面向卓越人才培养的嵌入式系统教学改革

摘要：以同济大学卓越人才培养计划实施过程中嵌入式系统教学改革与实践为例，提出一种具有明确教学目标、先进教学理念、教学评价激励机制的，能够有效优化教学方法、提升教学质量和教学效果的教学模式，期望能促进嵌入式系统教学体系的完善和卓越人才的培养。

关键词：卓越人才培养计划；嵌入式系统；教学改革；教学目标；教学理念；教学方法；激励机制

0 引言

嵌入式系统是高等院校电子与信息类专业面向应用、面向大学生综合与创新能力培养、面向就业而开设的一门专业主干基础课程，涉及模拟电路、数字电路、自动控制原理、嵌入式实时操作系统、程序语言设计、数据结构、软件工程等教学内容；不仅具有深厚、完备的理论体系，而且强调跨学科、跨专业理论、方法、技术的融合及应用。

嵌入式系统教学改革以卓越人才培养计划为指导，在教学实践中探索卓越人才的科学培养模式，并落实到教师“教”和学生“学”的具体行动中去。

文章既对嵌入式系统教学团队教改经验进行总结，同时也对教学目标、教学理念、教学方法和教学评价激励机制进行探讨。

1 教学现状分析

嵌入式系统是以现代计算机技术为基础，以应用为中心和导向，可以根据系统或用户需求（环境、体积、功耗、成本、安全性和可靠性等），通过灵活剪裁软硬件模块并进行综合优化，以实现对微控制器功能和性能定制的一类专用计算机系统。就教学而言，嵌入式系统以“应用”为中心，集软硬件技术于一体，涉及电路、计算机、自动控制等相关专业基础课程的知识，其基础性、综合性和实践性不言而喻。课程教学要求教师具有宽广和深入的知识储备，掌握高超的教学方法，在学生对先行课程理解程度参差不齐的情况下因材施教，激发学生的学习兴趣，提高动手能力，培养创新能力和创新精神。

同济大学卓越人才培养计划实施前，嵌入式系统教学存在以下主要问题：

（1）教材内容陈旧，不能反映嵌入式技术发展的最新成就，不能满足社会发展对人才的培养需求。当前，ARM和Cortex体系架构的微控制器已成为无线通信和智能家电领域产品研发的主流…，继续一成不变地采用MCS-51等单片机教材，不仅教学内容的先进性受到限制，而且在实践环节会遇到“学非所用”的问题。

（2）教学内容繁多，但教学时间只有34课时，理论与实验教学的安排难以保证全面覆盖课程内容。

（3）教学手段单一，课堂气氛沉闷。教学照本宣科，缺乏启发式、引导式、探究式等有吸引力和挑战性的教学方法。

（4）教与学脱节。老师教与学生学无法有机地结合起来：一方面，教师以“填鸭式、灌输式教学”为主，达不到启发学生思考和引导学生学习的目的；另一方面，学生总是埋怨老师讲课不生动，上课说话、开小差、睡觉等现象较多，很少主动与老师交流，多为平时自学、考前突击。

（5）理论学习综合性不强且与实验教学联系不紧密，所学知识难以巩固、提高。主要表现在教学过程中缺乏对所涉及的先行课程知识的讲解，特别是在基础知识的综合运用方面。

（6）实验教学以验证式、案例式实验项目为主。在实验过程中学生只需按给出的实验步骤简单地连接几条线，运行给定程序，甚至不需怎么动手就能顺利完成实验。这样不利于对学生动手能力的培养，也不利于推动学生深入思考实验项目的软硬件设计等深层次和综合性问题。

（7）教学在学生自主学习能力、学术表达能力、独立与协作研究能力、创新研究能力、科学精神的培养等方面，与卓越人才培养的目标存在较大差距。

教与学是人类继承前人研究成果的重要方式。嵌入式系统课程涉及面广且内容深，很多学生觉得枯燥、难学。同济大学卓越人才培养计划的实施对我们明确教学目标、树立先进的教学理念、优化嵌入式系统教学方法、探索符合学习规律性的教学模式提供了难得的契机。

2 嵌入式系统教学改革

2.1 教学内容与教学方法

近年来，教学团队以ARM体系架构微控制器作为嵌入式系统教学的主要对象，同时审时度势，搜集、整理代表嵌入式系统前沿技术的Cortex体系架构微控制器技术资料，编写了普通高等教育“十一五”国家级规划教材《嵌入式系统及其应用——基于Cortex-M3内核和STM32F103系列微控制器的系统设计与开发》（2011年5月由同济大学出版社正式出版）。2010年教学团队使用该教材电子版开展嵌入式系统的教学与实验工作。

教学团队采用课堂讲授与实验有机结合的分班教学模式，注意理论与应用实践紧密结合，以问题驱动学生讨论，引导学生独立思考，培养他们的学习兴趣和学习的积极性、主动性。在实验教学环节，为提高学生的动手能力，教学团队降低了软硬件集成度，并在基础实验教学之外，推出智能小车的嵌入式系统开发项目，以学生为主体，辅以教师引导，将研究型教学模式引人到实验教学中。邀请企业精英参与教学，鼓励学生参与教师主持的国家级、省部级等相关性项目研究，鼓励学生参加与嵌入式系统相关的国际、国内高水平科技竞赛。

教学团队在课程的教学内容、课时安排和知识具体传授方式上制订了详细的教学方案（见表1）。

2.2 教学目标

（1）通过启发式、讨论式教学引导学生独立思考，培养学生的表达能力、交流能力、沟通能力以及创新思维能力；

（2）通过演示型、验证型实验增强学生对基础理论的理解，培养学生动手能力，巩固教学效果；

（3）通过案例式教学与实验，培养学生综合分析和运用知识解决问题的能力；

（4）通过探究式教学、课题组研究项目和国内外高水平科技竞赛，进一步引导学生独立思考，激发学生学习与研究兴趣，培养学生的求实、探索精神以及独立研究与协作研究的能力。

2.3 教学质量的考核

考核以期末考试为主，占70%；平时表现（课堂与实验教学中的表现、作业情况、实验报告等）为辅，占30%。以下为获得加分的条件，最多加10分，加分后如果总分超过100分，以100分计。

（1）完成文献综述情况，作为对学生的学术视野、学习能力等方面的综合评价；

（2）参加学术会议情况，作为对学生表达能力、交流能力和沟通能力综合评价的补充；

（3）参加科技竞赛、创新基地项目以及、申请专利情况，作为对学生探索精神和研究能力的综合评价。

3 教学效果

在同济大学卓越人才培养计划的指导思想下，以嵌入式系统的理论和技术应用为中心，以领悟学术思想为主导，教学团队努力搭建理论联系实际的桥梁，变抽象为具体，变学生被动学习为“问题驱动思考_激发学习兴趣一主动学习”的模式，营造和谐的教学氛围，形成良好的教、学互动局面，促进了对创新能力和科学精神的培养。

教学目的由过去的授业、解惑为主，转向授业、解惑、传道并重。在教学中引导学生发现问题、运用所学理论知识分析并解决问题，使他们在巩固所学知识、提高认识、加深理解的同时，掌握正确的学习与研究方法，培养并增强在学习、研究中的主体性和创新性。

在教学内容上，教学团队始终注意密切跟踪相关领域的最新研究进展，精心编写了能反映嵌入式微处理器最新成果的“十一五”国家级规划教材《嵌入式系统及其应用》。

教学方法由过去灌输式为主转向“问题导向、老师引领、学生自主、师生互动”的理论教学、实验教学和研究性教学三位一体的教学模式，主要体现在以下几个方面：

（1）打破课堂教学和实验教学的界限，利用演示性、验证性实验强化学生对基本原理、方法的理解；积极开展综合性、设计性实验和探究性创新实践活动，加强技能训练；以实验为纽带向研究性和探索性教学模式逐步过渡，开阔学生学术研究视野，实现理论教学、实验教学和创新实践有机融合。

（2）进一步丰富课堂教学与实验内容，增加趣味性和吸引性，采取问题导向的实验教学方法，以训练学生自主思维和动手实践技能为主要内容，以综合性、探究式实验项目为主要手段，提出问题，结合已经学习的模拟/数字集成电路、电机拖动、自动原理等课程，引导学生思考解决问题的思路。

（3）以优秀SITP项目、科技竞赛获奖项目等典型实验案例的分析与验证为主，组织学生对实验中出现的具体问题进行讨论，明确各实验小组解决问题的具体方案，培养学生自主观察、独立思考的能力。

（4）引导学生自主运用模拟电路、数字电路、c语言等理论知识，遵循研究思路，进行软硬件技术开发，具体实现项目规定的功能、性能以及技术指标。

（5）鼓励学生参与教师主持的各类国家级、省部级科研项目。

（6）对参与综合性、探究式实验的学生进行评价，包括学生互评和教师总结、分析，并最终形成报告。

4 对嵌入式系统教学改革的思考

在同济大学的统一部署下，教学团队对嵌入式系统课程进行了全方位的探索，从近期来看，在教学质量上取得了预期效果；而卓越人才的培养具有一定的长期性，是一种对未来卓越人才潜质（基本素质）的培养。考察同济大学卓越人才计划的进展情况，同时结合教学团队在嵌入式系统教学的深刻体会，我们认为卓越人才培养计划在未来能否取得成效关键在于以下几个方面。

4.1 明确培养卓越人才的教学目标

我国高等院校分为985、211等不同类型，其发展定位不同，教学目标也存在着一定程度的差异；因此，任何一门课程的教学改革必须服从和围绕学校教学改革的整体战略，确定与学校发展定位相适应的教学目标。另外，不同类型高校学生的素质存在差异，明确培养卓越人才的教学目标也是不同类型高校“因材施教”的客观要求。就985高校之一——同济大学的嵌入式系统教学而言，卓越人才的培养要着眼于培养学生的创新能力和科学精神。教学团队在教改过程中首先面临的什么是卓越人才这一问题？只有清楚卓越人才的内涵，才能发现教学中更深层次的问题，才能立足于学校“国际化、研究型、综合性”建设目标，从实际出发，把长远规划与教改实际紧密结合起来，制订有效教改方案，在提高学生理论水平和实践能力的同时，潜移默化地进行创新能力和科学精神的培养。

4.2 树立先进的教学理念

教学理念之于教学方法具有纲举目张的功效，同时在教学目标与教学方法之间起着穿针引线的桥梁作用。树立先进的教学理念应着眼于以下几个方面：

（1）密切跟踪相关领域的最新研究进展，不仅将嵌入式系统课程放在电子与信息工程学院各专业教学的基础性地位加以重视，而且从卓越人才的培养出发，注重教学内容基础性与先进性的统一。

（2）把教与学紧密结合起来，形成教学相长的良好局面。教学工作不能限于“传授”教材内容和相关知识，还应注重指导、引导和启发，从教学方式、教学方法上深入挖掘蕴藏于“教学”的更深层次内涵。

（3）采用理论教学、实验教学和研究性教学三位一体的教学模式，根据学生特点，有针对性地推行启发式、讨论式、引导式、案例式、探究式等多种教学传授方式，通过研究性教学持续提升学生素质与能力。

（4）营造教学、实验与研究彼此促进，学生课程学习与创新实践相得益彰的良好氛围；形成面向应用、面向大学生创新能力和科学精神培养、面向科技竞赛的，以研究型、探索型为主的教学特色。

4.3 不断优化、完善教学方法

“教”和“学”是教学的一体两面，教学质量和教学效果的好坏不能片面考察教、学主体的某一方面。正确的教学目标和科学的教学理念更有助于教学方法的优化和完善。教师应拓宽教学方法的视野，更全面地掌握先进教学方法；既要重视知识的传授，同时又要引导学生树立良好的学习态度和掌握正确学习的方法。

4.4 建立有助于卓越人才培养的教学评价激励机制

目前，我国主流高校的教学评价激励机制多以论文和项目为主要考核内容的价值导向，对教学型教师激励较少。项目研究能否取得更大成果在于研究者是否具有更强大的创新能力；而创新能力则突出地表现为我们所培养的人才能否更好地继承人类已经取得的优秀研究成果，以及在继承的基础上推陈出新的能力。教学、研究是高校发展过程中能够相互推动并形成合力的两个方面，高校应从顶层设计人手，建立科学的、更有助于卓越人才培养的教学、研究综合评价激励机制。

5 结语

随着嵌入式系统的理论与技术的飞速发展，教学团队在同济大学卓越人才培养计划指导下，积极、主动地开展嵌入式系统的教学改革与实践工作，系统地思考卓越人才培养的内在规律性，全面总结教学改革经验，为促进我们自身教学工作提供理性指导。期望研究成果能起到抛砖引玉的作用，通过沟通、交流和批评与自我批评，凝聚广大学者、专家的共识，最后形成科学的、先进的嵌入式系统教学模式。