“双一流”背景下嵌入式系统设计与应用教学改革

王艳春，苗凤娟，夏颖，张劲松，王珏

（齐齐哈尔大学 通信与电子工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

2017 年，教育部、财政部和国家发展改革委员会联合颁发了《统筹推进世界一流大学和一流学科建设实施办法（暂行）》，强调要全面促进高等教育在人才培养、科学研究和社会服务等方面的综合实力[1].2018年，国务院学位委员会发布了《关于制订工程类硕士专业学位研究生培养方案的指导意见》，进一步强调专业学位研究生在工程性、实践性和应用性等方面的培养定位[2-3].

随着电子信息产业的快速发展，社会对电子信息专业的人才需求越来越迫切，但目前电子信息专业学位研究生培养过程中发现存在一些共性的亟待解决的问题.主要包括应用基础理论及科学技术与方法指导解决工程问题的能力比较薄弱，课程建设和教学资源的不丰富，工程教育脱离产业需求，工程应用能力培养环节严重缺位等，这些都延缓了专业学位研究生工程知识、工程素养和工程应用能力的培养[4-5].因此，以解决工程问题、培养应用能力为导向的专业学位研究生课程改革势在必行.嵌入式系统设计与应用课程作为电子信息专业研究生的核心课程，须立足信息与通信学科的优势和特点，精准对接未来社会对嵌入式人才的需要.课程目标不仅要注重嵌入式系统知识体系的构建，使学生全面掌握嵌入式系统设计与应用方法，为从事嵌入式产品的开发和设计工作奠定理论和技术基础，更要注重学生能力和素质的培养，使学生产生浓厚的学习兴趣和专业认同感，培养学生自主学习能力、创新意识、工程素质和工程应用能力，提高专业素质和就业竞争力.

1 理论教学改革促进学生能力培养

嵌入式系统设计与应用课程理论教学主要采用基于翻转课堂的混合式教学和基于问题驱动的案例教学模式[6-7]，培养专业学位研究生自主学习能力，激发学生学习兴趣，不断提高教学效果和教学质量，加强学生对工程知识的理解和工程素质的提升.

1.1 混合式教学培养学生自主学习能力

在理论教学过程中，充分利用中国大学Mooc和网络平台开展混合式教学.课前设置任务、组织学生课前观看中国大学优秀Mooc视频、课件，完成课前测试.课上教师结合电子设计竞赛嵌入式系统专题、大学生创新项目、通信领域嵌入式新产品等案例组织学生展开课堂讨论，教学方式从“以教师为中心”转变为“以学生为中心”.如结合教师指导的省级重点大学生创新项目“基于ZigBee的智能粮仓远程监控系统”，针对智慧农业粮仓监控中涉及的监测、控制及无线通信对嵌入式技术的需求，通过“系统分析——问题引入——分组讨论——能力提升”引导学生主动思考，积极探究系统设计方案，开发工具、实验方法的选择以及适用性、时效性等，通过各组提出的不同设计方案，讨论嵌入式系统设计在工程实践中的可行性、性价比，提升学生工程意识和对社会效益、经济效益的认识和理解.课后通过网络平台在线答疑、线上讨论及在线测试等，充分调动学生学习的积极性和主动性，提高了学生分析、解决问题的能力和自主学习能力，有效提高了教学效果和教学质量.

1.2 问题驱动案例教学激发学生学习兴趣

在本课程教学过程中，教师根据教学内容结合实际应用设计教学案例，结合教学案例设置工程问题，启发学生进行探究、研讨.如结合目前应用十分广泛的“智能门禁系统”应用案例，引导学生通过网络资源查阅智能门禁系统的不同解决方案、不同应用场景，比较各种方案的优势和不足.学生通过对基于指纹识别、人脸识别、虹膜识别等生物信息识别技术，基于RFID 射频识别技术的卡式识别技术，基于短信验证的临时密码的智能门禁系统多种方案进行分析，对案例中所涉及的方案选择、关键技术、软硬件配置等复杂工程问题提出解决方案，设计满足要求的电路及系统，选择和使用相关的软硬件设计和仿真平台、仪器设备，分析其适用性、时效性等.教学过程中通过问题的提出，适时启发引导学生找到有效的方法，得到合理有效的结论，培养了学生工程素养和工程应用能力，激发了学生内在的学习兴趣.

2 构建“三梯度”实践教学模式

本课程是一门软硬件并重的专业课程，实践教学在人才培养过程中起到了举足轻重的作用.在教学过程中根据学生的认知规律和实践内容体系，构建了“虚拟仿真实验+科研项目实验+工程应用实践”相融合的“三梯度”实践教学模式，加强学生实践能力的培养.

2.1 虚拟仿真实验

本课程虚拟仿真实验采用英国Labcenter Electronics 公司的EDA 工具软件Proteus，该软件具有功能强大、界面直观、性能完善等特点，目前已成为国内嵌入式系统设计与仿真的软件支撑[8].借助Proteus 对CPU和外围电路强大的仿真能力以及丰富的资源库进行嵌入式软硬件实验仿真，用构建的虚拟嵌入式系统代替实际的硬件电路，有利于增强学生对嵌入式系统构建的感性认识，仿真实验结果基本理想时再进行硬件调试.Proteus 虚拟仿真有效替代了传统硬件仿真器进行前期软硬件调试，不存在器件损耗问题，大大节约了教学资源，有效解决了实验室资源紧张和疫情形势下线上实验问题.Proteus 虚拟仿真引入本课程教学过程后，接近实际的动态演示激发了学生兴趣，学生的学习积极性、主动性及理论联系实际的能力都得以提高.

2.2 科研项目实验

本课程教学过程中探索以科研项目为依托的实验教学模式，充分利用教师科研项目和专利中与本课程内容紧密联系的实验研究部分，借助教师科研实验室平台，构建具有实际工程应用背景的课程实验目标、实验内容以及具体要求[9-10].如依托科研项目“灭火机器人路径规划研究”构建了嵌入式灭火机器人实验平台，学生在完成灭火机器人控制模块、传感器模块、视频监控模块、电机驱动模块、通信模块测试的同时，进一步研究传感器选择、器件位置、电机振动特性、转换接口设计等问题，给出了多种实施方案.以科研项目为引领的嵌入式实验教学模式通过有计划、有目标的项目驱动使学生积极获取、积累、整合所学知识，并培养学生科研道德和科研诚信.学生通过项目实验不仅能够验证问题，而且能够发现问题、解决问题，激发了学生的创新意识，培养了学生的工程素养和分析解决实际问题的能力.

2.3 工程应用实践

在教学实践过程中，以专业学位研究生工程实践能力培养为导向，以电子信息产业发展和嵌入式人才需求为牵引，依托学院“黑龙江省微纳传感器件重点实验室”“黑龙江省农业多维传感器信息感知工程技术研究中心”2个省级平台，校企合作“嵌入式联合实验室”等开展各类工程实践活动.邀请校企合作单位的嵌入式研发工程师基于工程场景解读当前国内外嵌入式应用研究与产业发展前沿问题，使学生了解了嵌入式在人工智能领域、物联网领域、通信领域的应用，明确了工程实践与环境和可持续发展的关系.邀请从事嵌入式研发的优秀毕业生进行讲座、在线指导，将企业工程实践中的相关应用案例，如高速公路智能测速系统、智能家居安防系统、扫地机器人等实践项目引入本课程教学中，使学生通过企业项目实战将所学知识、技能与工程实践相结合，不仅培养了学生工程应用和实践创新能力，也开拓了视野，提升了学生对行业的认同感和对本专业的兴趣度，近3年就业率均达到100%.

3 结语

准确定位“双一流”背景下适应社会需求的电子信息专业学位研究生工程应用能力培养目标，深入探讨了研究生嵌入式系统设计与应用课程教学改革思路，显著提高了课程教学效果和教学质量.培养了学生的创新意识和工程素质，有效提升了学生的学习兴趣、自主学习能力、工程应用能力和综合素质，为培养适应行业和社会发展需求的高素质电子信息专业人才奠定了坚实的基础.