“電子信息+”背景下嵌入式系統教學設計與實施策略研究

王冠軍，江海峰，林果園，鮑 宇，趙 瑩

(中國礦業大學 計算機科學與技術學院，江蘇 徐州221116)

1 改革背景

當前世界范圍內新一輪科技革命和產業變革加速進行，在這種背景下“中國制造2025”、“互聯網+”、“電子信息+”等重大戰略與概念應運而生，新工科教育風起云涌［1］。嵌入式方向人才培養改革在這其中扮演起越來越重要的作用［2－3］。它以引導高等學校加強相關專業和課程建設，提高學生創新能力、理論知識應用能力為目標，使學生精通嵌入式硬件開發和相關軟件編程開發工具，掌握嵌入式設計的基本理論和開發流程，達到各類智能硬件開發企業、移動應用開發企業對卓越工程師的基本要求是我們追求的目標，其中的計算思維教育成為當前高校嵌入式方向人才培養中的一項重要內容［4－6］，“卓越工程師教育培養計劃”也在這其中扮演十分重要的角色［7－8］。信息技術行業人才倍受青睞，就業前景廣闊［9－10］。

2 教學改革創新點

本文針對嵌入式方向人才培養創新性的提出了基于計算思維自主培養的教學模型，培養學生利用計算思維進行復雜嵌入式工程問題求解訓練，同時對理論與實踐課程體系進行了豐富完善，應用到實際的嵌入式方向課程群的教學實踐工作中，搭建了“學競一體”的嵌入式學科競賽平臺，其創新點體現在:

(1) 教學理念創新。更新教學理念，以學生計算思維能力培養為中心。把“知識傳授”轉變為“知識探究”，把“知識接受”轉變為“能力培養”，培養學生主動運用計算思維通過探究來建構自己的知識結構，而創新型學生的能力培養就是在這一探究過程中實現的。

(2) 教學模式與方法創新。理論課程體系構建3 +X 專業課程體系，在專業主干課程中設置3 個課程組，實施人才分類培養。在專業選修課中，設置X 方向課程，實現某一個方面技術和能力的培養。增強實踐教學，構建復雜工程問題背景下的嵌入式人才培養實踐教學體系，形成由基礎到應用、由理論到實踐(“正三角形”) 的循序漸進的實踐教學體系。

(3) 學生發展方式創新。創建嵌入式方向創新人才培養平臺，學生通過參與校企聯合復雜工程求解訓練、嵌入式競賽、創新創業訓練項目全面激發自身的創新潛能，促進自身全面發展。建立學生參與的人才培養平臺完善機制，實現學生發展支持的全面化與精細化。

3 嵌入式人才培養改革與探討

3.1 主要目標

本研究結合目前嵌入式人才培養的熱點內容，提出“以學生發展為根本、以創新能力提升為主線、以社會需求為出發點、以知識學習為基礎、以學科競賽為延展、以復雜工程實踐為手段、以服務社會為宗旨”的教育理念與方法，注重學生知識、能力和素質的全面綜合發展，創立了“知識學習、學科競賽、科學研究、工程實踐”結合的嵌入式方向專業創新人才培養模式。學院建立了體系完整、特色鮮明、開放共享的嵌入式方向人才培養創新實踐基地，形成“教學、實踐、科研、競賽四位一體互動、互促共創新”的培養模式。建設主要內容有:

(1) 構建以創新實踐能力培養為導向的卓越工程師理論課程體系。注重嵌入式方向基礎理論，科學型與應用型兼顧。突出求解復雜工程問題的有效方法。重點培養嵌入式系統設計與分析能力，嵌入式應用軟件和系統軟件開發能力。課程內容更加面向工程，強調寬基礎、重實踐、重應用，教學內容適當削減部分課程學時。課程教學與考核結合工程實際進行，在專業課教學中逐步推進交互式微課與翻轉課堂相結合的教學方式。

(2) 構建層次型嵌入式人才培養實踐教學體系。增強實踐教學，構建課內課外相結合，以能力培養為主線的實踐教學體系。增加創新性、綜合性實踐。通過學科競賽和創客實驗室等提高學生的實踐能力、創新能力，鼓勵學生申報研究創新性研究題目。重視引導，通過不同層面的實踐，提升不同層面的實踐能力。同時與高水平軟件企業合作建設了校外實習基地，結合企業實際工程需要，提高學生解決實際問題的能力和就業競爭力。

(3) 基于卓越目標的創新型嵌入式人才培養平臺。通過開發針對嵌入式方向類課程的微學習平臺，錄制相關課程的微視頻，利用交互式MOOC +翻轉課堂的形式借助“雨課堂”平臺進行知識的講授，全過程培養學生的嵌入式系統開發實踐能力，課下利用QQ 群、微信公眾號、微博等方式與學生進行交流溝通，提高學生的學習質量與學習效果。

(4) 構建“學競一體”的嵌入式學科競賽平臺。以教育部產學合作專業綜合改革項目為依托，組織成立學科競賽指導委員會和嵌入式設計俱樂部。組織和指導學生參加各級嵌入式專題邀請賽、機器人比賽、電子設計競賽，組建高質量競賽隊伍。積極參加高水平嵌入式相關賽事，與學工密切溝通，完善獎勵機制，激發師生熱情，有力推動創新型學生培養。

圖1 計算思維自主培養的教學模型

3.2 實施方案

(1) 以嵌入式方向人才培養為目標，建立了階梯式引導的計算思維自主養成模式。本文建立了計算思維自主培養的教學模型，通過以不同層次問題為導向，引導學生思維鍛煉方向，借助輔助平臺，由問題引導學習者運用計算思維思考，完成能力自主培養。如圖1 所示。

(2) 以復雜工程求解能力培養為導向，構建了嵌入式設計理論與實踐課程體系。理論課程體系中針對考研升學、卓越計劃和就業創業等不同類型學生培養的需求，構建3 +X 專業課程體系。在專業主干課程中設置3 個課程組，實施人才分類培養，學生根據自己的基礎、興趣和發展自主選擇。在專業選修課中，兩門課為一組，設置X方向課程，實現某一個方面技術和能力的培養。增強實踐教學，構建了基于工程實踐能力和復雜工程問題求解能力的多層次一體化實踐教學體系。實踐課程體系如圖2 所示。

(3) 以卓越目標引領，建立了遞進式多樣化嵌入式方向創新型人才培養平臺。本改革開發了針對嵌入式方向課程的微學習平臺，設計了電子設計硬件實驗平臺，全過程提高學生實踐動手能力。組織成立學科競賽指導委員會和嵌入式設計俱樂部、智能車俱樂部、TURBOT 機器人科技社團。構建“學訓賽交融遞進式”嵌入式學科競賽體系，組織和指導學生參加各級創新創業訓練計劃與高水平嵌入式賽事，通過課程學習→學科競賽→創新創業訓練→企業實踐，遞進式流程推動了創新型學生培養。

圖2 基于“卓越工程師”計劃的嵌入式人才培養實踐教學體系

4 改革效果

(1) “一個中心、兩個平臺”的以計算思維能力培養、卓越工程師實踐、實踐深化雙創能力協調共贏的嵌入式方向人才培養模式不斷完善，并得到相關部門和專家的認可，同時，成立了嵌入式技術俱樂部、智能車俱樂部、TURBOT 機器人科技社團、智能機器人創客空間等組織，陸續有985 高校等兄弟院校前來學習、觀摩。ARM、NXP、Intel、大疆、博創等企業前來合作洽談。

(2) 建立了一定規模、體系完整、特色鮮明、開放共享的嵌入式方向人才培養創新實踐體系，積累了較豐富的創新型人才培養經驗，學生工程實踐、創新能力強。

(3) 畢業生以其扎實的專業功底和工程創新能力獲得國內一流高校青睞。指導學生先后獲得百余項科技競賽的獎勵，同時鼓勵學生科技創業，目前已培育學生嵌入式及機器人方向創業公司3 家，效益良好。

5 結語

嵌入式方向人才培養是一項復雜系統工程，本文在這方面進行了一些探討，成果獲煤炭工業協會教學成果獎二等獎并遴選為江蘇省教學成果獎培育項目，在人才培養中發揮了積極作用。希望本研究能夠對嵌入式方向人才培養提供有益參考。