基于实践创新能力培养的嵌入式实训课程教学改革探索

杨璐 高宇鹏 李青云

(晋中信息学院信息工程学院 山西太谷 030800)

嵌入式系统具备体积小、功能强、可靠性高等方面的特点[1]，已经广泛应用于工业、农业、军工等领域，渗透到人们日常生活的方方面面，对应产业的人才需求也变得多样化、高端化[2]。因此，越来越多的高校相继开设了嵌入式系统技术与应用方面的课程。以新兴应用型本科院校晋中信息学院为例，信息工程学院计算机科学与技术专业开设了嵌入式技术相关的理论课程、实验课程、课程设计以及系统集成项目实训课程，旨在培养兼具嵌入式系统软、硬件综合开发应用能力的高素质的嵌入式应用系统开发人才。

1 嵌入式实训课程特点

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积功耗等严格要求的专用计算机系统。以晋中信息学院为例，《系统集成综合项目开发》实训课程是计算机科学与技术专业在《嵌入式技术与应用》理论课、实验课以及课程设计的基础上开设的一门专业综合实践课，主要介绍嵌入式系统中基于QT项目的软硬件系统的开发。通过该实训课程的学习实践，使得学生能够将所学的理论知识与实践技能综合应用到项目中，加深对嵌入式系统项目综合设计与开发的理解，掌握嵌入式系统项目设计与开发的基本流程、常用方法和技能，培养学生分析、解决复杂工程问题的能力。

2 嵌入式实训课程教学现状

嵌入式系统实训课程具有较强的综合性、实践性以及发展性，对于嵌入式课程体系来说，该实践教学是创新人才培养的重要环节，意义非常重大[3]。但是该课程教学难度相对较大，以目前高校的软硬件资源配置难以达到培养卓越工程师的标准，主要表现在以下几个方面。

2.1 师资力量弱

目前课程教学团队教师存在实践项目经验不足、实践能力不够强的问题，因此难以设计出先进的、高质量系统集成综合项目用于教学，从而不能很好地挖掘学生的潜力，以及提高学生的创新、实践能力，教学模式单一，教学活动乏味，不能有效激发学生的学习兴趣。

2.2 实验设备老旧

嵌入式系统技术更新变化快，不同应用领域所涉及的开发板都各有不同，想要与时俱进采购市面上先进的实验箱或开发板需要大量资金投入进行实验室建设。由于耗资巨大，高校通常在实验室建设初期大规模购置一批实验箱后，多年不进行更新。以笔者学院为例，在进行教学改革前，实践课程主要采用的是多年前采购的CortexA8 实验箱，常年使用下来已有大部分出现故障不能使用。学生只能分小组，每组使用一台实验箱完成实训项目，学生不能充分实践锻炼，而且导致学生在校学习的嵌入式开发技术滞后于企业所需的技术，不利于毕业后的实习工作。

2.3 课程体系设置不够合理

由于嵌入式系统相关课程需要先修C语言程序设计、电子技术基础、操作系统、单片机原理等课程，所以嵌入式课程的相关理论课、实验课一般在大三开设，对应的集成项目实训课程到大四才开设，这样的课程设置导致大二、大三学生不能早些具备参加大学生电子设计大赛等相关学科竞赛的基本技能，从而失去参加各种学科竞赛的积极性和信心，错失通过参加各种大赛锻炼、检验自身的知识技能水平的机会。

3 基于实践创新能力培养的嵌入式实训课程教学改革

针对嵌入式系统实训课程的特点以及教学现状分析，主要从师资力量、实验室建设和课程体系设置3个方面着手进行改革实践，并提出将“创客”教育模式引入教学过程中，旨在充分挖掘学生的潜力，提高学生的动手实践能力、创新能力以及团队合作能力[4]。具体情况如图1所示。

图1 基于实践创新能力培养的嵌入式实训课程改革

3.1 师资力量提升

教师作为教学活动的主要设计者和组织者，首先要提升自身在理论研究及项目实践方面的水平和能力，与时俱进，关注嵌入式技术发展的新动向，不断地学习拓展新知识、新技能，才能更好地践行嵌入式实训课程的教学改革。以晋中信息学院为例，采用“走出去，请进来”的方式，一方面派相关教师利用寒暑假到企业参观实习；另一方面定期邀请厂家相关技术人员入校对教师团队成员进行项目技术指导培训，以此提升教师的专业知识技能水平。

教师在提升自身知识技能水平的基础上，还应思索改变传统单一的教学模式，学习引进新的教学模式，如引入“创客”教育模式。“创客”教育注重激发学生学习兴趣，采用做项目的学习方式，培养学生具备发现解决问题能力、创新能力和团队合作能力[5]。通过让学生自主选择各种类型开发板，研究学习开发板配套的实验手册及视频教程资源，DIY 出个性的系统综合集成项目。通过采用项目教学法[6]，提升学生的工程实践能力、发现并解决问题的能力、团队协作能力等。培养学生积极探索、敢于创新的拼搏精神，养成认真严谨、精益求精的学习态度，成为高素质的嵌入式应用系统开发人才。

3.2 不断完善实验室建设

实验室作为嵌入式系统实训课程教学的主阵地，对于应用型本科院校培养嵌入式专业技术人才极为重要。针对嵌入式系统应用领域广泛、更新变化快的特点，授课团队教师摸索出一条既能与时俱进又花费较少的实验室建设方案。通过申请耗材的方式，每个学年申报购买各种类型的市面上新型开发板，教师首先学习研究各种开发板，给出对应开发板上可以完成的项目课题及大致功能要求并下达任务书，学生自由组队，自主选择开发板以及对应项目课题去分工设计实现个性化的嵌入式系统集成项目。以晋中信息学院为例，目前已陆续购置各种类型开发板30 套，后续还会继续根据实际情况进行申报采购。丰富的开发板类型及丰富的配套资源，使得学生可以运用所学理论知识、实践技能将项目的设计实现成具体的应用项目，在此过程中学生获得成就感，激发学生进一步研究学习的兴趣，很好地满足培养学生实践能力、创新能力以及团队合作能力方面的需求。

3.3 完善课程体系设置

为了更好地培养学生的实践创新能力，嵌入式系统实训课程教师团队需要把握新工科教育转型改革的内涵，充分认识到当前课程体系存在的不足，以培育应用型人才为导向，对课程体系进行完善[7]。

为了更好地促进学生广泛参与各种学科竞赛，课程组教师邀请老教授以及学院负责人共同探讨，已经申请在修订新一届学生人才培养方案时，嵌入式系统技术与应用相关课程以及相其先修课程的开设学期适当提前，或是通过增加小学期的方式提前对学生进行集中实训，让学生先体验、先实践、先设计，再辅以适当的理论讲解，理论与实践相结合，在实践过程中慢慢理解领悟对应的理论知识，让学生提早掌握相关学科竞赛所需的各种基本技能，从而让学生更广泛地参与到相关学科竞赛中去，获得锻炼和提升，为毕业实习、找工作等打下坚实的实践基础。

4 嵌入式系统实训课程教学改革成效

4.1 课程“活”起来

学生根据自己的兴趣选择不同的开发板，设计完成功能各异的个性化系统集成项目，学生对课程的学习、实践更感兴趣，经过一轮实践教学改革，目前学生已完成的系统集成项目有：基于CortexA8 实验箱的智能考勤系统、智能电卡系统、智能水卡系统，以及基于STM32的智能音乐播放器、实验室安防系统、智能家居系统、智慧农业系统等。

4.2 学科竞赛参与效果提升

学生通过实训课程的学习实践，广泛参与华北五省大学生计算机应用大赛、全国大学生电子设计大赛等相关学科竞赛，并获得较好名次。通过参加学科竞赛，充分锻炼学生对实际问题求解能力以及进行整体项目设计的能力，以赛促学，激发学生的学习主动性和创造力。

5 结语

结合高校实际情况，依托该校计算机科学与技术专业人才培养目标以及嵌入式系统课程的课程目标，以实践、创新为核心理念，引入创客教育模式，围绕设计完成开放性项目组织开展教学，培养学生嵌入式系统集成项目设计开发的能力，激发学生的学习兴趣，积累项目实践经验，很好地培养学生的创新实践能力以及团队合作能力，实现培养应用型嵌入式系统开发人才的最终目标。