张兵 袁进

宿迁学院信息工程学院 江苏宿迁 223800

0 引言

2017年教育部发布文件推进新工科建设，要求高校要加快发展、建设新工科。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[1]。

物联网专业的课程与很多专业，如通信工程、计算机、人工智能、电子等专业有重叠，具备新工科的交叉复合特点，物联网专业的主要技术更是新工科的重要支撑技术。嵌入式系统涉及多个领域的工程应用，也是物联网和人工智能等新兴行业的重要技术。因此，顺应社会发展的需求，分析目前物联网专业的人才需求和高校嵌入式系统人才培养现状，与新工科建设理念相结合，进行嵌入式系统及应用教学改革，对提高嵌入式系统及应用教学质量，提高物联网专业的专业建设水平，提高应用技术人才专业水平，有极为重要的帮助，也为国家新工科建设战略计划的实施夯实基础。

1 现状分析

嵌入式系统及应用是一门综合性比较强的课程，在物联网专业中是一门核心的专业必修课。起着承上启下的重要作用，将前面所学的C 语言程序设计、数电、模电、传感器等课程的基础知识应用到嵌入式系统具体的应用场景中，还是后续的无线传感网、物联网专业实践等课程的重要支撑。而嵌入式系统及应用课程课时相对有限[2]，涉及的知识比较多，比如嵌入式系统基础知识导论、ARM 体系架构、嵌入式实时操作系统及相应的应用开发等，学生在学完课程的内容后只能获得较为笼统的表层理解，实际应用中动手实践操作比较困难。

学校嵌入式系统及应用课程的实验课时与理论课时一般为1 ∶2，侧重于理论教学。教师在讲授理论课时所需条件相对容易实现，直接用PPT、板书的传统方式呈现，简单易行；但对于实践方面来说，所需的硬件资源比较复杂，尤其在一些教学资源较为紧张的情况下，实践教学开展不足。教师的科研侧重于理论研究，对实践方面的研究相对少一些，使得教师的理论与实践两端不均衡，导致没有足够的实践教学师资。

嵌入式系统实验课程一般使用固定的实验箱，学生不了解系统的整体运行，不须设计电路，不须选择芯片元件，仅按照实验指导书步骤去做，去验证实验结果。具体操作过程中缺少主动性和探究性，没有独立开发经验，换个开发板就不会使用。大部分学生处于临摹状态，只是依葫芦画瓢，能看懂实验，但并没有理论联系实际，无法对知识点形成深刻的记忆。每个实验内容单一独立，相互关联性不强，综合性实验项目较少，不利于综合实践能力的培养。

2 工程实践融入教学的改革

2.1 构建师生共同体的教学目标

为了改变现有的教学现状，实现新工科培养人才的教学目标，全面提高学生的学习能力，需要重新构建嵌入式系统的教学目标。首先在基础知识方面要夯实学生对嵌入式系统知识要点的掌握；其次是嵌入式系统能力的提升，包括硬件设计能力、程序编写能力、算法设计能力、系统调试能力、问题剖析能力等；再次要培养学生的嵌入式系统的思维构建，主要是逻辑思维、工程思维、创新思维等思维能力的构建；最后还要培养学生面向未来职业规划挑战的勇气，具备挑战有难度项目、克服困难、自主学习的能力，具备挑战自我，工程规范、团队协作的能力。

2.2 重塑教学内容

针对学生学习基础知识的课时不足、理论不知如何与实践相结合、实践项目不会做等问题，可以通过四个阶梯来重塑教学内容。

第一阶梯，线上学习用慕课来夯实学生的学习基础[3]。学生可以利用碎片化的时间进行线上学习，并且根据知识点的掌握情况多次重复观看视频，有不理解的知识点可以带到课堂向教师线下请教，教师可以充分利用有限的理论课时讲解基础知识的重点、难点，和学生讨论学习中的问题。

第二阶梯，案例教学[4]，在案例中让学生知道基础知识如何被应用。如STM32 的GPIO 口的基础知识及相关寄存器的设置，可以利用设备指示灯的设计与实现案例来讲解如何将具体知识应用到项目之中；中断的基础知识和STM32 的中断机制使用竞赛抢答器的设计与实现案例，使学生能更清晰地理解中断的使用；STM32 定时器及定时器/计数器的基础知识使用电子时钟的设计与实现案例、看门狗基础知识使用环境监测点自复位的设计与实现案例、STM32 的USART 基础知识使用视频监控中三维控制键盘的设计与实现案例等等。在不同案例中使学生将所学基础知识能灵活地应用到具体的案例中，提高学生的学习兴趣。

第三阶梯，翻转课堂，思维引领。通过第一、第二阶梯，学生掌握基础知识并对基础知识的具体应用有了了解，在第三阶梯引导学生在应用基础知识解决问题的时候去分析、探索新的问题，使学生在翻转课堂上对知识结构有更深刻的理解并能灵活应用，从而培养分析问题、解决问题的能力，有利于下一阶段项目的完成。

第四阶梯，项目挑战[5-7]。项目实践是检验学生对基础知识的理解和应用，把第三阶梯的项目思维和第一、第二阶梯所学知识的综合应用。在项目开发实践过程中培养学生发现问题、解决问题的能力。在布置项目过程中充分考虑学生的学习水平，分模块步步推进，并在项目中体现阶梯性，既能解决基础问题，也有一定的阶梯度，便于发挥学生的创新能力。

在具体的课时分配中，线上教学20 课时，案例教学16 课时，翻转课堂12 课时，项目教学16课时，嵌入式系统及应用总课时64 课时。

2.3 课程教学设计的三个阶段

在嵌入式系统及应用的学习过程中，根据学生的知识结构及学习进程，将嵌入式系统及应用课程知识体系融入学生项目开发的思维引导中。根据四个学习阶梯把学习过程分为三个阶段。

第一阶段以模块化思维为引导，以解决基础知识模块为案例出发点。在线上课程中学习STM32F4芯片的基础知识，将GPIO 口模块、IIC 模块、LCD模块、AD 模块、传感器模块综合应用，引导学生在项目编程中灵活应用基础知识。

第二阶段以工程思维为引导，以两三个具有一定挑战性的项目为引入。要深入理解定时器、中断及通信的概念及使用方法。

第三阶段以创新思维为引领，以完成三个综合性、创新性项目为目标。通过智慧共享单车系统、智慧气象系统、智慧城市照明系统三个项目的综合实践，引导学生面向未来，迎接更高的挑战。

项目教学贯穿教学的后半程：立项、开题、技术、中期、测试、结题。在教学中重视实践教学，教学的后半程重点呈现项目教学的内容。第一阶段占7 周时间，让学生充分掌握基础知识，通过基础案例培养学生的模块化思维。第二阶段占4 周时间，通过进阶案例培养学生的工程思维。第三阶段占5周时间，通过综合项目案例培养学生的创新思维。项目教学中新的知识占比达50%以上，培养学生的自学能力，使项目具有挑战性与高阶度。如表1所示。

表1 教学过程设计

3 教学考核方式

结合嵌入式系统及应用课程目标中对学生动手实践和项目开发要求较高的特点，针对嵌入式系统及应用最终考核方式相对单一、重理论、忽视实践的现状进行改革。在考核时，教师应增加案例分析和编程方面的实践主观题分值，并且增加课内实验和项目实践在平时成绩中的比重。实验成绩不仅根据实验报告，要更重视实验过程中学生的实验操作过程，根据实验的完成度和实验拓展挑战性给出综合评价。在项目挑战中对学生分组，一般3 人一组，项目小组内学生自我评价与相互评价相结合，教师根据项目的完成度和创新性给出综合评价。项目评分占比：教师和学生的评价各占一半。具体考核形式如表2所示。

表2 教学考核设计

4 教学成效

嵌入式系统及应用课程教学改革从2019年开始已进行3 轮，课程依托超星泛雅平台开展线上线下混合式教学，线上进行基础知识与部分项目案例教学，线下进行项目案例的研讨、创新思维训练。真实项目的融入，让学生先学习再提高，理论与实践相结合，真正学有所用。在2021—2022 学年秋季的嵌入式系统及应用的教学中，运用本教学模式的两个班级（2019 级物联网工程专业）同卷面测试的成绩超过了对照授课两个班级（2019 级电子信息工程专业），如图1所示。

图1 本教学班级（2019 级物联网工程专业）与对照班级（2019 级电子信息工程专业）成绩对比

工程实践融入教学方法改革在相关学科竞赛中也获得了较好的成绩，运用本教学模式的2019 级物联网工程专业在蓝桥杯电子信息竞赛、计算机设计大赛、节能减排大赛中分别有25 人、6 人、5 人获奖，对照班级2019 级电子信息工程专业在三个比赛中分别有10 人、3 人、0 人获奖，学科竞赛教学成果显著。

5 结束语

在国家推进新工科建设背景下，为了培养出高素质，符合行业要求的应用型、创新型复合人才，积极开展嵌入式系统及应用课程教学改革，采用工程融入实践、项目化的教学方式，使学生在实践中将所学理论知识与工程实践相结合，有效培养学生的动手能力、创新能力、工程实践能力和团队合作能力，使学生成为物联网工程领域的应用型人才。