面向创新能力培养的教学方法改革研究*

屈剑锋 王雪 尹宏鹏 魏善碧 （重庆大学自动化学院）

一 引言

创新型人才培养是国家经济发展的重要基础，为适应新发展形势下对人才的需要，培养具有创新能力的学生对社会发展具有重要意义。因此，加强对学生创新能力的培养是目前高等学校必须重视的问题[1,2]。为实现创新型人才培养，教师要在专业教育基础上，更新教育思想和教育观念，转变学生学习理念，促进学生形成创新意识与思维，发展自身创新能力。嵌入式系统在工业控制、医疗设备、公共交通、智能家居、信息通信等领域有着广阔的应用[3-5]。由于嵌入式系统的应用性、实践性较强[6]，学生在学习过程中需要综合多方面知识并发挥创造力才能真正掌握嵌入式相关内容和完成嵌入式实践。因此，将嵌入式系统课程作为学生创新能力培养的基础，以此为驱动对嵌入式相关课程进行教学改革，有助于培养学生的创新能力。

二 嵌入式系统教学面临的主要问题

除了传统教学存在的例如以教师为中心、以讲授为主要方法、教学互动沟通不足、对学生个人能力不加区分等问题，嵌入式系统教学存在其自身特有的问题。

首先是嵌入式系统课程相关体系不够完善。从对开设嵌入式系统课程的国内多所高校的相关专业调研发现，目前，部分相关专业及其相关的课程体系稍显混乱，基础课与专业课缺乏有效的内在关联性，后续课程与嵌入式系统相关课程之间缺乏有机的连接。

其次是嵌入式系统课程理论与实验教学学时分配不合理。嵌入式系统课程需要教师和学生花费大量的时间和精力进行实践调试和操作，但多数专业其嵌入式系统课程大部分的学时用于理论教学，只有少量的学时用于实验教学，这种学时的分配对嵌入式课程缺乏合理性。

再次是嵌入式系统实验教学根据实验设备而定，造成实验环节与实际应用脱节，实验课流于形式。学生在实验教学中，仅根据实验指导书步骤进行操作，当实验环境发生改变，学生就会难以适应，不利于其创新能力的培养。

最后是嵌入式系统课程相关师资经验的缺乏。嵌入式技术集成了硬件设计和软件开发等多门学科，该课程对相关教师的设计与开发经验要求较高，目前，部分高校相关专业教师缺少实际嵌入式项目开发经验，因此，教师的授课内容很难与企业实际工程项目接轨，从而学生难以获得实际的嵌入式开发经验。

三 嵌入式系统教学课程改革思路

针对嵌入式系统教学中存在的问题，通过课堂精讲、课外探索、团队合作、个性化培养、开放式教学等方式，实现创新型人才培养目标。从嵌入式系统课程教学体系结构、课程理论教学内容和模式、实践教学环节几个方面进行改革，如图1所示。

图1 面向创新能力培养的嵌入式课程改革思路

1 完善嵌入式系统课程教学体系结构，培养创新能力

嵌入式系统课程教学体系应由基础培养和个性化培养组成，着重培养学生的实践能力，努力发展学生的创新意识和思维。根据国内外先进教学理念，构建如图2所示的嵌入式课程创新能力培养体系。创新型人才的培养需要坚实的课内理论知识，也需要课外科研、实践能力的训练，这个过程需要教育者和学生共同努力。基础创新能力培养体系包括课程理论学习和实践能力培养。通过学习课程基础知识，为实践和应用打下理论基础。通过实验教学、课程设计等环节，让每个学生都能够把所学的理论知识应用到实际问题当中。基础培养是针对所有学生的，因此每个学生都要接受一定的创新训练。个性化培养针对少数学生，促进能力较强和对嵌入式相关课程感兴趣的学生的发展，通过参加学科竞赛、组建创新团队、参与大学生科研训练计划和国家创新实验项目等课外实践，满足不同能力学生的发展需要，使学生充分发挥自己的能力，促进自身更优的发展。

图2 嵌入式课程创新能力培养体系

2 改进嵌入式课程理论教学内容和模式，激发学生创新意识和思维

通过改进嵌入式课程教学内容和模式，帮助学生更好地掌握课程重点内容，促进学生创新能力发展。嵌入式系统具有综合性强的特点，它涉及硬件软件相关知识，需要数字逻辑电路、汇编语言、操作系统等课程作为基础[7-9]。仅学习单一课程难以充分掌握嵌入式系统开发的所有知识和技能，因此，不同专业对于嵌入式系统教学内容的选择应根据专业自身需要而定。在教学过程中，教师应该把握课程重要理论知识，适当增加实际案例来适应社会发展、技术发展的需要，努力激发学生学习嵌入式相关课程的兴趣，让学生从实际案例的分析、设计、解决、评价等一系列过程中锻炼真正分析实际课题、解决问题的能力。除此之外，还可以通过设置网上学习任务、在线答疑等方式促进学生在课外的学习。在理论学习中，教师根据具体教学的需要，通过案例式、启发式、讨论式等多种教学模式更好地帮助学生学习基础知识。在实践锻炼中，教师通过引导学生进行自主探索，让其发挥创造力解决实际问题，在学生与学生之间、学生与老师之间形成对话，通过引发好奇、讨论交流、质疑解惑的方式，让学生在锻炼自身各方面能力的同时，激发创新意识和思维，形成科学思维方式，为培养创造能力创设情境并提供条件。

3 课内外相互融合改进嵌入式实践教学环节，培养实践创新能力

通过“学做结合”改进嵌入式实践创新能力培养模式。密切结合学生的专业学习，针对不同年级学生的具体条件和实际需求进行分层次分方向培养。学生将按照“理论学习-知识点实践-任务级实践”这样“做中学、学中做”的培养模式来提升其实践创新能力。根据学生特点组建侧重点不同的科技创新团队，有针对性地为不同团队提供实践内容，让学生尽早参与到项目管理、科学研究和工程实践中，促进学生科学素质、创新精神和实践能力的发展。采用新技术方法，改进实践创新能力培养手段。将计算机虚拟仿真技术应用于嵌入式实践教学中，使知识从抽象变为直观，实现对学生“虚拟-实际-创新”的实践创新锻炼，培养学生的创新精神和实践能力。鼓励学生根据自身情况选择实践项目，真正走进实验室，参与到科研项目研究中。加强实验室开放管理，充分利用实验室课余时间，同教务部门进行协调，将学生的课程安排整齐划一，以便给学生和实验室留出完整的时间段来安排科研项目研究，最大限度地利用实验室资源来加强对学生实践创新能力的培养。

4 将科研项目和竞赛融入嵌入式教学环节，促进创新意识和能力融合

以实际项目为驱动[5,7]，改进嵌入式创新能力培养模式。通过组织科研训练团队，将课程组教师相关科研项目进行任务分解，形成若干相对独立的科研实践任务，通过创新实践平台向学生发布。学生可根据自己的兴趣和能力选择参加不同的科研项目，从而调动学生参与实践创新的主动性。利用研究型大学的“研究”资源，建立基于研究项目的教学模式，启发式地引导学生把已有的科研项目中的知识理论应用到嵌入式学习过程当中，从而更加深刻地体会和理解嵌入式系统中的重难点。教师对学生完成的科研项目进行验收，分析总结学生在完成项目过程中的优缺点及创新点，帮助学生进一步认识自己的能力。学生在解决实际科研项目问题的过程中，其想象力、设计水平、分析解决问题的能力等都会得到明显的改善。通过具体工程项目让学生得到更具创新性的实践锻炼。鼓励学生积极参加各种竞赛，使学生体验在规定时间内完成指定项目任务的经历，在竞赛过程中锻炼自己各方面能力。学生在竞赛过程中能够体会到知识的重要性，同时能锻炼其耐心、承受力等，对学生未来的发展具有好处。在学生参与科研项目研究和参加竞赛过程中，教师应该帮助学生全发面发展，同时应尊重学生的个性，帮助学生自由发展，让学生在个性化发展的过程中，逐渐将创新意识与创新能力进行融合。

四 创新型人才评估方法

为适应创新型人才培养模式，针对现有教学评价方法存在的如偏重教师评价、成绩标准，对学生创新意识、人文素养、沟通交流能力等涉及甚少的问题，提出新的评估方法。在评价过程中，除了教师对学生学习过程的总结与评价，更为重要的是学生本身在学习过程中对问题的思考、学生能力的发展。教育者需要改变以考试为唯一标准的评价方式，将学生在嵌入式系统学习过程中的各种表现作为考核对象[10]，如图3所示。

图3 创新型人才评估方法

对学生创新能力的评价，教师可以从四个方面综合进行：一是思维能力，需要评估学生在学习过程中是否有清晰的思路、对问题全方位的分析、多种解决方案、正确的观点等。二是学习能力，关注学生是否能够利用相关知识解决现实问题，是否有查阅相关文献资料的能力，能否自学理解课内不涉及但是实际应用中会用到的知识等。三是动手能力，观察学生能否熟练使用相关软硬件设备，能否根据流程完成实验操作，能否亲自完成所研究的项目等。四是研究能力，考查学生是否具备探究精神，是否使用正确的研究方法，是否把握项目的研究意义，能否完成相关科研项目等。除此之外，教师要发现学生在进行学习活动中的优点与缺点，对学生所表现出来的智慧、态度、品质等进行全面的考察，在整体层次上对学生的表现做出综合的评价。对创新型人才的评估，既要测试学生对基础知识的掌握情况，又要判断学生各方面能力的发展情况，还要对学生在学习活动中的情感和伦理道德观念做出一定的评析。教师应该帮助学生进行学习情况总结与反思，重视现有知识与能力、情感与态度等对未来学习的影响，着眼于学生今后的发展。

五 结语

将应用创新型能力培养方法融入嵌入式系统教学中，通过设计基础创新能力培养体系和个性化创新能力培养体系两个方面进行“创新型人才培养”模式的研究。兼顾理论重在实践，以学生为本对教学内容进行改进，将课外实验、科研项目、竞赛等引入教学，让学生体验多种教学内容，激发学生创新思维。将讨论式、案例式等多种教学方法运用到教学过程，调动学生积极性，发挥学生主体作用，让学生主动完成学习任务。教师在学生创新能力培养的过程中起引导作用，帮助学生养成良好的学习习惯，努力发展学生思维，培养学生创新能力，推动嵌入式相关课程体系教学改革。