“嵌入式系统”实验教学的改革与探索

王梦觉 梁丽丽

摘要：伴随着国家经济和社会的发展，企业对工程人才的要求也发生了变化，企业更加注重学生的解决复杂工程问题能力、创新能力和跨学科交叉融合能力等。高校要培养出满足时代要求的工程人才，就必须进一步加强工程教育改革。本文深入地分析了“嵌入式系统”传统教学中存在的不足，积极探索实验教学的改革路径，提出教师应该从实施单元整体教学设计、以岗位需求为导向设计实验内容、更新实验教学手段、采用“翻转课堂+问题驱动+案例实践”的线上线下混合式教学模式、健全实践教学评价方式等方面入手，落实实验教学改革，以提升学生的工程实践能力、团队合作能力、创新能力和综合素质。本文提出了“嵌入式系统”实验教学过程的改革和优化方法，以期为其他新工科专业实验教学改革提供参考。

关键词：新工科；嵌入式系统；工程实践能力；实验教学；改革

新时代对工程人才的要求推动了新一轮的工程教育改革。在数字经济时代，产业要求工程技术人员需要具备较强的工程实践能力、创新能力以及较高的综合素质［1］。高校应该顺应时代发展要求，注重提升学生的工程实践能力、创新能力和综合素质，培养出更多应用型和创新型人才。

笔者结合“嵌入式系统”三个学期的教学实践，对传统教学现状展开调研和分析，探索实验教学过程改革的路径。采用优化教学体系、设计实验教学内容、更新实践教学手段、改革实践教学模式、健全实践教学评价方式等举措，将新工科教学理念融入实验教学中，实现了教学目标，夯实了学生的嵌入式设计和开发的应用能力和实践技能，达到了该课程承担的毕业能力要求，提高了教学质量。

1传统教学中存在的问题

1.1教学的“碎片化”

在传统的“嵌入式系统”课程的教学中，大多数教师都是根据教材原有的章节顺序进行教学，专注于每一节课的教学设计，忽视了教学的整体性，没有对教材内容进行整合，没有实施单元整体教学设计。分散的知识点不利于学生建立起这门课的知识体系，阻碍了他们有针对性地进行相关的训练，也限制了学生对这门课程的知识进行系统的运用，导致学生缺乏解决新问题的能力。

1.2实验教学内容与职业技能要求脱节

目前，我国高校正朝着“双师型”师资的方向发展，但是大部分高校中缺乏既有教学经验又有实际应用技能的“双师型”教师。教师普遍缺乏企业实践经历，不了解行业的现状和发展趋势，不能够根据岗位技能要求对实验内容进行精心设计，无法将企业真实项目引入实验课堂，过度依靠课本中的实验教学资源。然而，“嵌入式系统”课程的实验教学资源常常缺少真实的工作场景，与企业实际有一定距离。实验教学内容与实际工作要求脱节，导致大学生在毕业后进入工作岗位时，往往会发现自己所学到的知识和实践操作存在一定差距，不能很好地适应工作岗位的要求。

1.3学生缺乏实践训练

在传统的“嵌入式系统”课堂教学中，大部分教师以知识讲授为主，而忽视了对学生动手能力的训练。在课时安排上，强调理论课时的重要性，压缩实验课时。在实践教学设计上，教师对实验内容的设计不够重视，对实践教学模式缺乏探索与实践，这就导致了学生的实践能力没有得到锻炼。在校学习期间，学生没有机会接触到嵌入式软件开发领域常用的设备，不能掌握嵌入式系统的开发过程和方法。在毕业后，学生不具备进行嵌入式软件开发的能力。

1.4实验室建设投入不足

一些学校不重视实验室的建设，实验教学仪器设备不能够支撑本专业的实验教学和综合实训的任务，实验教学依赖于教师的自觉和自发的行为。“嵌入式系统”课程要求学生完成基于STM32F1系列或STM32F4系列的接口编程实验项目。学生在做实验时，需要使用计算机进行嵌入式系统的开发与编译，需要将程序下载到实验仪器上，以便对程序进行调试和验证。由于缺少实验仪器，学生无法验证自己开发出来的程序是否能实现功能要求，这就导致了学生学习兴趣不高，不利于学生实践能力、创新能力的培養。

1.5教学评价体系不够健全

由于受到传统的教学观念的影响，有些学校重视结果而轻视教学过程，导致“嵌入式系统”课程的评价体系较为简单，主要采用结课评价这种教学评价方式，即只在学期末进行“嵌入式系统”成绩的评定。这种评价方式并没有将实验教学的过程和效果完全反映出来，不利于鼓励学生积极参与到实践练习当中。

2实验教学改革探索

2.1优化教学体系

笔者根据本科高年级学生的认知规律和思维发展的阶段性特征，结合该课程承担的毕业能力要求，对教材内容进行了整合，设计了教学单元。

第一章帮助学生对嵌入式系统有初步的了解，第二章使学生对嵌入式系统的基本结构有深入的认知，第三章让学生熟悉嵌入式系统开发方法和程序调试方法，第四章使学生对STM32常用接口的工作原理和使用有一个较全面的认识，第五章强化训练学生的嵌入式开发能力。

2.2设计实验教学内容

笔者把企业项目场景引入“嵌入式系统”实验教学中，精心设计实践训练项目，构建多层次的实验教学体系。针对课程特点和学生特点，设置了基础实验和综合实验。其中，基础实验注重的是构建项目场景，通过案例引导学生将理论知识应用于实际生活，使学生掌握嵌入式接口开发技术，使学生具备嵌入式接口的使用和相关开发能力［2］；综合实验则是采用小组合作学习的方式，要求学生站在整体的角度上，将所学的“嵌入式系统”课程的知识融会贯通，探索问题的解决方法，完成实践训练项目。

如下图所示，学生在完成“采集光强传感器数据”练习时，需要综合运用本课程之前学到的LED驱动开发、按键驱动开发、定时器驱动开发、UART驱动开发、IIC驱动开发等知识，同时，也需要使用《传感器与检测技术》中的光敏传感器相关基础知识，才能够完成综合实验。通过精心设计综合实验练习，引导学生整合各学科之间的知识，锻炼了学生跨学科交叉融合能力［3］。

“嵌入式系统”综合实验练习项目图

2.3更新实践教学手段

实验教学是“嵌入式系統”课程教学的重要组成部分。高校要重视专业知识的传授，更要重视学生实践能力和创新能力的培养。笔者从硬件资源、软件资源、平台资源、加强开放实验室建设等方面入手，对实验教学手段进行更新。

在硬件方面，充分利用学校现有的实验室资源，在实验室完成“嵌入式系统”课程的实验教学，并组织学生使用开发板独立完成实践训练项目。这样使学生在参与中感受到学习的乐趣，帮助学生掌握理论知识，也锻炼了学生的实践能力。在软件方面，使用IAREmbeddedWorkbenchforARM软件平台，为学生提供了嵌入式系统集成开发环境。在平台资源方面，开发了教学案例库。“嵌入式系统”实验教学中经常会出现STM32F1系列和STM32F4系列处理器这两种不同的实验环境。教学案例需要具有代表性，要基于行业主流的嵌入式处理器和主流的“嵌入式系统”实验环境设计教学案例。此外，还需要加强开放实验室的建设，为学生提供完成“嵌入式系统”课程的实验练习、准备毕业论文（设计）、准备学科竞赛等的场所。

2.4改革实践教学模式

在新工科建设的大背景下，为了提高学生们的工程实践能力和创新能力，必须对“嵌入式系统”实验教学模式进行改革。在完成“嵌入式系统”各教学单元的知识讲解和基础实验练习之后，教师会安排一系列的综合实验练习作为课程设计环节的内容，以锻炼学生的工程实践能力和创新能力。课程设计的教学模式以OBE教育思想为基础，采用线上与线下相结合的方式进行教学。在混合式教学中，学生的学习由课前、课中和课后三部分组成。

课前：线上自学。教师精心设计项目案例内容，发布综合实验练习和考核评价标准。学生充分利用网络教学资源进行预习。

课中：线下分组讨论和合作。教师还原真实的项目场景，组织学生以学习小组的方式参与到课堂活动中，引导学生得出正确的认知。学生在课堂上与其他同学协作，完成综合实验练习，并展示研究成果。在小组研究成果展示以后，就进入了评价环节。在这个过程中，学生讨论并评价其他小组的表现，教师对学生的学习情况进行全面评价，并进行课堂总结。

课后：教师线下指导，学生持续改进研究成果。

这种教学模式可以让学生对前面课堂所学的知识进行进一步的巩固，可以引导学生进行自主学习，从而激发学生的主观能动性，促进学生综合素质的提升［4］。

2.5健全实践教学评价方式

科学的教学评价方式可以将实践教学与素质教育相结合，提高学生创新能力和综合能力。“嵌入式系统”作为一门实践性较强的课程，应实施多元化的教学评价方式，建立起较健全的实践教学评价体系，从而更好地评价学生的动手能力及综合素质。在实践教学过程中，可以采用过程考核和结果考核相结合的评价方式［5］。过程考核具体包括了基础实验、课堂表现（含出勤情况）、综合实验、课程论文等方面的内容。结果考核采用实践考试的形式，重点考查学生的嵌入式软件设计与开发能力、团队合作能力、创新能力等综合素质。过程考核=基础实验（12.5%）+课堂表现（12.5%）+综合实验（50%）+课程论文（25%）。学生的最终成绩=结果考核（60%）+过程考核（40%）。

其中，无论是综合实验，还是期末考试，都是以分小组合作的方式进行。学生可通过查阅资料、探索解决问题等方式，将理论知识应用于实践项目中。小组成员除了需要共同完成课程设计、提交源程序文件、提交编译后的可执行程序、提交小组成员分工以及课程设计报告以外，还需要进行现场答辩。这样的考核形式，一是考查了学生的实践能力、交流能力和团队协作能力；二是考查了学生对嵌入式系统知识的理解和掌握程度；三是考查了学生对嵌入式系统的开发过程和方法的掌握情况。

3教学成效

笔者围绕着如何解决“嵌入式系统”传统教学中存在的不足，在这门课上开展了三个学期的实验教学改革与实践，取得了以下成效：第一，与教学改革之前相比，学生的学习表现有了很大的改善，考试成绩有了明显提高。“嵌入式系统”课程在实行实验教学改革后，无不及格学生，优秀率达45%。第二，学生的工程实践能力得到了锻炼。去年笔者所带的19物联网工程班的学生，在实习过程中都能迅速地适应与嵌入式开发相关的工作，对口就业率比例达到90%以上。第三，改变了教师的传统教学方式。在教学过程中，做到了过程与结果并重，更加注重学生实践能力和创新能力的培养。教学方式的改变也得到了学生的认可。第四，提高了教师的业务水平。在实验教学改革与实践过程中，教师按照实验教学改革思路查资料、修改教学方案，提高了自身的专业水平。

参考文献：

［1］潘晓铭，陈益丰，潘敏辉.基于创新人才培养的高校机械类实验教学改革［J］.中阿科技论坛（中英文），2021（06）：146148.

［2］孙占华.基于Linux操作系统教学设计的应用分析［J］.计算机光盘软件与应用，2011（1）：9.

［3］林健.新工科专业课程体系改革和课程建设［J］.高等工程教育研究，2020（1）：124.

［4］王永芹.大学英语“线上+线下”混合式教学模式探究［J］.湖北开放职业学院学报，2021，34（05）：164165.

［5］陈智榕，李杰赓.模拟法庭在高校民商法实践教学中的运用探讨［J］.湖北开放职业学院学报，2021，34（08）：154155.

基金项目：2023年度河北外国语学院教学改革研究与实践项目“《嵌入式系统》实验教学的改革与探索”（项目编号：HWJG2023013）

作者简介：王梦觉（1990—），女，汉族，河北石家庄人，硕士，讲师，中级工程师，计算机学院物联网教研室主任，研究方向：嵌入式系统；梁丽丽（1978—），女，汉族，河北石家庄人，讲师，研究方向：软件工程。