嵌入式系统类课程项目演示性实践教学改革研究

2019-05-21靳宝全崔丽琴

中国现代教育装备 2019年7期

王宇靳宝全王东崔丽琴张丽邓霄

太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室山西太原 030024

太原理工大学应用物理学专业始建于1994年，经过20余年的改革与实践，逐渐形成了“以理明智，以工践行”的办学特色以及“厚基础、宽口径、重应用”的人才培养模式，专业于2006年被评为山西省品牌专业。

本专业以太原理工大学物理学、仪器科学与技术2个一级学科为支撑，在《太原理工大学2016版培养计划》中相继开设了一系列嵌入式系统类课程，具体包括嵌入式系统基础及应用、单片机原理与接口技术、智能仪器设计基础及现代测试技术及应用等。

嵌入式系统类课程与各类型工程实践项目有着紧密的联系，并在各类企事业单位的项目研发部门得到广泛应用。然而，传统的课堂教学模式多以概念性讲授、练习题解答、板书幻灯片等内容为主，缺少以工程实践项目为主导、穿插基础知识和实际技巧的教学方式，导致学生接受效果不佳，并与实际工作脱节较为严重。因此，针对应用物理学专业嵌入式系统类课程的教学改革十分必要，其改革将有助于提升该专业学生的创新能力和就业竞争力。

为此，本文提出了以工程实践项目为主导的教学改革思路，结合生产生活中的嵌入式产品进行项目演示性实践教学，从而训练大学生的创新能力。

1 国内外教学方法研究现状

2009年，哈尔滨理工大学的李岩等人针对原有嵌入式系统课程不适合现代企业和项目研发需求的问题，提出了一种新的教学体系方案，促进学生的就业与学业的进一步发展[1]。2011年，电子科技大学的李文生等人提出了一种以讲解具体案例和工程应用来提高学生思考、动手与创新能力的尝试，提高了学生的学习热情，获得了良好的教学效果[2]。2013年，上海电力学院的彭道刚等人采用了讲座式教学和项目实践的方法，不仅提高了学生的上课热情和对课本知识理解程度，还培养了学生对嵌入式系统的学习兴趣和动手实践能力[3]。2016年，中国地质大学的陈凯等人针对现有教学中实验板数量不足和内容有所欠缺的问题，开发完善了新的教学实验板，使学生能够切实进行操作与实践，解决了动手能力不足的问题[4]。2017年，杭州电子科技大学的徐平等人对嵌入式系统进行了教学改革，将教师上课为主的模式转为以学生实践为主的教学模式，极大地提高了学生对这门课程的学习兴趣，促进了学生的就业发展[5]。2018年，吉林大学的陈晨等人针对嵌入式系统实践教学环节不能满足现代企业应用的问题，通过完善教学结构和改善培养方案的方式提高了学生的动手实践能力，增强了毕业生的工作能力[6]。

2 嵌入式系统推动创新创业

嵌入式系统主要分为嵌入式微控制器、嵌入式微处理器、嵌入式数字信号处理器、嵌入式片上系统四类，以单片机、ARM、Linux等为主，可运用于智能仪器设计、工业生产控制等领域。嵌入式系统应用的软硬件可进行高效率协同设计，在同样配置的基础上实现更高的性能，现在对嵌入式系统的研究方向主要为小型化、低功耗、低成本、提高可靠性、多媒体人机界面等，其应用热点集中在智能家居、网络技术、电子商务等领域。其中，共享单车先行者“OFO小黄车”、外卖行业领袖“饿了么”、创意企业“礼物说”等都是学生运用嵌入式系统进行创新创业最鲜明的例子，对学生的创新创业有极大的推动作用。同时嵌入式系统在智能家居网络、工业过程控制中也起着重要的作用，无论是小米的智能家居全产业链，还是西门子的全自动化工厂，嵌入式系统皆渗透其中。因而改革嵌入式系统的实践教学可充分提高本科生对嵌入式系统课程的理解程度，切实提升其对嵌入式系统的运用能力，对本科生创新创业能力的培养有重要的推进作用。

3 教学改革方案

3.1 翻转课堂推进动手能力培养

翻转课堂将学习的主动权交给学生，避免填鸭式的教学方式，增加了课程学习的灵活性，推进了学生动手能力的培养。通过阅读课件、视频、电子文档等，学生可在课前完成嵌入式系统基础知识的自主学习。在课堂中，学生可将自己对嵌入式系统的理解向学生讲解，并就自己的观点与大家进行讨论，充分交流，在讨论的过程中，纠正错误，取长补短。

在对嵌入式系统有了充分理解以后，学生可进行自我作品的设计与制作，在课堂上对所设计的作品进行前期讲解，吸取教师和学生的建议后可进行相应的调整与改进。随后进行作品制作，就制作中遇到的问题在课堂中与大家进行交流，顺利完成作品的制作。课程结束后，学生对嵌入式系统的知识有完整的理解，并完成嵌入式系统作品的设计、制作。通过翻转课堂的教学方式，结合课程相关作品的实际制作，将课程的重点转向课程实践，推进学生动手能力的培养。

3.2 以赛代练增强团队意识

通过参加与嵌入式系统相关的比赛(见表1)，可以增强学生对课程知识的深度理解，提高动手能力，增强团队意识。同时在比赛作品的调试过程中，学生经历了器件选型与组装、控制程序调试等工作，有助于学生对课本知识的理解和团队意识的培养。

表1 大学生嵌入式系统类代表性比赛列表

3.3 加入团队实现科研技能锤炼

本专业嵌入式系统类课程的授课教师主要来自于新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室，该实验室现有科研团队如图1所示，每个团队研究内容及侧重点都有所不同。学生可根据兴趣爱好加入任一适合自己日后就业或者继续深造的团队。通过在团队中的学习与研究提高学生的科学素养，完善自己的科研技能。在与学生和教师的深度交流中，学生能够发现自己知识和动手能力的不足，在实际应用中加深对知识的理解与掌握，锤炼科研技能，为以后的就业和继续深造打下坚实的知识基础和培养良好的动手实践能力。

图1 重点实验室科研团队简介

4 大学生创新能力训练

4.1 依托本科教学工程项目推进大学生创新能力培养

太原理工大学通过本科教学工程项目训练大学生创新创业能力，从各专业发展方向出发，对不同专业背景的学生提供不同的专业训练项目。应用物理学专业以物理学、仪器科学与技术为方向，基于嵌入式系统在光电检测、智能仪器等领域的应用，推进大学生创新创业能力培养。2016～2018年，太原理工大学分别批准了99，120，120项本科教学工程项目，其中应用物理学专业的学生参与本科教学工程项目分别为5，5，6项，而与嵌入式系统直接相关的项目分别为5，4，5项(见表2)。因此，嵌入式系统占比最高可达100%，可充分保障本科教学工程对大学生创新能力的培养，尤其是保障大学生嵌入式系统实践能力的提升。