嵌入式技术教学中个性化人才培养的探讨

谢银波，陈小桥，郑 宏，杨剑锋

(武汉大学 电子信息学院,湖北 武汉 430072)

尊重学生个性、重视学生的主体选择和个性表达,是西方发达国家的高等教育普遍实行的人才培养模式。哈佛大学 “实现自我,服务社会”的校训体现的就是以学生 “个性”为第一位的教育理念[1-3]。

嵌入式技术以研究软硬件集成、多技术融合的复杂综合电子系统为基础。国务院于2017年在《新一代人工智能发展规划》中将人工智能提到国家战略发展的高度,意味着作为人工智能系统核心组件之一的嵌入式系统将有着更大的发展潜力和更广阔的发展空间。但限于技术起点高、实验平台单一和教学资源有限等约束,嵌入式系统系列课程,考核重点一样,学生能和会的一样,有时甚至连创新内容都一样,犹如流水线上批量生产的产品,毫无特点可言,更不用提个性化[4-5]。这种现象在国内高校中普遍存在,这与当今嵌入式技术的飞速发展和社会需求极其不和谐,没有个性和特色就没有竞争力。

武汉大学是一所综合型大学,电子信息类学科嵌入式技术类课程的教学更偏重于系统硬件及软硬件协同设计,同时,课程所在的电子信息学院亦是武汉大学综合改革试点单位,致力于培养引领未来科学技术、经济社会发展的领军人才,秉承这一理念,课程团队以 “个性化人才培养”为导向,以课程建设体系改革为动力,为培养综合性大学背景下,电子信息及计算机大类适应性强、国际化的高精专业技术人才进行了有益的探索与实践。在武汉大学综合性大学的学科背景下,凝练出了 “注重基础、突出能力、追求创新、发展个性”的高素质人才培养模式改革思路,力争通过强化实践教学体系改革,为优秀人才的脱颖而出创造条件。

1 优化课程结构，丰富教学内容

武汉大学电子信息类专业嵌入式系统与设计课程,主要面向电子信息类通信工程、电子信息工程、电子信息科学与技术、光信息科学与技术、测控技术与仪器5个专业及特色班开设,是专业主干核心课程之一。

个性化的人才培养需要有丰富的教学资源和内容为基础[6],为此,在教学内容上,课程教学团队将以往重点讲授一种实验平台技术逐步过渡到介绍多种主流嵌入式系统的 “共通技术”；从讲授基于某种特定实验平台的设计方法逐步过渡到讨论针对不同应用的嵌入式系统共性和特性问题,强调学生能适应不同的嵌入式系统和技术的变化,举一反三。针对学生在学习及个性发展趋势上可粗分为 “硬件派” “软件派”和 “综合派”的特点,教学中选取和凝练了当前三种主流嵌入式系统的开发方法和设计流程为主线进行教学,并在学时数分配及教学内容上做了相应的调整,主要包括以下4点:

1)将原来36学时理论教学调整为理论授课18学时,实验18学时；增开独立学分的实验36学时；

2)优化基于Intel Atom的嵌入式系统开发技术内容；

3)增加基于STM32的嵌入式系统的设计内容(含ucos及FreeRTOS实时操作系统)；

4)增加Android操作系统及应用程序开发实验内容。

实验内容上,鉴于某些技术内容已落后,精简原有的基于PXA255嵌入式系统实验内容部分；新增加了选做实验内容；同时,优化原有的Atom系统实验,新增创新设计内容,突出其应用的特点；基于自主研发的STM32嵌入式 “组合式”教学平台增设嵌入式扩展实验内容；自主研发基于Android的嵌入式教学实验平台将硬件设计与软件应用有机结合起来。将整个实验内容由以下4个部分组成:

1)基础实验——PXA255嵌入式系统；

2)扩展实验1——STM32嵌入式系统；

3)扩展实验2——Atom嵌入式系统；

4)扩展实验3——Android程序设计。

同时,为提高学生完成实验的效率,激励创新,引入 “积分制”对学生进行考核。以 “基础实验——PXA255嵌入式系统”为例,该部分实验中,设置 “系统引导实验”为验证性实验,完成可获得4积分； “串口传输实验”为综合性实验,完成可获得8积分；“KEYPAD＿LED控制设计”为创新性实验,完成可获得15积分。

按照每部分实验所设置的分值综合进行统计,各部分内容占比分别为29%、15%、17%和29%,如表1所示。由表1可见,分值布局合理,各项指标符合课程内容的分布规律。为避免学生过偏的选择行为,还在课程中要求学生在选择实验内容时,必须完成基础实验内容中分值至少30%的内容,然后才能选择扩展实验内容。

将实验平台及开发工具的使用、部分基础实验内容制作成动画课件以辅助学生自学。对每项实验内容,为鼓励学生自学,除完成基本内容外,结合工程应用,增加了进阶或自由发挥的实验内容,即提供丰富的自学资源和参考设计资料,引导和启发学生将在基础内容部分学到的知识发挥到工程实际应用中。

表1 各部分实验积分分配表 %

2 分层次、多平台开放式实验平台建设

围绕个性化人才培养为主旨的实践教学活动的开展,课程组教学团队建设了集实验教学、创新实践、工程实训、学科竞赛训练等有机融合的开放式实验平台。

首先,自2004年,学校电子信息学院先后与Intel、Google等国际知名企业公司建立了高水平联合实验室,获得包括Intel XScale、Atom系列教学实验平台、嵌入式系统优化软件工具、Android开发工具在内的软硬件资源的持续支助,如图1所示,这些多样化的先进教学装置、设备和优质教学资源的引入使得实验室在技术上保持着与时俱进,为人才的可持续性培养起到了极大的促进作用。

图1 Intel Xscale、Intel Atom系列教学实验平台

其次,实验室制订了全天候开放的管理机制,实验室建设有内部的学习和设计资料共享服务器,学生通过网站预约与公示系统即可进入实验室完成各种学习和实践活动；在开放内容上,以一些真实项目原型为基础设计了综合实验项目供学生练习,而且还设计了一些具有趣味性的综合实验供学生实践和发挥性创新。如将真实项目 “超声波河床成像系统”的部分提取形成一个 “超声波成像系统设计”实验项目,让学生完成从传感器到信号调理,从嵌入式系统到受控端,再到上位应用软件设计等一整套完整的设计及实现；再例如在综合设计实验中设计了一套写字机器人系统,供学生进行组装、实践和拓展性创新。

最后,针对有个性的学生个体存在学习重点和关注度不同,能力也各有差异,同时考虑到实验箱功能过多、不便携等弊端,课程组教学团队自主研发了基于ST公司STM32嵌入式处理器[7]的小巧、便携、低功耗 “组合式”实验平台,如图2所示。

图2 自主研发的STM32“组合式”实验平台

为降低嵌入式的学习门槛,设计了从 “零”基础入门,到进阶再到高级的层次化实验内容,方便学生在开放时间或课下进行学习和创新实践,学生根据所选实验内容也可同时选择组合的功能和接口模块开展实验,包括基本的功能模块(如按键、摄像头、网络等),以及复合功能模块(如GPS、GPRS、串口相机等),组合实验平台以 “口袋实验室”的形式开放给学生。

同时,在校教学改革项目的支助下,在总结多年实践教学经验的基础上,结合本校电子信息大类专业的特点,融合最新的嵌入式技术,自主设计完成 “ARM-Android-II型嵌入式教学实验平台”,如图3所示,用以满足不同层次学生综合及创新设计的需要。

图3 自主研发的ARM-Android-II型嵌入式教学实验平台

3 多样化的实践教学组织形式与方法

实践教学是嵌入式技术教学的重要环节,个性化的人才培养模式首先应是实践教学的多样化,这不仅是指在教学内容上要提供更多的选择,更需要在内容的设计上有启发性、引导性和延续性,让学生主动思考,学会根据需求来主导自己的设计过程,同时,还需要采用合理有效的激励机制来调动他们的学习积极性。

3.1 教学内容的选择自由化

实验开始前,学生通过课程教学日历或实验中心网站了解实验内容分组的日程安排,并根据自己的兴趣和爱好选择实验内容及时间。

对于电子信息类的学生而言,在单片机和微机原理与接口技术等课程中已学习过8位简单电子综合系统的相关知识,从8位到32位嵌入式系统的过渡需要一个过程。因而要求学生在开展自由选择实验内容之前,必须完成基础实验中至少30分的实验内容,重点覆盖基础接口部分的实验。通过这部分的实验与学习,学生可以基本掌握32位ARM嵌入式系统的开发方法,设计流程及研究重点,为后续的自由选择奠定基础。

3.2 竞争激励式教学

以竞争为驱动力,激发学生的学习兴趣,培养学生自主学习的能力,调动学生更快更好地进行动手实践,更多地将精力及重点放在创新内容上,发挥学生的特长与个性[8-10]。

在教学过程中,为限制过多的学生选择同一实验内容,同时,也为鼓励完成实验内容快且好的学生,同一实验内容按照比例限制选择人数,要求完成实验内容并通过验收的前60%学生计算为完整积分,过后完成的只能算该项实验内容积分的50%。在配发完成某项实验所需的外围模块时,在数量上进行限制,按照每次参与实验人数的60%进行发放,剩下的学生只有先完成别的实验内容,等到这些学生完成实验归还后再领取使用。

学生通过实验室网站可查询、选择并预约验收自己感兴趣的实验内容,每项实验内容最多仅允许一定比例的通过验收合格,并最高获得满积分。某项实验内容,如果在完成基本要求的基础上有扩展发挥,则有酌情加分,但不超过该项实验内容总分的50%。

3.3 “积分制”考核与评价

嵌入式系统实验现象及结果直观且具体,因此,本实验课程采用积分制的考核形式,积分制教学法是融合了学生的情感、态度、学习习惯、学习方法等因素的一种综合性教学方法。 “积分制”的评价方法,将所有实验项目按照软硬件的难易程度进行分类,并分配不同的分值,学生自由选择对应分值的实验内容,最后将所获分值累加作为自己的最终实验成绩,所获总分最高为100分。

同样以 “基础实验——PXA255嵌入式系统”为例,该部分实验中,“串口传输实验”要求单人完成,且需要当堂(2个学时内)完成并通过验收。需要学生提前做好预习和准备工作,完成基本内容即获得本项实验内容积分8分(其中,实验报告占2分),进阶拓展部分可在课外或开放实验时间完成和验收,完成进阶拓展部分实验内容的,可多获得积分6分；未在课堂时间内完成实验内容的,只能通过开放实验完成和验收,最多只能获得该项实验内容积分的50%,即4分。

部分较复杂的综合性、创新性实验内容设置较高分值,学生可以多人组队完成,且人数限定为3人以下。综合性实验设置带有启发性,旨在学生做好基础实验的基础上,借鉴基础实验中的设计方法和理念,对硬件系统的某些功能进行延伸和扩展。创新性设计则要求面向应用,自主命题、自主设计、调试并实现功能,这部分内容主要通过第二课堂、开放式实验室的形式让学生来完成。

3.4 教学与竞赛相融合

学科竞赛是对学生创新实践能力培养教学形式的有益补充,每两年进行一次的 “英特尔杯全国大学生电子设计大赛——嵌入式系统邀请赛”(以下简称 “邀请赛”)是由教育部与工业和信息化部共同主办的,以嵌入式技术为主题的本科生顶级学科竞赛之一。邀请赛不仅是对学生创新能力的检验,更是对于学生综合素质、团队协作能力及个性化发展的一次全方位的综合考验[11-12]。

邀请赛要求以当时最新的嵌入式系统为核心,自主命题,自主设计,在3个多月的时间内设计和制作出一套复杂的综合软硬件应用系统,如基于EMG信号控制的智能探险机器人、反无人机侦察兵等。对于参赛的学生而言,不仅掌握的知识点和工程技术要全面,理论与实践结合的能力要强,而且综合素质和科研能力也要高。随着邀请赛的深入开展,被邀请参赛的国内外高校趋于稳定,且都是在嵌入式技术及相关领域的精英类高校。国内外高校对这一赛事的重视和投入的程度越来越大,对于传统教学方法培养的学生要适应这一邀请赛并取得很好的成绩将越来越难,但经过邀请赛培养出来的学生的个性化能力得到了极大的提高。历年邀请赛获奖学生都成为国内高校、研究所和企业的 “香饽饽”,这足以说明其能力获得了社会的认可。同时,要培养出这一类拔尖人才,对于组织培训和指导参赛的教师来讲,无疑也是一个巨大的挑战。要能指导好学生不仅要制定好合理的教学计划,更是要不断提高自身技术水平,竞赛无疑形成一个师生相互激励,共同发展进步的良性局面。

借助于邀请赛这个平台,主观能动地将比赛的形式和方法贯穿于备赛(培训与选拔阶段)和竞赛的整个过程中,让更多的学生在竞赛阶段和非竞赛阶段参与到嵌入式系统的学习和研究中,并从中受益,是一种培养学生个性发展的有效举措。

4 教学效果

2014～2017年,学生选择基础实验、扩展实验1、扩展实验2、扩展实验3的比例对比如图4所示。从图中可以看出,比例逐渐趋于均衡化,学生的自主选择呈多样化的趋势,2014年尚未引入扩展实验1和扩展实验3的内容,因为教学内容较单一,学生个性发展受到一定的限制。

图4 2014～2017年学生选分比例图

本课程改革与建设依托武汉大学 “国家工科基础课程电工电子教学基地”和 “国家电工电子实验教学示范中心”,经过近几年的教学检验,对学生个性化的创新能力的培养,起到了较好的促进作用。课程培养学生获得武汉大学创新学分总数占学院总数的10%；获得大学生创新创业训练项目2项,校级大学生科研项目10余项；申请并获批各类专利8项；学科竞赛成绩优异,2014年、2016年连续两届在全国大学生嵌入式顶级学科竞赛—— “全国大学生电子设计竞赛嵌入式系统专题邀请赛”,指导学生共获得全国唯一最高奖Intel杯1项、全国二等奖2项、三等奖4项,总成绩居全国前列；2017年荣获全国大学生电子设计竞赛一等奖2项。

5 结束语

电子技术蓬勃发展,各行业对具有个性化且掌握嵌入式技术的人员需求与日俱增,但缺口很大。国内各高校都在积极探索以嵌入式技术为主题的个性化人才培养之路,但目前尚无定论。本文以综合性大学为背景,以培养电子信息类高素质人才为目标,在嵌入式技术课程中,从优化课程结构,分层次、多平台开放式实验平台建设,多样化的实践教学组织形式与方法等方面进行了个性化人才培养的探讨,形成了符合学校特点的嵌入式技术课程体系。经过多年的实践,对学生的个性化培养起到了积极的促进作用,教学效果较好。