新工科背景下高校《嵌入式系统》课程教学改革研究*

新工科背景下高校《嵌入式系统》课程教学改革研究＊

摘 要：自新工科概念提出以来，新工科背景下的教育已成为我国极为重要的人才战略。新形势下，作为第四代工业革命核心技能的嵌入式系统，其相关课程也是推动新工科专业发展的重要综合类应用型课程。本文通过对目前嵌入式系统课程教学现状进行相关研究，分析了嵌入式课程理论教学和实践教学中存在的问题，提出了在新工科背景下教学内容、教学实践、教学考核等方面的针对性建议。在新的工科背景下，开展嵌入式系统课程教学改革研究，有助于培养学生的自主创新能力、电子产品设计能力，提高教学效果，对教学改革实践将产生深远的影响。

关键词：

新工科；嵌入式系统课程；教学改革研究

●前言

新一轮的产业变革和科技革命正在加速演进，逐步形成了新经济发展模式。新形势下，为了适应当前新经济的快速发展，应对科技革命，教育部提出了有关新工科教育建设的重要改革对策，要求各高校积极开展新工科专业教育建设，以培养能适应新科技时代快速发展的新工科人才为教学目标[1]。在新工科教育的大背景下，嵌入式系统课程已发展成为第四代工业革命的核心技能，同时也是推动相关新工科专业发展的重要专业课程之一。在推进新工科建设过程中，协同育人、校企合作等词汇频繁出现在大家视野中，在教育行业不乏围绕其所开展的研究，例如“复大共识”、“天大行动”、“北京指南”，在分析国内新工科发展的基础上，在教育理念、人才培养、教学模式等方面提出新想法，为国内高校工科教育提供参考[2]。为适应新工科人才培养的需求，国内嵌入式系统课程进行了相应调整，主要围绕工程教育新理念、学科专业新结构、人才培养新模式、教育教学新质量、分类发展新体系来开展，注重培养学生的实际操作和创新能力。对比传统工科教育已有显著突破，但目前嵌入式系统相关课程教学还存在不足之处。如

何更好地适应新工科的发展背景，用新模式、新理念调整优化嵌入式系统课程教学，培养满足行业需求的嵌入式应用系统开发人才，是我们当前面临的课题也是挑战。

●嵌入式系统课程的特点

嵌入式系统课程是一门综合通信、计算机、电子信息等多门学科交叉应用性和实践性很强的课程[3]。近年来，嵌入式系统设计和开发得到了广泛应用与推广，深入社会各领域电子产品中，成为了当下最具发展前景的热门领域之一。嵌入式系统课程也成为了高校电子信息类等新工科专业极为关键的一门应用型课程[4]。该课程作为一门综合类专业课程，其涉及的知识范围非常广泛，在正式教学开始前，需要学习相关的基础知识，包括：模电、数电、C语言、单片机原理及应用等相关课程。在教学过程除了需要夯实基础理论知识外，还要求学生有丰富的实践经验，并具备一定创新能力。

●嵌入式系统课程教学中存在的问题

新工科专业教育在探索中前行，在相关部门和众多学者的共同努力下，相关的专业课程教学模式逐渐趋于成熟，但还有待完善。就嵌入式系统课程教学来说，目前依然存在着一些问题。

1.学校教学和社会需求脱节。目前，部分高校在嵌入式系统课程的教学中更注重理论知识的教学与考核，而忽视了培养学生将理论知识和社会实际相结合的能力。在相关行业领域嵌入式人才缺乏，行业入门要求高，如何根据社会需求培养出满足行业要求的专业人才成为一大难题。同时学校中的实验课程和社会行业领域中的工程实践存在较大差别，也就意味着目前的教学还难以保证学生能真正拥有结合实际进行嵌入式系统的开发和设计的能力。

2.教学资源紧缺。嵌入式技术发展迅速，教学资源难以与前沿技术发展同步，传统的嵌入式系统课程教学在理论和实验方面都难以达到行业要求，实训装置相对来说比较陈旧，先进的装置数量少，只能保证基础的实验教学，难以满足对新时代科创人才培养的需求。由于资源限制，部分高校学生在学校并没有丰富的实践机会，难以真正将理论与实际相结合。

3.考核方式有待完善。在课程成绩考核方面，大部分高校采用的考核方式相对传统，多为卷面考试、考勤、分组任务、平时作业，最终成绩按不同占比来核算，以是否及格作为主要区分，其中卷面考试占有较大比重。因此其考核结果难以真正反映学生掌握嵌入式系统课程的程度，容易导致学生在考试中以应付考试合格为主要目的，而没有真正将基础理论知识内化到自己的知识体系中。将理论知识付诸实践操作的机会少，实践经验不足，且在完成设计任务时，更多的是借助现有的资料，而缺乏独立思考的部分。

4.以教师指导为主，学生缺乏自主学习，学习动机不足。嵌入式系统是一门理论知识和实践紧密联合学科，需要学生具备一定的创新和实践能力。而在教学中更多是以教师指导为主，学生缺乏自主设计的机会和能力，一方面不利于学生科创能力的培养，另一方面学生难以切实感受到参与嵌入式项目开发的乐趣和成就感。同时在课程正式开始前，学生对该门课程相关的教学目标、实际应用以及其意义方面缺乏较为系统的了解，学习目标不够明确，教学一开始就接受较为枯燥单一的理论知识，在后续学习过程中容易缺乏适当的学习兴趣及动力。

5.实验课时安排不足。通常大部分高校嵌入式系统课程课时安排在一个学期内，在较少的课时学习中很难系统深入地学习嵌入式系统所涵盖的各个方面知识，要想学好嵌入式系统不仅需要掌握扎实的理论基础，同时也需要具备实践能力，两者必不可缺，而这些都需要充足的教学课时。目前大部分高校在课时安排中往往容易出现实验课时安排不足的情况，从而导致学生在课程结束后将理论灵活应用于实践的能力依然不足，还会导致学习缺乏系统性。

●嵌入式系统课程教学改革建议

目前，为了实现从工程教育大国走向工程教育强国的目标，我国将新型工科和传统工科相结合构建新学科，新工科建设以新经济发展作为背景，创建顺应时代发展的特色工程教育体系，在实施工程教育人才培养的模式上进行了大胆地改革[5]。在新工科专业中，包括电子信息工程、自动化等大热门专业都需要开设嵌入式系统课程，而传统教育模式难以满足新工科背景下嵌入式培养要求，需要通过改革形成较为完善的人才培养机制，关注学生学习兴趣以及未来规划，重视团队协作、工程实践以及创新能力方面的培养。

1.以学生为中心，激发学生学习动机和学习兴趣。课程教学需要转变传统的以教师传授知识，学生被动接受知识的教学模式，教师在教学中主要是帮助学生主动发现学习，起到一个引导的作用，教学的中心应该是以学生为主。根据耶基斯—多德森定律可以了解到，学习动机能够激发学生的学习行为，同时激发学生适当的学习动机也有利于学习任务的高效完成。因此我们可以通过在正式开始有关嵌入式系统基础理论知识的教学之前，开设一堂针对嵌入式系统相关问题答疑的课，让学生对课程有一个初步的了解，可以提前搜集学生有关该课程个人理解方面的疑问，为学生答疑解惑，同时向学生普及该课程在各领域尤其在本专业方面的一个具体应用，以及通过学习该课程以后我们能够收获到什么。学生对嵌入式系统课程建立起正确的认知和预期，对学习该门课程产生期待，从而提高学习兴趣和动力，进一步判断需要提前具备哪些知识以及在学习过程需要着重学习和练习的方面，拟定自己的学习计划以提高学习效果。

2.灵活运用混合式教学方式，可以大大提高教学效率。采用线上和线下教学混合方式，线上知识点微课方便学生碎片化提前预习或复习。教师可向学生布置自主学习任务，添加任务的趣味性及可达成性，使学生在学习中产生浓厚的学习兴趣和成就感。要求学生整理预习中的疑问以及拓展思考，在线下课堂上提出问题，学生可以先相互讨论，老师答疑和补充。在线下授课中需要注重学生和老师、学生和学生之间的互动，引导学生通过发现学习内化专业知识，搭建理论框架，形成融会贯通的知识体系。该教学方式是个性化教育实施的有效形式，是适合现在信息化时代的新教学方法，同时也能大大提高教学进度和效率，预留更多的实验课时。

3.开展项目式教学，培养学生实践能力。形成多个项目小组，保证项目的丰富度，既有教师带队的小组，参与教师科研项目开发的过程；也有自主创新小组，鼓励学生积极创新。尊重学生个体差异，让学生根据自己当前的能力水平和兴趣选择参加项目组，在项目开发过程培养专业技能、团队协作。学生可以在项目任务基础上，结合实际生活，集思广益，拓展任务。教师在前期准备工作中事先明确具体要求，鼓励学生积极拓展思维，提出更多创新想法，保持思维的活跃性。先由小组讨论拟定初步方案，明确小组分工、预期成果和预计创新，再进一步展开工作，通过合理分工将团队力量发挥到最大，在规定时间内高质量完成任务。

在这个过程中每个人收获到的不仅仅只是专业能力方面的提高，还有统筹规划、合理分工、团结合作等方面的能力。对于新工科人才的要求并不仅仅停留在专业能力方面，同时还包括个人的人文素养以及团队合作等方面。

4.完善校企合作，搭建专业人才培养平台。按照目前科技和经济发展以及新工科建设对专业人才的需求来看，不仅要求学生掌握充足的理论知识，更需要有一定实践经历的综合型人才，为应对这一要求，各高校可充分利用资源与行业内企业建立联系，由企业提供项目实训平台。不同于学校内的实验课程，企业可以提供更多实训机会，并且企业中的项目通常更加贴近现实生活，学生在掌握较完备的基础理论知识后可以将其灵活运用于实际项目开发中，将专业知识与真实生活进行联结，了解相关行业领域的现状和未来发展方向，从而帮助学生对日后学习研究及工作方向有一个更清晰的规划，为毕业后就业或是继续深造打下坚实的基础。同时搭建校企合作平台也需要一定的政策支持，由相关部门协商制定政策，可实现多方获益。

5.适时调整教学内容，顺应新科技时代的快速发展。由于行业发展迅速，以往的教学内容难以满足学生就业要求，学习内容相对比较陈旧。因此需要在新工科人才培养要求的基础上，根据社会和企业的需求适时调整专业课程的培养方案，筛除不必要的陈旧内容，了解时代发展的需要和最新的前沿科研成果，不断更新教学内容，区分侧重点，重视对前沿知识的传授。新工科专业的突出特征之一为跨学科融合性，各学科之间具有一定的互补性，因此还需要统筹安排，增强各学科间的联系，将学科与学科、理论和实践更好的衔接起来。

6.形成完善的考核体系，保证教学质量。由于以往的考核体系较单一、陈旧，针对性不强，容易出现学生为应付考试而学习，而并未真正掌握、内化专业知识。因此为保证教学成果的质量，应该本着全面考量、公平公正的原则，采用多种考核形式，丰富评价指标，建立较为完善的考核体系。考核形式包括试卷检测、小组任务、个人实验、考勤、课堂表现等，综合成绩按加权平均数统计，其中在小组任务汇报中可以以各自汇报自己负责部分的形式展开，在考核中除了理论知识的考核外，还需要尤其注重学生创新思维、实践能力、团队协作能力等方面的考核。

●结语

随着新工科理念的提出，新工科专业建设和课程改革得到进一步发展，并引起了国家、社会、各高校的高度重视。在电子信息类等专业中，嵌入式系统课程有着举足轻重的地位。在新工科发展的新形势下，需要对其课程教学进行改革以适应发展，突破传统教学模式，在扎实理论知识的基础上尤其要重视学生实践创新、团队协作能力的锻炼和提升。吸取总结已有课程教学改革的经验和相关研究，逐步完善教学方案和人才培养模式，培养出大批能满足未来行业要求的、高素质的新工科人才，为国家和社会的蓬勃发展注入坚实力量。

参考文献：

[1]吴爱华,杨秋波,郝杰.以“新工科”建设引领高等教育创新变革[J].高等工程教育研究,2019(01):1-7+61.

[2]王轶卿,张翔. 新工科建设中实施课程思政的理论与实践[J].河北师范大学学报：教育科学版, 2020, 22(6):4.

[3]黄克亚, 吕勇, 黄俊. 新工科背景下《嵌入式系统开发》课程改革与实践[J].中国电力教育, 2021(000-003).

[4]张苗辉, 张博, 宋俊玉,等. 嵌入式系统开发课程教学改革的探索与实践[J].科技创新导报, 2020, 17(4):2.

[5]郑来芳,吕玉良.新工科背景下“嵌入式原理与应用”课程教学方法改革与实践[J].科技与创新,2021(24)::10.15913/.2021.24.055.

基金项目：2019年度山东师范大学优秀教学成果培育项目“新工科背景下电子信息专业个性化人才培养体系的构建与实践”（项目编号：M2018X252）

第一作者简介：周茂霞（1974,2）女，汉族，山东济南人，副教授，硕士，研究方向为电子信息工程、教育信息化。