嵌入式系统设计与开发课程思政教学改革实践探究

吴宗胜，韩改宁

（咸阳师范学院计算机学院，陕西咸阳 712000)

0 引言

高校的根本任务是立德树人，进行课程思政教育是高校教师实现该任务的有力举措[1-2]。为了全面推进课程思政建设，在所有课堂中都应该融入思政元素，要将思政教育贯穿教学全过程，促进思想政治工作实现高质量发展[3]。

习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上强调指出：“要坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人，努力开创我国高等教育事业发展新局面。”[4]

当前，各高校已经掀起了课程思政改革的浪潮，使课程思政成为越来越普遍的教育理念和教学实践[5]。然而，有些教师对课程思政的认识不足或对课程思政内涵的理解不够深入，因此不知道如何在自己的课程中开展课程思政教育。很多教师在教学过程中，普遍存在一种情况，即过于注重知识的传授，而忽略了价值观和职业素养的培养[6]。嵌入式系统设计与开发是一门自动化控制、物联网工程、轨道交通信号与控制等专业的基础课程，它涉及硬件设计、软件开发、系统集成等多个方面的知识，是一门专业性强、实践性突出的课程[7]。随着物联网和机器人等技术的快速发展，嵌入式系统应用的范围越来越广泛。然而，目前这类课程与思政教育的融合程度不够高。在嵌入式系统设计与开发课程教学中引入思想政治育人内容，可以在学习知识和锻炼技能的同时，培养学生的家国情怀和社会责任感，这对于实现全员全程全方位育人有着重要的意义。本文以嵌入式系统设计与开发课程为例，通过分析该课程的教学内容，挖掘相关思政元素，并探索教学方法，达到知识传授和价值引领的有机统一，最终培养出能够肩负民族复兴大任的新时代人才。

1 教学目的与育人目标

1.1 教学目的

本课程的教学目的是通过嵌入式系统开发环境、开发方法、开发流程、编程实践等基础教学及嵌入式应用系统设计等进阶实验，培养学生的实践能力和创新思维，使学生能够掌握嵌入式系统设计与开发的基本理论和技术，具备独立进行嵌入式系统设计与应用开发的能力。

1.2 育人目标

结合本课程的教学目的，通过在课堂教学中因地制宜融入思政教育，实现培养有理想信念、有社会责任感、有创新精神、有人文素养的高素质人才的育人目标。具体来说，包括以下几个方面：

1) 引导学生树立正确的世界观、人生观和价值观，使其具有良好的思想道德素质和行为习惯。

2)培养学生扎实的专业知识和技能，具备团结协作、勇于担当的意识，使其能够胜任相关工作，并具备独立创新能力和国际竞争力。

3)培养学生科学家精神，使其具备追求真理、创新思维和实践能力，能够积极适应和引领时代变化和科技发展，不断创新和进步。

4)使学生具有人文情怀和美育素养，尊重人权、关心社会、热爱祖国、崇尚和平，能够追求个人价值和社会公益并且二者相互促进。

5)使学生具备强烈的社会责任感和使命感，始终为人民服务，积极参与社会建设和公益事业，为国家和人民做出贡献。

2 教学内容与教学方法

2.1 教学内容

本课程的教学内容主要包括嵌入式系统的基本概念与原理、嵌入式系统的体系结构、嵌入式微处理器与接口、ARM-Linux内核、嵌入式系统的移植、设备驱动程序的设计、嵌入式系统的调试与测试、嵌入式系统的应用与发展等方面的内容。通过这些内容的学习，学生可以全面了解和掌握嵌入式系统的硬件设计与软件开发技术。

2.2 教学方法

在教学方法上，我们采用了理论与实践相结合的方式进行教学。通过多种教学方法，包括理论讲授、案例分析、实践教学、隐性渗透式、课堂讨论式等，使学生在理论学习的基础上能够进行实际操作和实验设计，提升学生的实践能力和创新思维。同时，课程还将德育元素和知识点进行融合，将立德树人贯穿于教学过程中。

1)案例驱动式教学法

采用案例驱动式教学法是将思政教育内容融入课程案例教学过程中。在教授专业知识和培养技能的同时，还要对学生进行个人观念和价值观的塑造，将知识传授和价值引导有机结合。例如：将自改革开放以来，我国在嵌入式系统领域取得的巨大成就作为课程案例，厚植爱党、爱国、爱社会主义的情感；同时，结合国际和国内两个大局及社会热点问题和重大事件案例，挖掘课程中所蕴含的思政教育元素和承载的思政教育功能。

2)实践教学法

实践教学是培养学生动手能力、团队协作能力、创新思维和严谨科学态度的有效途径。实践教学可通过课内实验和课外实践的方式进行。

课内实验包括课程内容的单项实验和项目分组实验，在实验中教师可以在软件程序或硬件连接中设置一些隐藏的问题和障碍，学生可以根据实验运行结果来分析故障原因以排查故障，教育学生应该在挫折中具有坚持不懈的探索精神和解决问题的能力，并养成严谨的科学态度、优秀的职业素养以及追求卓越的工匠精神。

课外实践主要以参加课外科技活动和竞赛为主，如全国“互联网+”创新与创业大赛、中国大学生计算机设计大赛、中国大学生工程实践与创新能力大赛、全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛，旨在鼓励大学生积极参与各类科技竞赛，关注国家科技、能源与环境发展政策，并将人文素养融入科学知识技能中以启发创新性思维。通过该类实践活动引导学生勤于学习、甘于奉献、勇于创新，肩负起时代赋予的历史重任。

3 课程思政教学案例

习近平总书记在2019 年3 月18 日的学校思想政治理论课教师座谈会上强调：“要坚持显性教育和隐性教育相统一，挖掘其他课程和教学方式中蕴含的思想政治教育资源，实现全员全程全方位育人[8]。”因此，为了达到全方位育人的目标，我们根据本课程的特点并结合具体的教学内容，在教学与实践中引入了显性的和隐性的思政教学元素。以下是本课程设计的部分教学案例：

1)教学内容：嵌入式微处理器

知识要点：嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心部件，由运算器和控制构成，主要实现数据的算术和逻辑运算等操作，并执行用户指令控制嵌入式系统的各功能部件，保证系统各部分能自动而协调地工作。

对应的思政元素：爱党爱国、家国情怀。嵌入式系统使用的微控制器由微处理器CPU 和外围电路组成，CPU 处在核心的领导地位，与之连接的各部件在其领导下可以有条不紊地协调工作。犹如我党带领56 个民族走中国特色社会主义道路，实现共同富裕。引导学生们坚持我党的领导地位，理解“坚持党对一切工作的领导”是决定党和国家前途命运的重大原则问题，是实现中华民族伟大复兴的根本保证。

2)教学内容：嵌入式微处理器的发展

知识要点：我国的嵌入式微处理器设计起步较晚，缺乏自主设计高端处理器的关键核心技术。虽然目前部分国产处理器技术（如龙芯、飞腾和申威）已经取得很大的进步，但核心技术仍然远远落后于国际先进水平，高性能的微处理器主要还依赖国外进口，不仅价格昂贵，而且经常面临出口限制，使得国家信息系统安全面临巨大威胁[9]。2018年的“中兴事件”无疑是一个很好的案例。当年美国商务部发布出口禁令，禁止美国企业向中兴通讯出售任何电子技术或通信元件，给依赖美国元器件的中兴公司造成了巨大损失。近几年，以美国为首的资本主义国家疯狂地打压我国的科技发展，断供高端芯片和制造芯片所用的光刻机，企图阻断我国半导体芯片产业的发展，受影响最大的当是华为公司的微控制器麒麟手机芯片和5G射频芯片。虽然麒麟芯片的设计水准达到了国际先进水平，但无奈台积电拒绝代工，国内厂家也缺少制造芯片的高端光刻机，导致进入无芯可用的尴尬境地。在5G 通信技术中，华为掌握了大部分的5G 专利，但重要的射频芯片却受制于人，导致自己的手机不能使用5G网络。

对应的思政元素：奋斗精神、爱国精神、责任感和使命感。通过“中兴事件”和华为麒麟芯片断供事件，教导学生要立足国情，刻苦学习专业知识，做到艰苦奋斗、自力更生、自主创新、勇挑重担，为实现中华民族伟大复兴的中国梦而奋斗；引导学生关注国家科技发展新动向，理解半导体芯片新技术对我国发展的重要战略意义，增强学生对我国科技发展和民族复兴的使命感和责任感，激发他们的家国情怀和爱国主义精神。

3)教学内容：嵌入式操作系统

知识要点：常见的嵌入式操作系统包括嵌入式Linux、Windows CE、Android、VxWorks、µC/OS-Ⅱ等。一直以为，我国在桌面操作系统和嵌入式操作系统方面落后于世界先进水平。落后就会被挨打，2019年谷歌公司禁止华为手机使用Google服务，导致华为手机不能使用Android 系统，庆幸的是华为公司对此早有先见之明，推出了前期自行研发的鸿蒙系统，完美替换了Android系统，打破了谷歌的封锁。

对应的思政元素：知识产权，民族情怀。引导学生理解自主知识产权的重要性，并尊重知识产权，不侵犯他人的创造成果；同时，引导学生支持民族企业，发展民族产业，使我们国家摆脱外国的技术封锁,真正地实现自主创新、自由发展，助力实现中华民族伟大复兴。

4)教学内容：嵌入式系统的应用领域与发展趋势

知识要点：嵌入式系统广泛应用于工业控制、军事电子、智慧交通、信息家电、智能家居、物联网、机器人、移动支付和智能测控等众多方面，正在向微型化、网络化、智能化与穿戴式方向发展。

对应的思政元素：爱国情感、民族自豪感。引导学生关注国家十多年来在计算机技术和嵌入式系统应用领域所取得的巨大成就，以及这些成就如何改变了人们的生活方式和消费方式，从而增强学生的爱国情感和民族自豪感。

5)教学内容：中断系统

知识要点：中断系统可以即时响应并处理中断或异常事件。CPU 是根据中断优先级的高低顺序对中断请求进行响应的。中断的优先级相当于事情的紧急程度和重要程度，具有高优先级的任务可以打断优先级低的任务。中断的处理过程则由预先定义的中断服务程序进行处理。

对应的思政元素：工作效率、应急能力。处理事务需要注重事情的轻重缓急，合理安排待办事务的先后顺序，凡事需要做好应急预案（正如中断处理程序），做到有备无患、遇事不慌，牢牢把握主动权。引导学生思考如何安排时间以提高学习效率和工作效率，发挥做事主观能动性，提高事件发生的预见性，培养学生的对突发事件的应急处理意识与应对处理方法。

6)教学内容：GPIO接口驱动LED

知识要点：GPIO为通用的输入输出接口，可以直接连接并驱动LED 灯。LED 灯是一种节能环保的灯具，具有亮度高、功耗低的特点，并可以通过定时器输出PWM脉冲控制灯的亮度。

对应的思政元素：绿色环保、社会公益、人生价值观。通过介绍PWM 基本原理和实现调压调频的方法，讲解LED 灯调光控制和直流电机调速等典型案例，引入节能控制和绿色发展的理念。引导学生重视社会公益、节能减排，发展绿色的可持续发展的技术，推广绿色设计理念，实现自己的人生价值。

7)教学内容：设备驱动程序设计

知识要点：设备驱动程序框架、代码编写规范。设备驱动程序是应用软件和硬件设备之间的一个软件层，负责与硬件的通信并向用户提供调用接口。嵌入式系统的设备驱动程序需要按照一定的程序框架和规则进行编写代码。

对应的思政元素：遵纪守法。通过设计设备驱动程序，引导学生要遵守代码编写规范，并升华到遵纪守法。“不以规矩，无以成方圆。”遵守纪律、规则，社会才会安然有序。

8)实践内容：课内实验

知识要点：结合理论教学内容开展相应的课内实验，实践出真知，通过实验印证理论，以巩固所学知识并提高学生动手能力、团队协作能力、分析实际问题和解决实际问题的能力。

对应的思政元素：务实求真、工匠精神、团队意识。通过解决在实验中出现的诸如硬件电路焊接存在虚焊、引脚接触不良、代码中变量类型定义不当、程序逻辑错误、系统移植中配置与硬件不符等问题，培养学生实事求是、吃苦耐劳的作风、以及严谨的科学态度，弘扬工匠精神；在实施实验项目过程中，引导学生相互之间建立信任，共同协作，团结互助，为实现共同目标而努力，使学生学会做人做事，并且在此过程中增强其团队意识、创新意识和责任意识，培养学生良好的团队协作精神和集体荣誉感。

9)实践内容：科技竞赛等课外实践

知识要点：在课内实验的基础上，进一步培养学生的创新能力，鼓励学生积极参与各种课外的科技竞赛，并结合当前科技热点，设计具有创新性的嵌入式应用系统。通过这类项目的竞赛，可以巩固学生已学的基础知识，并将其灵活应用，培养学生的实践创新能力。

对应的思政元素：开拓创新、责任使命。引导学生自主学习、勇于创新，通过自主性学习和实践来领悟做人做事的基本原则和社会主义核心价值观，以此坚定实现中华民族伟大复兴的决心，并承担历史赋予的责任和使命。

4 结论

嵌入式系统设计与开发这门课程不应仅仅是技术和实践的培养，更应该注重思政教育的融入。通过思政教育的引导，可以使学生在学习专业知识的同时，树立正确的世界观、人生观、价值观，培养学生的社会责任感和创新能力。因此，在今后的课程教学中，我们将进一步加强对思政教育的重视，不断探索和实践，提升学生的综合素质和创新能力。这样才能够更好地发挥学生在嵌入式系统领域中的作用，为社会的发展、国家的富强和民族的复兴做出贡献。