【摘要】新興產業和新經濟發展所提出的“新工科”理念給工程人才的培養及課程教學與改革帶來了很大挑戰。本文針對“嵌入式系統”課程教學中存在的課程內容陳舊、教學模式單一、考覈方式固化等問題，圍繞教學策略實施、教學內容重構及考覈方式改革等內容，提出“嵌入式系統”課程改革的理念與思路。
【關鍵詞】嵌入式系統；教學改革；新工科
引言
當前，國家“創新驅動發展”“互聯網+”等系列戰略的實施，使以新技術、新業態、新模式、新產業爲代表的新經濟受到廣泛關注並得到快速發展。新形勢與新戰略對我國傳統的工程人才培養提出了挑戰，迫切需要大量工程實踐能力強、創新能力強、具有國際競爭力並能適應未來發展的高素質複合型的“新工科”人才[1,2]。爲此，教育部發布了《教育部高等教育司關於開展新工科研究與實踐的通知》，提出了以“新工科”建設爲主題的高等學校工程類專業教育改革的新概念[3]。而嵌入式系統不僅是一項綜合多個領域知識的工程應用技術，也是物聯網和大數據行業等新興領域的重要組成部分[4]。因此，如何能適應“新工科”背景，以新理念、新模式更好地開展“嵌入式系統”課程教學，對提高嵌入式系統技術工程人才的培養質量具有重要的意義。
1“嵌入式系統”教學存在的問題
近年來，隨着嵌入式系統技術在智能交通、工業控制、日常生活等領域的廣泛應用，爲應對市場需求，培養嵌入式系統設計工程人才，國內衆多高校開設了嵌入式系統設計及應用的相關課程。“嵌入式系統”課程具有綜合性強、內容寬廣、軟硬件結合、實踐性強等特點[5]，而在實際教學中常常存在課程內容陳舊、教學模式單一、考覈方式固化等問題，無法滿足新經濟的發展要求，具體情況如下。
1.1課程內容陳舊，理論技術性弱
目前，一方面，“嵌入式系統”課程內容基本是基於具體特定的微處理器芯片（如ARM7）及與其對應的指令系統、軟件開發環境展開，而缺少嵌入式系統理論和嵌入式設計方法的總結與研究，從而造成了學生針對嵌入式系統的理論基礎差、分析解決問題能力弱[6]；另一方面，嵌入式系統技術及其微處理器技術發展迅速，新的微處理器、接口、總線等不斷出現新的產品和標準，如ARM處理器早已發展到Cortex系列，導致已有的基於特定處理器芯片的課程內容嚴重滯後於快速發展的行業技術應用。
1.2教學模式單一，學習主動性差
傳統“嵌入式系統”課程教學多以基於PPT的固定教學方式爲主，由於課程內容多而課時少，教師往往容易從自身角度出發，專注於講解知識點，急於在有限的課時內完成課程的`教學任務，且常常沒有結合系統在實際設計中的工程問題來引導學生。這種以教師講解爲主的教學模式，一方面不能很好地調動學生的學習興趣和主觀學習動力；另一方面教師的講解容易流於程式化，使課堂氛圍缺乏活力，難以在授課的過程中真正鍛鍊學生的創新性思維能力。
1.3考覈方式固化，綜合素質培養缺乏
目前“嵌入式系統”課程的考覈方式普遍爲“平時成績+期末考試成績”的方式，而佔有較大比例的期末考試一般採取紙質試卷考試。這種傳統的考覈方式結構僵化，忽略了學生對知識的掌握及綜合應用能力的評價反饋，不利於提高學生解決工程問題的能力。
2“嵌入式系統”教學改革與探討
針對上述問題，圍繞“新工科”工程教育改革的新理念、新結構、新模式、新質量、新體系，以工程教育爲目標對“嵌入式系統”課程教學進行改革，具體內容如下。
2.1課程改革的基本思路
“嵌入式系統”課程改革的基本思路如圖1所示。面向“新工科”人才培養，以學生綜合能力提升爲目標，透過教學策略（教學模式）實施、教學內容（理論教學與實踐教學）重構及評價反饋（考覈方式）改革等手段，圍繞“以學生爲中心”的理念與宗旨，最終實現本課程在人才培養中所發揮的實際效用，提高學生的工程實踐能力及創新能力。
2.2課程內容與課程資源建設
面向“新工科”人才工程實踐能力、創新能力所對應的知識體系，梳理“嵌入式系統”課程的知識點，修訂教學大綱和重構教學內容。課程內容包括理論課程與實踐課程兩大部分。
（1）在理論課程內容方面，強調對嵌入式系統理論和設計方法進行介紹。課程設定內容包括嵌入式系統規範與建模方法（通信有限狀態機、數據流等），嵌入式硬件組成（傳感器輸入部件、處理單元、內存、通信協議、執行器輸出等），系統軟件（嵌入式操作系統、硬件抽象層等），系統性能評估與驗證方法，實時系統調度策略等。課程內容講授的思路與要求包括3個方面。①從設計方法學的角度，講解對嵌入式系統進行規格定義與建模、性能測試驗證的方法，要求學生掌握從獲知嵌入式系統應用需求到完成應用系統架構設計、關鍵模組設計、系統測試驗證的完整設計流程與分析方法，培養學生面向不同領域的不同應用進行工程設計的能力。②按照嵌入式系統的組成部件類別，從硬件（處理單元、內存、輸入/輸出部件等）到軟件（實時操作系統、實時系統調度策略等）進行系統的介紹，強調各組成部件的特性及在嵌入式系統設計中需要關注的核心功能，而不針對具體特定的芯片及軟件開發環境展開。例如，處理單元的介紹將會從ASIC、通用處理器、可編程器件這樣不同類型的處理單元在嵌入式系統中應用的特性和優勢展開，具體的微處理器芯片（ARM7）的手冊會作爲課程補充材料在課程網絡平臺上公開，學生可以在課外自行閱讀。③針對每個類別的講授內容，根據最新的技術發展進行知識補充和擴展。比如，在講授嵌入式處理器的時候，會讓學生預先結合身邊的應用（手機等）瞭解其中核心處理器的發展趨勢，在課堂上先安排學生進行小組討論和陳述，教師再進行總結。如此安排既體現了基礎性，又體現了先進性。
（2）在實踐課程內容方面，將實驗內容分爲硬件接口實驗、程序設計型實驗及綜合型實驗3個層次。①硬件接口實驗基於微處理器指令系統直接對嵌入式系統接口進行操作，要求學生熟悉典型微處理器的組成結構及寄存器的讀寫/方法、基本指令集及基本總線標準等基礎知識。②程序設計型實驗要求學生在加載了嵌入式操作系統的環境下，採用進階語言對一個簡單的應用系統進行設計，如可調直流電機轉速顯示系統、MP3音樂播放器，讓學生掌握“系統”的概念，熟悉嵌入式系統完整的設計流程。③綜合型實驗側重於一些創新的系統設計，實驗內容可以來自教師的科研項目或者一些嵌入式系統設計競賽的案例，如智能家居系統設計、便攜式心電監測儀設計、智能小車設計等。透過“案例/項目”驅動的實踐教學，使學生了解所學的理論方法和基礎設計知識在實際中的應用，培養學生分析和解決實際問題的能力和創新意識。在課程資源方面，開發課程網絡平臺，用於發佈與課程內容相關的視頻、文檔等資源。課程資源建設列表如表1所示，主要包括3大部分。基礎資源：授課內容涉及教案、課件、習題、經典微處理器的芯片手冊，以及嵌入式軟件開發工具包等；拓展資源：介紹最新嵌入式系統設計創新理念和產品資訊，如相關視頻、前沿論文等；工程案例庫：歷年嵌入式系統創新大賽的獲獎設計案例及教師科研團隊的相關成果。透過這些課程資源的建設，激發學生主動學習的興趣，拓寬學生視野，進一步鞏固對課程內容的掌握。
2.3教學模式及教學策略改革
“新工科”背景下工程能力培養不是單一知識點的疊加，而是全面的綜合能力培養，是對創新、實現、合作和問題解決能力的綜合素質培養，原有的培養模式難以達到“新工科”背景下的人才培養目標[4]。因此，課程教學模式改革旨在探索以工程案例爲核心的問題導向式、發現式、啓發式、討論式及翻轉課堂式教學方法，致力於培養學生主動學習的能力，形成“以學生爲主體，教師爲主導”的教與學模式，提高學生髮現問題、分析問題、解決問題的能力。具體在課堂教學中，圍繞“嵌入式系統”課程內容中涉及的工作原理，結合具體案例設計，有重點分層次地進行講述。比如，在講解嵌入式系統中斷傳輸方式的工作原理時，結合智能家居系統中溫溼度數據採集與傳輸的設計要求，重點講述如何採用中斷技術進行數據採集與傳輸的過程方法，包括中斷響應、中斷處理、中斷返回等，再從中斷控制器寄存器配置、中斷向量設定、中斷程序編寫、中斷信號電路設計等方面分層次講解中斷傳輸方式的軟硬件設計方法。此外，在課堂內容講授過程中，結合具體案例設計適時向學生提出問題，啓發學生思考和討論。比如，在講解協同工作的飛行機器人案例時，可以提出飛行器如何獲知周圍環境狀態資訊實現協同工作的問題，並讓學生以分組的形式進行方案討論，鼓勵學生積極參與，提出不同的想法，教師再根據學生討論方案提出具有典型性的可行方案進行講解，最終由學生自行完成驗證。
2.4考覈方式改革
傳統的考覈方式不注重學生在學習過程中解決問題的方法與思維方式，這種方式不再適應“新工科”背景下“嵌入式系統”課程對工程人才培養的要求。因此，在課程考覈方式改革中突出對學生自學能力、應用能力和創造能力的考覈，完善傳統單一的考試評分方法，加強形成性評價，從課堂練習、課堂討論陳述、課下作業、項目設計、實驗操作等多個環節對學生進行綜合考覈，實現對學生知識綜合運用能力的考覈，並根據考覈結果對教學內容進行反饋調整，最終形成一套完善的課程教學考覈評價體系。針對“嵌入式系統”課程內容安排，設定課程的考覈方式可由“平時成績+實驗成績+期末成績”組成。其中“平時成績”佔總成績的30%，包括課堂練習、課下作業的完成情況，以及每一次課堂討論中學生的參與度和表現情況。“實驗成績”佔總成績的40%，考查學生每次實驗操作和實驗報告完成情況。“期末成績”佔總成績的30%，取消傳統的期末筆試，採用考查學生項目設計完成情況代之。具體來說，可在整個課程期間，根據教師提出的選題或者結合學生自己的科創活動，要求學生按小組完成一個嵌入式系統項目設計，如基於Zynq的便攜式心電監測儀設計，在課程結束之前，每個小組完成總結報告，並以PPT答辯的形式參與考覈評價，獲得“期末成績”，這種形式重點關注學生學到的方法與思維方式。
3結語
本文針對“嵌入式系統”課程改革與建設進行探討，提出了“新工科”建設背景下“嵌入式系統”課程改革的理念和思路，並重點在教學內容、教學模式、教學評價等方面開展課程改革與建設，以適應培養具有可持續競爭力的創新型卓越工程人才的目標。
【參考文獻】
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