輸速率、系統響應時間、控制準確率等，并模擬競賽場景，在規定時間內完成測試，檢驗作品的可靠性和穩定性。②過程表現。過程考核對精準評估學生在實驗各環節的實踐操作、問題解決、團隊協作能力等起著重要作用。考核內容包括：學生實驗表現，如PCB設計流程掌握程度，元件布局合理性、布線美觀度與電氣規則合規性、排查電路虛焊、程序編譯、快速定位、修復代碼邏輯錯誤等方面的熟練程度；實驗日志，從測試數據、難點解決思路及方法、心得收獲等方面進行考查，以培養學生的項目管理素養；進展匯報，考查學生能否踴躍提出見解、質疑、主動分享調測經驗，以及學習熱情與參與度。為保證客觀性，過程考核采用了互評與自評結合的方式，在一定程度上也培養了學生自省借鑒的能力。③創新拓展。創新拓展主要考查學生在完成規定任務后，融入新技術、新創意的項目拓展情況。如有的課題小組將智能導盲杖應用于無障礙出行輔助系統，或將圖像處理與智慧農業病蟲害監測結合。課程組教師組織小組答辯，要求學生進行成品演示，結合拓展報告的深度評估其創新性、可行性，依據實際應用價值加分，契合競賽鼓勵創新的導向。 ④思政考核。除了對學生實驗項目技術層面的評價外，總成績設置10%左右的權重給思政考核。考核內容包括學生在實驗過程中的團隊協作表現（團隊成員評價、分工合作情況）、創新能力（是否有新的實驗思路或技術應用）、工程倫理意識（實驗設計是否考慮安全性、隱私等倫理問題）、家國情懷體現（是否了解實驗內容在國家戰略中的價值）、科學嚴謹態度（實驗操作規范程度、測試數據分析的真實準確性）等。

3" 改革效果

教學改革在提升育人效果的同時，也為競賽人員選拔創造了有利條件。經過有質有量的實踐訓練，學生的知識系統性、工程能力、創新思維、職業操守等各方面均得到了提升，參賽師生的關系也更加和諧。2023年，學院23組學生參加全國大學生電子設計競賽，19組獲獎，其中全國一等獎1項，全國二等獎4項，市級獎14項，5位教師獲市級“優秀指導教師”榮譽稱號，獲獎質量數量均創歷史新高。" 2024年，學院學生參加重慶市“合泰杯”單片機設計競賽，獲得一等獎3項，二等獎4項，極大地增強學生的自信心和成就感。科學競賽的獲獎經歷在升學時往往能作為重要的支撐材料，為學生爭取到更好的升學機會。據統計，在近三年推免的研究生中，參加過學科競賽的學生占比為93.4%。教賽結合的改革實效，讓教師感受到自己的付出得到了認可，也使教師更新知識結構、深化教學改革、緊跟行業發展趨勢有了更強的內驅力。

4" 結語

工程教育專業認證要求實踐項目必須源于實際的工程案例，使學生“真刀真槍”開展實訓。學科競賽緊密結合產業發展需求，本教改項目以競賽打通人才培養與實踐教學的阻塞，將競賽成果作為人才培養的外化指標，構建實踐教學新模式。與此同時，實踐教學改革也為學科競賽的人才選拔、教練團隊建設、組織保障等起到了支撐作用，使其得以不斷的修正和完善。因此，本文所探討的“教賽融合、以賽促教”模式對創新復合型人才培養具有較強的現實意義。同時，分層次實驗與課程思政的有機融合，也為解決“思政育人”與實踐課程有效連接不足的問題提供了新的思路。

*通信作者：劉東卓

基金項目：2024年教育部產學合作協同育人項目“結合工程教育專業認證的‘嵌入式系統’教學改革與實踐”（230902405210347）；2024年教育部產學合作協同育人項目“新工科下FPGA課程實驗體系建設”（231002405103524）；2023年重慶市教育教學改革研究項目“OBE理念下的《單片機與接口技術》實驗項目的建設與更新”（233121）。

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