吴晨睿

（上海理工大学机械工程学院，上海 200093）

0 引言

高等工程教育在我国高等教育中占有重要地位。深化工程教育改革，建设工程教育强国，对服务和支撑我国经济转型升级意义重大[1]。当前，国家为推动创新驱动发展，提出了“一带一路”倡议，实施了“中国制造2025”“互联网+”等重大战略，以新技术、新业态、新模式、新产业为代表的新经济蓬勃发展，对工程科技人才提出了更高要求。基于此，教育部要求各高校必须加强新产业形势下新工科的人才培养内涵建设。

新工科的内涵是以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化创新型卓越工程人才，工程教学改革是学生的期望、教师的责任、国家的要求和社会的需求。新工科建设具备“新理念、新体系、新模式、新质量和新结构”等“五新”特征[2]。这也是新工科建设的研究与实践的指导方向。2020年5月，为推进新工科建设进一步深化，教育部决定在高校建设一批未来技术学院，旨在培养面向未来的卓越工程创新人才，建设工程教育强国，支撑民族伟大复兴。

“嵌入式系统”是机器人工程专业的核心专业课程，它结合硬件、软件、系统与控制于一体，是一门具有较强应用导向的课程[3]。从日常生活中的电子设备到工业生产中的加工制造装备，无一不存在着嵌入式系统的身影。随着社会和科技的不断发展，尤其是近年来智能制造的兴起，企业对于嵌入式系统开发人才的需求愈加迫切。但目前从事嵌入式底层系统开发的工程师比较多，企业更加青睐于能够胜任从事嵌入式系统电路设计、程序开发、产品上线部署、升级维护等嵌入式系统全生命周期研发的高水平专业人才。因此，随着社会需求的更替和教育理念的改革转型，“嵌入式系统”教学面临着全新的挑战，需要高校教师“以学生为中心”，对现有“嵌入式系统”课程进行整体上的革新。

1 “嵌入式系统”教学中存在的问题

1.1 学生基础薄弱，无法深入原理性学习

“嵌入式系统”是机器人工程专业大二下学期开设的专业必修课，由于机器人工程专业是面向应用型的专业，因此需要在有限的课时内同时学习机械类、电类、信息类课程，故而当学习本门课程时，学生尚无数字电路、模拟电路、计算机系统等课程基础。而程序基础主要以选修的“C语言基础”或“Python程序设计”为主。这导致学生对于嵌入式系统的底层原理如CPU运行原理、系统总线结构、IO接口的输入输出等知识均不能从根本上理解，从而进入死记硬背的学习状态。

1.2 教学一言堂，学生积极性不高

虽然当前教学以Problem-based Learning（PBL）为主，但是提问往往是从老师的角度思考问题，难以调动学生参与讨论和研究。教师所提出的问题往往是根据教学内容和知识点的需要而延申出简单实例，通常缺少与学生生活或兴趣息息相关的问题。教师的提问从一种引导学生思考、启发学生思维的方式，转向为提醒学生注意听讲，将学生注意力拉回课堂的权宜之计。教师的提问通常没有同学主动应答，而需要教师通过点名的方式达到目的。究其本质，一方面是课程内容无法引起学生的兴趣，另一方面则是授课教师没有做到将课程内容深入浅出地讲授出来，使学生在感受到学习困难时，放弃学习理解新的理论知识。

1.3 课程知识无法内化，仅为应付考试

学习是一个循序渐进的过程，学生需要在课上和课后对课程知识反复记忆与理解，才能达到学有所得的效果。学生学习的过程，不能仅仅停留在“产生疑问—理解答案”的过程中循环，而应该将课堂上所学的知识转化为自己的能力，以“产生疑问—理解答案—应用实践”的方式不断往复才能真正地学以致用。“学而不思则罔”，对于“嵌入式系统”课程而言，最好的思考即是让学生参与到课程实践当中，通过各式各样的实验将所学的知识应用于不同的场景。然而，当前的“嵌入式系统”课程仍以理论教学为主，重理论而轻实践，导致学生动手能力差。

1.4 考核方式过度依靠试题，忽略学习过程

当前“嵌入式系统”课程考核方式仍以期末考试试卷为主。通常课程的总成绩由30%的平时成绩和70%的期末考试成绩组成。这种考核方法虽然方便了教师进行成绩管理，但是对学生是否真正掌握了设计、开发和优化嵌入式系统的能力却无法给出明确的答案。许多学生通过期末考试前的临时突击，将课程涉及的理论知识逐一记忆，又在通过考试后快速遗忘。这使得学生并不能通过对课程的学习掌握嵌入式系统的设计和开发的技能。

2 “嵌入式系统”课程体系建设措施

作为“嵌入式系统”开发课程的专业教师，需要把握新工科教育转型改革的内涵，认清目前课程体系存在的不足，以应用型人才培育为导向，对课程体系展开创新构建[4]。

2.1 改进教学方法与教学设计

针对机器人工程专业学生当前的学情，重新规划教学设计，需要将学生尚未学习的数字电路、模拟电路、计算机操作系统等前置课程的知识融入教学过程中，使得同学们能够从基础原理掌握嵌入式系统的各个部分，而不会发生某一部分知识是“黑盒”的情况，这将加强学生对整门课程的理解。适当减少当前嵌入式课程中部分老旧和科普方向的知识，增加嵌入式系统前置知识的讲授，合理利用课程教学时间。在课前与课后通过问卷调查等形式主动收集学生们的疑问和反馈，并在教学过程中针对多数学生存在的问题进行动态调整。在教学设计过程中需要关注教学难点和教学重点的分配，将多个重点均匀分布在教学过程中，避免由于教学难点集中导致学生注意力下降，或因为知识难以理解学生放弃学习的问题。

2.2 丰富课堂组织形式

通过多媒体微课堂等形式打造翻转课堂，将专业课程知识设计制作成为不同类型的微课，指导学生课前学习和课堂学习，在教育过程中给学生自主选择的权利，使学生们能够在学习状态饱满的情况下摄取知识，构建线上加线下混合式教育模式。通过设置预习、练习、测评、互动等功能，给学生提供线上学习空间。学生可以针对在课堂上没有完全理解和掌握的知识点进行二次学习，并通过练习、测评、互动等一系列实践过程巩固学习成果，深化记忆。在线下讲解过程中以解决学生疑问为载体，将教学内容进行分析与解构。将同学们的问题分门别类，穿插在教学内容之中，从而提升学生课堂参与感，让学生感受到被关注、问题被回应，进而提升学生们的学习热情[5]。教师需要从多个角度剖析问题，以适应对同一个知识点不同的学生所产生各种疑问。对于具体知识点讲解要善于运用比喻、类比、举例说明等方法进行教学，也可以通过学生问题进行把握，做到浅者不觉其深、深者不觉其浅的知识传授，达到针对不同基础学生因材施教的效果。

2.3 加强课程实践

本课程具有很强的实践性，需要对学生每节课的实践目标、实践重难点加以指定与分析。让学生能够循序渐进地在实验中体会到嵌入式系统开发的成就感，进而慢慢引起学生们的开发热情和学习兴趣。减少诸如“点亮小灯”“数字计时器”等常规验证性的实践课时，设计多层次的课程实践环节。具体分为验证层、应用层和创新层。验证层实验以实现理论课程所学的知识为主，占实践课程总学时的20%，通过对理论课程的验证初步掌握所学知识。应用层实验占实践课程总学时的30%，通过将嵌入式系统应用于不同场景，如课程签到系统、电子门禁系统、温度预警系统等，提升学生们的实际应用能力。在此基础上，创新层的实验旨在激发同学们的想象力与创造力，不限制应用场景，激发同学们利用现有的人工智能技术和设备进行一些有创意的实验。同时，需要加强嵌入式系统实践教学平台的搭建，让学生们能够将自己的所思所想实现出来，建立电子设计竞赛实训基地，为学生们的创造性思维提供基本的实验设备基础。实验平台建设主要包括嵌入式系统所涉及的相关软硬件、教学制度以及实践项目的专用硬件设备。在学生学力仍有富余的情况下可以引入相关科研项目，从本科阶段培养学生的研究性思维。

2.4 重新制定课程考核制度

引入适用于机器人工程专业的“嵌入式系统”课程的教材，理论课程要少而精，实践课程要循序渐进，稳扎稳打。增加过程考核占据课程总体考核的比例。详细规划实践过程考核中每位学生所负责的功能与完成度的具体考核指标，摆脱当前小组考核中部分同学“划水”而另一部分同学任务繁重的情况。使得每位同学按照自己负责和完成任务的程度获得相应的成绩。同时，引导和鼓励学生参与各类大学生创新科技项目，授课老师作为指导教师在参赛过程中发现同学们对于嵌入式系统的掌握情况，并能够针对学生们知识掌握的薄弱环节更新教学重点与难点，形成教学的正向反馈。

3 结束语

嵌入式系统是当前人工智能发展浪潮中不可或缺的一部分，尤其在工业应用领域，具有人工智能的嵌入式系统开发将逐渐改变我国生产模式，让我国从粗放型、能耗型生产向高精密、高可靠性、高节能型生产转型。这其中需要高校教师培养相关人才，为国家的建设教育栋梁之才。以培养学生实践能力和创新能力为重点，为智能制造相关领域提供生力军，全面提高学生的技能水平和就业竞争力。