面向新工科的嵌入式实践教学改革研究

陈 明，谢剑云，张 华，李 振

（浙江理工大学 机械工程学院，浙江 杭州 310018）

0 引言

当今世界，新一轮科技革命正在加速变革中，综合国力的竞争正在不断加剧，特别是高新技术产业竞争更加激烈。世界各国都在加强自身的供应链的建设的同时，积极创新工程教育，以为自身的工业基础服务。在此背景下，中国教育部在2016年提出了新工科建设这个概念，2017年复旦共识、天大行动、北京指南为新工科建设指明了方向，也是高等教育适应新经济，新产业的需要，奏响了人才培养的主旋律[1,2]。

随着智能时代的来临，特别是物联网技术的不断发展，嵌入式开发技术的应用与研究已经变得越来越重要，开设嵌入式系统应用等课程也成为时代的需要，也是物联网，智能制造等相关领域入门的非常重要的基础。因此，全国大多数高校都开设了与嵌入式开发技术有关的相关的课程，浙江理工大学机械电子工程专业是浙江省一流本科建设点，浙江省优势特色专业建设点，当然也不例外，浙江理工大学的机械电子工程专业开设了以STM32 单片机为基础的嵌入式开发课程。浙江理工大学机械基础实验教学示范中心是第一批国家级实验教学示范中心，主要是负责整个机械与自动控制学院的实验教学工作，而实验教学在本科生教育培养过程中起着举足轻重的作用，对学生工程实践、应用创新等综合素质的提高起着非常重要的作用。

嵌入式实践教学应当按照新工科的发展理念和建设要求，不断推进教学质量的创新，提高与发展，加强对学生工程应用能力的培养，对标专业认证的相关要求，以提高学生各方面的综合能力为中心，结合专业的特点，行业的需求，学校的特色，改进教学方法，不断推进同步互动式教学模式的建设，提高学生学习的获得感，努力使每一个学生都能跟上教学的节奏，真正意义上不断推进机械电子工程专业认证的建设。为了适应新时代的要求，让学生更加容易适应企业的发展，项目开发的相关要求，提高学生的各方面的综合素质，提出在嵌入式实践教学过程中，要注重学生的设计思维的培养，强化学生能够解决更加复杂，更加困难问题的能力，以使学生毕业后能够尽快地融入社会。在教学手段方面，引进Proteus 虚拟仿真平台，以项目制为基础，实现虚实结合，使学生不受时间和空间的限制，以较低的成本践行新工科的各项要求，为机械电子工程专业认证的建设提供了一个比较好的思路。同时也对嵌入式实践教学最终的考核方式进行了变革，以期能够从多方面对学生的综合能力进行评价，为嵌入式实践教学的新工科提供衡量标准，为社会提供符合要求的人才，让浙江理工大学的学生都成为能创新、有创意、懂工程、会管理、勤实践的综合素质较高的，工程应用能力较强的社会科技人才。文章从教学模式、教学思维、教学手段、教学形式、教学评价体系等方面，对基于新工科教学理念的嵌入式实践教学体系进行阐述。

1 改革教学方法，推进同步互动式教学模式建设

为了适应新时代的发展要求，高校的工程教育应当基于新工科建设的相关要求，创新人才培养模式，不断改进人才培养的质量，具体到嵌入式开发实践教学过程中，应当根据当今社会的时代特点，顺应新时代的本科生思想状况，对日常教学活动进行分析，对老师的教和学生的学进行分析，努力找出规律性的东西，加以改进，实现教学模式的不断创新。

（1）嵌入式实践教学需要实现理论教学和实践教学之间的互动。

嵌入式实践教学需要实现理论教学和实践教学之间的相互互动，既要让学生掌握非常深奥的原理知识，又要让学生嵌入式实践过程中得到锻炼，实现嵌入式基础知识的快速转化。因此在教学的过程中，应当以学生的学习能力的提高为中心，让一些非常复杂的理论融入到虚拟仿真，实验实践等环节中，让学生在学习的过程中能够边学习边练习，能够对一些复杂问题进行思考，提高学生运用所学知识解决现实问题的能力[2-4]。

（2）嵌入式实践教学需要实现老师的教与学生的学同步，课堂中要实现教学的快速响应。

课堂教学不是老师的个人作秀，而是需要学生的配合，两者之间需要有互动。老师需要把学生带入到相应的情境中，学生思考老师提出的问题，并根据自身的情况提出问题，只有两者之间实现真正意义上的交流，才能调动起学生的学习积极性，才能使课堂效率不断提高。建立师生之间的友好关系也能有助于学生的个人发展。课堂教学应当每一个学生都参与进来，共同解决一些复杂的嵌入式开发的技术问题，促进学生对理论知识的理解，可以启发学生的创新思维，培养学生的创新能力。

（3）嵌入式实践教学需要实现学生学习嵌入式技术与嵌入式系统应用两者之间的同步。

学生学习嵌入式技术与嵌入式系统应用两者之间的同步，加速理论应用实际的速度。嵌入式系统应用这类课程的应用性比较强，主要体现在嵌入式实践教学过程中，落实在嵌入式系统的各种实际过程中。通过嵌入式硬件实验，Proteus 虚拟仿真平台、口袋实验室、课程设计等多种方式，调动学生的学习积极性，提高学生的学习兴趣，使学生能够更有效地利用自己的时间和空间，实现高质量实验资源的共享，让学生能够更好地实现学习与嵌入式系统应用的同步。

（4）嵌入式实践教学需要实现学生学习嵌入式技术与课外科技竞赛之间的互动。

学生学习嵌入式技术与课外科技竞赛之间的互动，加速学生所学知识的融合，加强学生解决复杂实际问题的能力。鼓励学生和组织学生参加大学生机器人大赛，大学生电子设计大赛等各种类型的学科竞赛，并努力取得比较好的成绩，这某种程度上充分调动了学生们参与嵌入式实践活动的积极性，对学生综合能力的培养起着非常大的促进作用。

（5）嵌入式实践教学需要实现学生的学习嵌入式技术和产学研之间的同步互动。

学生的学习嵌入式技术和产学研之间的同步互动，让各类的科研经验科研成果融入到嵌入式实践教学过程中，积极组织学生参与老师的科研项目中去，同时也鼓励学生自己申请浙江省和国家的产学研科研项目，努力构建出各种各样的嵌入式系统应用平台，以使学生能够更好地适应社会的发展，为培养学生的综合能力提供了非常重要的保障。

（6）嵌入式实践教学需要积极推进同步互动式的教学模式。

从新工科建设的理念出发，在嵌入式实践教学过程中积极推进同步互动式的教学模式，改变原来理论授课和实践教学分离的模式，强调了互动的重要性，融洽师生之间的良好关系，改变了老师单边授课的方式，而是实现多渠道教学的互动，老师的角色也发生转换，由单纯的授课者转变为学社的指导者，启发者，助推者，由以前的被动的学习，转变为积极地参与各种类型的教学活动和科研活动，能够更加灵活主动去学习各种嵌入式系统应用知识，学习嵌入式的理论知识不再是那么枯燥无味的，能够激发学生的积极性，趣味性，更重要的是能够自主地给自己定学习目标，不断提高自身的创新能力，学生的参与积极性也比较高，由此可见应该积极地改进教学方法，推进同步互动式教学模式的建设，让高校的学生能够从中受益，充分体现“以学生的学习为主体，以教师为指导者，启发者”的教学理念。

2 改革培养方式，促进学生创新思维的形成

（1）嵌入式实践教学需要培养具有设计思维，创新能力的新时代的人才。

新工科建设要求各高校培养具有创新思维及创新能力的新时代的人才，同时它也是提高大学生综合能力的前提和保障。自学能力的提高要远远的优于掌握了某门技术，也能让学生更能适应当下的社会发展节奏，更好地融入社会发展的大家庭中去。为了提高学生的自学能力，培养学生的创新思维，设计思维就显得非常重要。学好嵌入式理论知识固然重要，但把这些理论知识用于实际应用中，能够解决复杂的技术更加重要，探索创新的设计理念和设计方法，提高学生的参与度，提高学生的自学能力，也是新工科建设必须完成的一大目标。

大学的工程实践教育不仅培养学生解决复杂、困难的实际问题的能力，还培养学生立足于现实、寻找机会、挖掘需求、发现问题的能力和分析、设计、创新等高阶能力为了引导学生确立设计思考意识，有必要将设计思考导入大学的工程实践教育中。

为了推进大学工科专业学生的设计思考的培养，教育部、工业和信息化部、中国工程院等三部委员会在共同印发的“加快新工科建设发展的卓越工程师教育培养计划2.0 的意见”中明确提出“重视工科学生的设计思维的培养”。嵌入式的开发和设计已经成为学校机械电气专业非常重要的课程，涉及原理图电路的设计、电路板的绘制和焊接、嵌入式程序的制作和调试。那么，设计思维是什么呢？如何将设计思维融入高校嵌入式实践教学过程中？这一系列问题都要由广大高校工科教师考虑的。

设计思维作为一种解决问题的方法论，作为一段不断迭代的创新过程，作为一类能够代表所有辐射群体深度体验的思维方式，已经成为国内外高校理工科专业教学培养与实践的指导性方法，具体到嵌入式开发过程中，就需要像嵌入式工程师那样发现问题，思考问题，解决问题，即用系统的思考方式解决现实生活中的具体问题。设计思维就是指设计活动或设计作品中蕴含的思想方法，就是发现问题、分析问题、解决问题和反思问题的过程，是蕴含于各种专业活动中的，并非设计专业独有。

（2）在嵌入式实践教学中实现设计思维的融入。

为了探索如何让设计思维融入到高校的工程实践教育过程中去，本研究将以电加热温度控制系统单个项目为例，在保证主导思想不变的情况下，对部分阶段阶段进行优化合并，并对各个阶段所要达到的要求进行修订，最终形成面向新工科的具有思维导向的嵌入式实践教学的新型模式。

在电加热温度控制系统开发研究过程中，老师要对学生的基本情况要做一个大概的了解，知道所授课的学生现在处于什么学习阶段，先前已经学习了哪些课，已经具备了哪些技能等，而这些信息可以通过测验，交流等方式间接得到的。基于面向新工科的具有设计思维导向嵌入式实践教学模式的要求，老师知识情境的设置，提出相应的开发问题，学生才是整个创意的设计者，项目的执行者，知识的重塑者，也是最终的受益者。学生能否按照设置的情境，设计的要求保质保量的完成相应的任务或者完成任务的程度直接关系到教学的效果。

通过温度智能控制这个项目，要求学生自己动手设计一个小型的计算机控制系统，能够动态的控制温度的变化，主要目的还在于学生能够将理论结合实践以加深对嵌入式理论知识的理解。

如图1 要想达到技术要求的内容，少不了以下几种器件：STM32 单片机、温度传感器、LCD 显示屏、直流电动机等。其中STM32 单片机用作主控制器，控制其他器件的工作和处理数据；温度传感器用来检测环境中的实时温度，并将检测值送到单片机中进行数值对比；LCD 显示屏用来显示温度、时间的数字值；直流电动机用来表示电加热炉的工作情况，转动表示电加热炉通电加热，停止转动表示电加热炉断电停止加热[5，6]。

图1 温度智能控制

另外，还可以加上模拟量分析模块（图2），以对整个温度智能控制模块进行调试。针对这个设计，学生可以更好的动态控制温度的变化，对学生工程实践能力与创新能力是比较大的提升，正好切合我们浙江理工大学的培养目标。

图2 模拟量分析模块

当然学生也可以其他的设计方案，总之只要能达到目标要求就可以了，这样对学生来说设计自己的方案更加灵活了，对培养学生的创新思维，设计思维大有益处。

3 改革考核方式，引入竞争机制，提升课程的达成度

（1）考核方式改革可充分调动学生的学习动力。

考核是对学生学完本门课程之后综合能力的一次评价。对学生成绩的评价应当公平、公正、透明、客观。好的评价机制能够调动同学们的积极性，激发起学生们学习嵌入式开发技术的兴趣，反之会挫伤学生们的学习积极性，不利于高校人才的培养[7,8]。

总之，对考核方式这样一个指挥棒，高校教师应当引起足够的重视。因此对嵌入式系统应用的考核方式进行了初步的尝试。嵌入式系统应用课主要着重于实践环节，实践环节又分为课堂实验，课程设计，答辩环节三个部分，这三个部分的比重为3颐3颐4，同时引入了竞争机制，采用比赛的方式进行。

（2）嵌入式实践教学考核方式改革的实现过程。

本门课的评价方式采用的是五分制的模式，和其它课的五分制有所区别，预先制定规则，采用固定名额的方法，即开课之前规定优秀的名额只能有几个，良好的名额只能有几个，中等的名额几个，剩下的根据具体情况决定及格或者不及格，这在某种程度实现了竞争，在学校绩点政策的配合下执行效果较好。

成绩评好之后，不是立即把成绩录入系统，而是在嵌入式系统应用所开设的QQ 群中进行公示24 h，有异议可以查成绩，甚至可以推翻别人的成绩。只要项目做得足够好，因为各个等级的名额是有限定的，无异议后，才会把成绩录入系统中。

（3）嵌入式实践教学考核方式改革，更加注重考核的公平性。

课程考核的过程也要注重公平原则，项目的完成基本都是在课后完成，难免有学生不是自己做，或是抄袭的网上的，或是找别人代做的，针对课程设计部分设置了答辩环节，不仅锻炼自己的语言表达能力，而且可以增强学生的现场反应能力，更重要的是通过此环节可以识别出哪些项目是学生自己独立完成，以及学生通过课程的学习究竟具有了什么样的能力。针对那些能力比较弱的学生，把平时的课堂实验纳入了考核的范畴，课程设计还必须提交文本资料，这实际上也锻炼他们的书面表达能力，为日后的毕业设计打下了坚实的基础。

4 结语

本次教学改革从教学模式、教学思维、教学手段、教学形式、教学评价体系等方面，对基于新工科教学理念的嵌入式实践教学体系进行阐述，如何改进教学方法，推进同步互动式教学模式建设；如何革新培养方式，促进学生创新思维，设计思维的形成；如何改变考核方式，引入竞争机制，提升课程的达成度。实践证明，基于新工科教学理念的嵌入式实践教学改革是非常有效的，效果比较突出，学生的创新意识，创新能力，以及解决复杂问题，困难问题的嵌入式社会应用能力得到了显著的提高，同时也对机械电子工程专业专业认证提供了有力的支持。