产教融合背景下嵌入式课程新型教学模式研究*

2022-10-25关学慧苏洪雨马文龙

智库时代 2022年37期

关学慧苏洪雨马文龙

（哈尔滨剑桥学院智能与电气电子工程学院）

嵌入式原理与应用课程理论性强、实践性强、学习难度大，而传统的教学模式涉及嵌入式系统宿主机内部结构、寄存器知识、操作系统内核实现原理、系统启动及运行状态分析等大量的理论知识讲解。课程枯燥乏味，学生学习兴趣不强，且学生毕业后无法有效地将理论知识融入到实际工程项目中。鉴于原有课程教学模式的弊端，为契合电气工程及其自动化专业及电子信息工专业的人才培养目标，培养具有创新意识，专业理论扎实，专业技术应用能力较强，具备解决电气工程、电子信息工程及其相关领域的复杂工程问题能力，能够在嵌入式系统等相关领域从事生产、维护、设计、研发工作的应用型人才。有必要对传统嵌入式原理与应用课程的教学模式进行改革。在产教融合的背景下，结合我校产业学院及企业实际项目应用，本文从课程教学内容建设、教学团队能力建设、教学方法与教学模式建设、课程考核评价体系建设四个方面进行说明。

一、课程教学内容建设

（一）课程内容梳理及学时重新分配

工程实践中，一个嵌入式系统是由硬件和软件两部分组成的，而现有的课程教学内容中硬件部分主要讲解嵌入式ARM微处理器体系结构、工作原理和外围接口技术等；软件部分主要讲解汇编语言知识、C语言编程知识、内部寄存器配置知识、嵌入式操作系统内核源码、ARM宿主机接口外设驱动编程、应用程序等。其中部分教学内容适合科学研究而对工程应用帮助不大，并不适用应用型本科教学，如嵌入式操作系统内核源码。部分教学内容与前导课程内容相似或相同，如ARM微处理器体系结构、工作原理、汇编语言知识、与前导课“单片机原理及应用”中内容相似，C语言编程知识与前导课“C语言程序设计”相同。这些枯燥的或重复的教学内容易使学生失去兴趣。针对此，拟对课程内容进行整体梳理和规划调整，削减重复或相似内容课时，将该部分内容改为学生线上慕课自学；取消晦涩难懂的内核源码分析课时。改革前课程教学内容如下：第一部分嵌入式技术概述，理论学时2，实验学时0，课上讲授；第二部分嵌入式微处理器体系结构，理论学时4，实验学时0，课上讲授；第三部分嵌入式开发工具，理论学时2，实验学时2，课上讲授；第四部分嵌入式编程基础(汇编语言和C语言)，理论学时6，实验学时2，课上讲授；第五部分嵌入式操作系统内核源码，理论学时10，实验学时2，课上讲授；第六部分嵌入式内部可编程模块驱动编程，理论学时14，实验学时6，课上讲授；总学时48，其中理论学时38，实验学时10。改革前理论学时比重大于实践学时。改革后课程教学内容如下：第一部分嵌入式技术概述，理论学时2，实验学时0，课上讲授；第二部分嵌入式微处理器体系结构，讲授理论学时0，实验学时0，学生自学；第三部分嵌入式开发工具，理论学时2，实验学时2，课上讲授；第四部分嵌入式编程基础(汇编语言和C语言) ，讲授理论学时0，实验学时0，学生自学；第五部分嵌入式内部可编程模块驱动编程，理论学时14，实验学时12，课上讲授；第六部分嵌入式应用程序编程，理论学时10，实验学时6，课上讲授；改革后总学时48，理论学时28，实验学时20，提升了实践学时比重，取消了“嵌入式微处理器体系结构”和“嵌入式编程基础(汇编语言和C语言)”课堂授课部分，改为学生自学。

（二）实践教学内容设计

实践教学内容是嵌入式原理与应用课程的重要组成部分。传统的实践教学内容设计完全服务于理论教学，而嵌入式技术的发展又日新月异，课程教材的理论内容往往落后于企业的实际需求，导致实践教学的内容设计忽视了自身与工程实际的联系[1]。在产教融合背景下，结合我校产业学院项目及企业项目，以学生能够在工作中解决实际嵌入式应用问题为目标，凝练并设计了嵌入式基础资源库和嵌入式应用资源库。基础资源库包括：（1）创建通用工程模板；（2）通用输入输出驱动编程实验；（3）外部中断驱动编程实验；（4）模数转换驱动实验；（5）软定时器实验。项目应用资源库包括:（1）热风锅炉温度采集系统设计；（2)热风锅炉风机控制系统设计；（3）热风炉油泵控制系统设计；（4）智能装备故障综合诊断设计。其中，应用资源库与企业课题的对应关系如表1所示。

表1 应用资源库与企业课题对应关系表

考虑到嵌入式技术更新较快，嵌入式资源库应不断地补充更新，甚至可以根据企业需求改变教学的侧重点，如目前教学的侧重点是嵌入式驱动开发(参考表2)，而在走访企业过程中发现嵌入式应用开发的岗位需求量开始逐年递增，或许在未来几年内，其岗位需求数量会超过目前的嵌入式驱动开发。因此，在实践教学内容设计时应时刻注意。

表2 改革前课程考核评价细则表

二、教师团队能力建设

产教融合不仅是采用教育和岗位相结合的方式培养学生，教师参与到企业岗位中亦应是产教融合的一部分，因为教师是课程教学的直接参与者和组织者，所以，借助于产教融合加强教师团队的建设是十分必要的。教师团队规模应根据开课班级数量而定，我校开课班级从2016级到2019级，每级为电气及其自动化3-4个班，电子信息工程2-3个班，所以教师团队中配备2名主讲教师，3名实验员。

在教学模式改革之前，教师主讲课程内容，实验员辅助教师完成实验，但教师和实验员都是主要从事教学工作，极少接触一线的嵌入式系统开发工作，致使理论教学水平很高，而嵌入式系统开发水平低于理论水平。所以需要增强教师队伍的嵌入式系统开发水平。目前采用三种方法来实现：（1）通过合作的企业进行嵌入式开发的顶岗工作，通过顶岗工作，切实地了解企业在嵌入式项目中的技术需求，如此才能在教学过程中有针对地讲解知识。（2）通过承接企业嵌入式系统开发课题，在完成一个完整的课题过程中，教学团队会充分了解到嵌入式系统开发的流程、技术要点。不但有助于教学，亦可通过课题凝练与更新嵌入式资源库。本次教改的实践教学内容设计就借助了企业课题。（3）若前两种方法实现起来有一定的困难，可通过指导学生参加教育部承认的各项科技竞赛来提高团队的嵌入式系统开发能力。由于教育部承认的各项科技竞赛都具有一定的前瞻性、创新性、技术性要求，所以在师生参赛过程中，指导教师会对嵌入式的前沿技术产生较深刻的认识，这也达到以赛促教，提升教学团队能力的目的。

当教学团队的嵌入式系统开发能力有了一定的提高后，由主讲教师和实验员共同凝练并设计嵌入式基础资源库和嵌入式应用资源库。

表3 改革后课程考核评价细则表

三、教学方法与教学模式建设

课程改革前，教学方法采用传统的以教师讲授理论知识为主、实验员辅助实验为辅的教学方式，该教学方法在激发学生的学习主动性方面和培养学生解决复杂工程问题能力方面，效果都不尽如人意。

课程改革后的教学模式分三步走：（1）知识的讲解不再是主讲教师课上利用板书和PPT的方式讲授，而是采用讲授法、演示法、练习法结合的方式讲授。因基础资源库的实践内容在设计时是跟理论教学内容配套的，所以主讲教师可根据基础资源库和理论教学内容，边讲边实验演示，教师讲解完后，学生实际操作进行编程练习，出现问题由教师解答。如此，学生在学习时能“看得见，摸得着，做得出”，从而激发了学生的学习兴趣。当然，此种方式下，学生编程练习环节仅由主讲教师一人解答问题不易实现，可以配备1-2名实验员辅助。（2）由于嵌入式应用技术的复杂性，学生仅学习嵌入式理论知识，做嵌入式基础资源库中的实验是不能满足企业需求的，还需要将所学知识进行综合，并且能够运用于实践。这种知识的综合运用能力，仅依靠教师总结并讲授给学生是不行的，一方面是主讲教师花费大量精力去总结、去讲授，另一方面是学生反映听不懂，不爱听。为了解决上述问题，满足教学需求，利用嵌入式应用资源库进行教学。此部分课程设计采用探究式教学法。先设置情景模式，假定学生都是企业的工程师，即将完成应用资源库的设计内容，学生3-5人/组，组成课题团队，接到嵌入式设计任务后，学生小组根据指导教师的任务大纲自主查找资料，进行方案设计，进行原器件选型与采购(这里推荐采购嵌入式开发板和嵌入式模块，可避免元件焊接)，然后进行硬件设计，进行嵌入式编程，最后形成技术报告。在整个教学过程当中，学生成了主体，随着项目的推进，学生在实践中有了收获感，积极性高，参与度高，师生探讨多，有的小组甚至能提出不同的技术方案，教学效果远高于教学改革之前。（3）完成第1步和第2步后，嵌入式原理与应用的课堂教学主体部分就已经完成了。然而为了更进一步提升学生的嵌入式应用能力，还应该鼓励学生参加教育部承认的各项科技竞赛[2]。一方面可以达到以赛促学，强化学生应用能力的目的，另一方面可以从获奖参赛队伍的方案中凝练出新的嵌入式应用资源，补充嵌入式资源库，还可以提高指导教师的实际项目开发水平，实现反哺教学内容建设和教师团队能力建设，形成闭环的课程教学改革。

四、课程考核评价体系建设

改革前的嵌入式考核方式主要是以理论考核为主，即采取期末试卷成绩与平时成绩结合的方式。该考核方式不能充分地评价学生的实践动手能力、解决复杂工程问题能力、人文素养、团队协作能力等，所以这种考核方式比较单一，其全面性、科学性、实用性较差。

改革后采用基于“过程”加“成果”的课程考核模式[3]。降低期末考试成绩占比由原来的70%降低至30%，注重技能考核，淡化理论考核，将技能考核由原来的12%提升至60%；强调平时的学习和工作态度，体现真实的技能水平[4]。考核包括平时成绩、基础实验成绩、项目应用或产品功能设计成绩、报告、基础理论知识考核组成。