1、造纸装备及材料 第 52 卷 总第 214 期 2023 年 1 月 轻工人才251应用型本科嵌入式系统设计课程教学改革与探索*胡清泉苏州大学应用技术学院，江苏 苏州 215325摘要：应用型本科高校开设嵌入式系统设计课程，采用以讲授为主、实验为辅的教学模式，导致学生学习积极性不高，学习的技能和社会实际使用脱轨等问题。文章从应用型本科高校现状出发，探索理实一体化、混合教学、循序渐进实验课程等改革方案来促进学生提高学习兴趣，培养学生项目开发的实践能力。关键词：嵌入式；课程改革；混合教学；实验课程分类号：G642随着物联网、人工智能、移动电子设备技术的快速发展，嵌入式系统技术日新月异，市场对从事嵌
2、入式系统设计的人才需求越来越多1。为满足市场不断增长的人才需求，不少应用型本科院校在电子、信息、通信等专业中开设了嵌入式系统设计课程。这门课程在许多高校中作为理论课程讲授，即以课堂讲授为主、实验为辅的教学模式2。该教学模式把传授知识作为主要目标，以讲授法为主，是以教师讲授为中心的教学方式，主要表现是“教师讲，学生听”3。该教学模式难以充分调动学生上课的积极性，培养的学生在嵌入式系统开发实践能力、专业技能、创新能力等方面不能满足用人单位的需求，入职后需较长的适应期4。这一现象迫使应用型本科高校的教师探索课程教学创新与改革。1 嵌入式系统设计课程教学现状1.1 课程内容丰富但学时少一般高校开设的嵌
3、入式课程大多指的是 ARM 类单片机相关课程，文章所述的嵌入式系统设计教学也是以当前主流的 STM32 单片机应用教学为核心5。在教学实施过程中，讲解的内容包括复杂的硬件工作原理，嵌入式软件架构和设计，实验项目设计与验证。其中硬件系统包括 STM32 最小系统设计，各种外设接口硬件驱动和协议等；软件方面包括 MDK 开发工具和STM32 库函数架构；实验项目包括 GPIO 程序设计、定时中断程序设计、串口通信程序设计、I2C 接口通信程序设计、SPI 接口通信设计、A/D 采集程序设计。课程覆盖的内容丰富，但是在当今各大高校普遍压缩课时的情况下，总课时只有 48 学时，导致理论教学和实验安排过
4、于紧密，学生被填鸭式灌输知识，学习效果不好。1.2 学生基础水平参差不齐，学习热情不高嵌入式系统设计是 C 语言程序设计、模拟电子技术、数字电子技术和单片机应用技术等课程的后续课程。由于学生对这些前导课程掌握程度不同，如果在设计教学进度时教师单纯按照自己的想法设计，容易出现基础薄弱的同学跟不上教学进度，从而失去学习信心。另一方面，对于基础比较好的同学来说，课程节奏较慢，容易产生倦怠感。因此，现有教学方式容易顾此失彼，造成学生学习热情不高。1.3 缺乏系统性的课程实践嵌入式系统设计强调培养学生的软硬件协同开发能力，是一门知识覆盖面广、实践操作综合性强的课程。当前实验课都是安排学生在实验箱上进行，
5、每节实验课都是验证前次理论课所学的单一知识点，学生按照实验指导按部就班完成。每个实验验证单一功能，知识关联性弱。在传统教学过程虽然尝试不断改革课程实践模式，但是始终存在实验设计与实际产品设计结合度低、实验箱功能单一、设计理念落后等问题。目前实验课程并无其他实践课程，缺少贯穿产品开发全流程的项目实践课程，缺乏实战型产品设计与开发案例辅导，导致实验课程不能充分锻炼学生将来从事嵌入式开发相匹配的能力。1.4 师生不适应线上网络教学课堂随着线上教学的快速普及，教师快速响应并尝试使用各种网络在线教学工具启动了网络在线课程。但文章编号：2096-3092（2023）01-0251-03*基金项目：教育部协
6、同育人项目“苏州地区电子设计自动化技术本科应用型人才培养研究”（202102598001）作者简介：胡清泉，男，硕士，高级工程师，研究方向为嵌入式系统开发与应用。轻工人才 2023 年 第 1 期 总第 214 期 造纸装备及材料252是大部分教师已经习惯在教室跟学生面对面授课，将课堂搬到各网络平台上，对着屏幕讲课，缺少临场感，无法及时接收学生的互动和反馈，不知道学生的掌握程度，缺乏运用信息化技术开展线上教学的能力，更缺乏线上教学的有效方法，教师的自信心很大程度上受到了影响。从学生的角度出发，线上网络教学，没有了教师的课堂监督压力，又由于学生自律性差，导致学生上课很容易分心，时间一长学生就对教
7、师提供的大量信息感到迷茫、枯燥，进而失去学习乐趣，无法专注于网络课堂，学习效果自然大打折扣。1.5 考核方式片面，忽略学习过程传统的考核方式以试卷测试为主，知识点停留在纸面上，难以考核学生的实践动手能力与创新能力。在这种考试模式下，学生只在最后两周时间突击学习，强化记忆考试范围内的知识要点，不理解知识点运用机理，死记硬背知识点，应付考试，考试结束之后很快就遗忘所学知识。当前嵌入式系统设计教学大纲规定成绩一般是由 10%考勤和课堂表现，10%课后作业，30%实验操作和实验报告，50%期末考试成绩占比组成6。学习过程中的考核占比看起来很高，但是不能真正量化学生的学习过程。例如，课后作业是以课后习题
8、为主，学生可以通过网络搜索答案，并不能通过作业检验学生真实理解程度。再如实验操作课，学生都在实验箱上进行，由于实验箱都是设计好的硬件，内部走线、外设接口都是统一的，学生只能按照实验指导书按部就班验证实验箱设计好的实验，经常出现一组同学得出实验结果，全班同学都很快得出相同结果，很难考查学生实验过程所需要的实践能力，也不利于学生创新能力的培养。2 嵌入式系统设计课程改革实施方案2.1 理论与实践一体化教学根据此课程理论和实践联系非常紧密的特点，可以在授课过程中进行理论与实践交错教学，即把理论教学和基础实验课融合在一起教学，在最短的时间内通过做实验巩固所学理论知识，真正让学生在实践中运用所学知识点。
9、在教改实施之前，所选教材和实验箱是没有紧密关联的，教材中的案例和实验箱实验项目不一致，虽然教材通过案例对抽象理论和实际运用关联，但是大部分学生并不能深刻理解，需要通过实验课才能彻底理解嵌入式系统复杂的寄存器配置流程。为此，对实验箱和教材进行了改革，选择“蓝桥杯”嵌入式比赛训练板和配套的教材作为学生实验板和教材，同时把理论课和实验课都安排在实验室中进行，使教学和实验无缝对接7。结果表明，采用此教学模式能帮助学生增进对该课程的学习和理解，进而保持学习热情，并有效地将理论知识和实践紧密的结合起来，学生普遍反映较好。2.2 线上线下混合教学模式线上线下混合教学就是以线下教学为主，线上教学为辅的教学模式
10、，可以充分调动学生学习积极性，突破学习的时空限制，提供学习便捷性。线上课程以超星学习通为载体，按章节上传课堂 PPT，方便学生预习和复习，在每堂课课前发布讨论话题，引导学生参与讨论，激发学生对新知识的兴趣8。另外，随着现代信息技术的进步，以慕课为代表的线上教育平台提供了大量精品视频公开课、精品资源共享课，可以把部分补充知识点利用专业录屏软件制作小视频，传输到超星学习通平台，推送给学生。例如，可以把介绍 C 语言编程所涉及的运算符、数据类型、流程控制、函数、数据存储方式、编译预处理等方面知识的视频上传到平台，帮助学生快速回顾之前所学内容，便于理解和编写嵌入式系统软件程序9。2.3 循序渐进的实验
11、课程设计实验课在培养学生实践和创新能力方面发挥重要的作用。结合应用型本科学生学习积极性普遍不高的特点，采用循序渐进的方式设计实验课程，把实验课程分成三个等级：基础实验课程，拓展性实验课程和综合实验课程。（1）基础实验课程主要针对独立的知识点设计基础实验，学生在课堂上学习了知识模块，趁热打铁，紧接着就在实验训练板上验证知识点，利用 MDK 在线调试功能查看变量值，同时把最终结果传输给显示屏，帮助学生彻底领悟嵌入式系统软硬件工作原理。（2）拓展性实验课程是对产品设计使用比较多的知识模块进行拓展，使学生掌握灵活多变的使用方法，提高应对实战能力，例如，设计 I2C 关联的三轴加速度传感器应用实验课，激
12、励学生课后查阅芯片资料，理解芯片的使用特性，完成嵌入式程序的编写和调试。（3）综合实验课程是把所学多个知识模块综合在一起设计实验课程，同时结合实际使用场景。例如，智能仓库物料架实时显示系统和智慧农业控制系统。采用项目设计形式推进综合实验课程，学生 3 人为一组，选定一个项目，小组成员进行合理分工，自行学造纸装备及材料 第 52 卷 总第 214 期 2023 年 1 月 轻工人才253习并查阅资料，参照新产品设计流程完成项目，并做项目汇报，教师在每一个项目节点考核学生成果10。2.4 培养组建竞赛小组与团队在学生刚接触这门课时就引导学生做好参加电子竞赛、“蓝桥杯”嵌入式竞赛等活动的准备，以此激
13、发学生学习热情。通过兴趣小组招募有学习潜力和参赛意愿的同学组建竞赛团队，将以往竞赛的题目和案例作为综合项目，培养学生实战能力，提高嵌入式系统设计实践水平。本次教改启用了“蓝桥杯”比赛专用板来开展实验课，将日常教学和竞赛培训相结合，进一步激发学生投入时间和精力来实践嵌入式软件编程，全身心投入兴趣小组。2.5 教师团队培养与提高嵌入式技术飞速发展，新颖应用案例层出不穷，高校教师也需要顺应社会发展需求，紧跟技术发展的步伐，每年需要在教学内容和实验设计上不断更新。教师通过参加校区合作项目和企业培训课程，开展嵌入式系统设计培训探索，旨在系统化、标准化、科学化地丰富教师嵌入式系统软硬件的综合实力，并形成一
14、系列优秀教学案例。经常参加组织各类电子竞赛和横向课题研发的教师可以组成教学团队，进行经验分享，共同成长，组队开发嵌入式系统设计实验平台，在实验平台研制过程中提高软硬件实战技能11。2.6 评价与考核嵌入式系统设计以培养学生软硬件设计、系统调试、项目设计、团队合作和项目报告等方面的能力为目标，以结果为导向重构课程评价与考核系统，引导学生专注于实践能力提高，而不是为了应付考试获得学分来学习这门课程。把原来的考勤和课堂表现占10%，课后作业占 10%，实验操作和实验报告占 30%，期末考试成绩占 50%的考核方式更改成基础实验课程占 40%，拓展性实验课程占 30%，综合实验课程占30%，注重过程化
15、考核。其中基础实验和拓展性实验要求每位学生录制包含实验过程和实验结果，并配有过程讲解的视频发给教师评价，教师通过视频对学生实验操作过程，完成情况和过程讲解等多个指标进行评分，激励每位同学从基础实验夯实嵌入式系统知识，杜绝少数学生不动脑筋，抄袭作业的坏习惯。综合实验课程以小组组队，项目汇报形式开展，采用小组自评、小组互评和教师评分对每位同学在组内的贡献度和工作量不同进行考核，充分调动学生积极性，真正锻炼学生项目设计和实践操作综合实力。3 结束语本次教改从应用型本科院校实际现状出发，提出了六个方面的改革与探索，也切实给教学带来明显改观。首先，学生课堂参与度增高，喜欢探讨问题，刨根问底；其次，学生对
16、嵌入式系统设计产生兴趣，喜欢尝试不同的软件编程方法，查询各种资料，现有的实验训练板性能已不满足部分学生设计要求；最后，报名参加嵌入式应用相关比赛的人数明显增加，获奖名次也高于以往，帮助学生建立信心立志从事嵌入式系统设计相关的职业。参考文献1 屈召贵,周永强.应用型本科电子信息工程专业实践教学体系探索J.实验室研究与探索,2018,37(12):240-244.2 朱兆优,胡文龙,刘琦,等.应用型本科人才培养模式研究与实践J.东华理工大学学报(社会科学版),2019,38(2):168-171.3 王瑞敏,常瑞,唐永鹤.面向网络空间安全人才培养的嵌入式系统课程教学内容设计J.计算机教育,2019(9):143-146.4 王超,周海攀.地方应用型本科院校嵌入式技术与应用教学模式探索J.文山学院学报,2020,33(3):93-96.5 李佳,吴同金,庞志华.应用型本科电子信息工程专业嵌入式课程教改研究J.北华航天工业学院学报,2021,31(4):54-56.6 赵泳林,范鑫,谢峰,等.项目驱动教学法在“汽车嵌入式系统课程设计”教学改革中的应用J.江苏理工学院学报,2015,21(6):