教育部产学合作协同育人教学内容和课程体系改革项目申报书-基于华为鲲鹏云平台的多维嵌入式实践教学改革

2023年美丽软件科技有限公司教育部产学合作协同育人项目申请书项目名称：基于华为鲲鹏云平台的多维嵌入式实践教学改革负责人：联系电话：工作邮箱：学校名称：通信地址：二○二三年七月制填表说明(1)全日制本科高校在职教师或在校学生；(2)原则上不接受之前已获得过同类项目资助的重复2.有关项目内容、具体要求和说明请参考项目申报指3.项目负责人填写的内容由所在单位负责审核，所填内容必须真实、可靠。4.申请书由项目负责人填写并手写签名，报送所在高校主管部门审查、签署意见并盖章后，将扫描文件上传到项目平台()。项目概况(单选)项目负责人(主要教学及科研工作)获得蓝桥杯软件设计大赛省赛二等奖2020.10操作系统慕课设计和制作的探究2024.6疫情下教师在线教学能力提升的探究项目主要成员(不含项目负为应对新一轮科技革命和产业变革带来的挑战，满足以新技术、新产业、新业态和新模式为特征的新经济对高等工程教育改革的强烈需求[1]，教育部于2017年提出了新工科建设的概念，并于2018年与中国工程院联合发布《关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0的意见》[2]（以下简称《意见》），掀起工科教育改革的浪潮。嵌入式系统是物联网、人工智能等技术的核心，嵌入式课程是电子信息类学生的重要专业课程，对培养具有优质工程能力的技术人才，促进嵌入式产业发展具有重大意义[3]。目前，嵌入式课程实践教学并未达到《意见》要求，不仅大多实验内容陈旧，而且只重视对学生系统实现能力的培养，不考虑学生的个体化差异，导致学生的实践能力与产业需求脱节。基于华为鲲鹏云平台的多维嵌入式实践教学方法，通过华为鲲鹏云将嵌入式实践与前沿技术紧密结合，并考虑个体特性及其发展意愿和能力培养要求，对学生进行差异化培养与多维的工程能力锻炼，实现产学融合的目标。1

嵌入式课程教学存在的问题（1）实验教学方法缺乏对创新意识和工程能力的培养，与产业要求脱轨。相较于理论教学，嵌入式实践教学通常没有得到足够的重视，教学方法一般为在理论知识的基础上进行验证性实验，仅强调单一的系统实现，忽略了创新思维、二次开发、文献检索等多元化工程能力的锻炼，内容单调，难以提高学生的学习主动性、积极性和参与度，总体教学效果不佳。（2）实践教学课时不足，学生动手能力培养效果欠佳。嵌入式课程教学离不开实验箱或专用开发板，因此实践只能于课堂时间在实验室开展，存在一定限制。有限的课时内大部分学生无法完成既定的实践内容，课后又缺乏设备，造成学生有效实践时间不足，动手能力培养效果欠佳。（3）教学设备老旧，利用率低[2]。随着科技的快速发展，嵌入式软硬件更新换代迅速，芯片和系统不断迭代变更，而校内设备老旧，跟不上技术发展潮流，导致实践教学与工程需要脱轨。另外，专用实验箱仅用于实践教学，在竞赛和其他项目中很可能要重新购买类似设备，造成资源重复与浪费。（4）考核方式单一，重理论而轻实际。嵌入式教学本质在于促进学生掌握嵌入式工程能力，具备从事嵌入式工作的良好基础，而目前的考核制度理论成绩占比较大，实践重视程度不足，不考虑人才和工程能力的差异化，尚未形成全面合理的评价体系。2

华为鲲鹏云平台与多维实践教学应用优势2.1华为鲲鹏云平台应用优势华为鲲鹏处理器是华为自主研发的兼容ARM指令集的计算机处理器芯片，以其为基础构建的具有完整服务生态、兼具开放性和自主性的鲲鹏云平台应用于高校嵌入式实践教学中将具有以下优点。（1）突破实践课时不足的限制，提供充分的课后训练机会，便于实践教学的开展。基于华为鲲鹏云开展实验克服了嵌入式实践教学对于专用实验箱的依赖，解放了实践学习的有效时间，使得后续开展意在锻炼学生多维工程能力的综合性设计成为可能。（2）线上操作克服空间限制，适应常态化疫情防控下的教学模式。在疫情时期，选择线上教学与实践操作能够为课程的正常有序开展提供保障。（3）平台更新换代紧跟嵌入式最新发展趋势，消除当前课程与前沿技术结合不紧密的问题，解决了线下实践中由于实验设备导致的实验内容陈旧、理论与工程脱节、开发板故障频出等问题，能够更贴合当前工程需求进行实践教学。（4）避免教学设备资源浪费。华为鲲鹏云可用于多场景教学，并且即用式服务不须永久购买，不存在设备浪费的问题。2.2差异化培养与多维实践教学特色差异化培养与多维实践教学是指针对不同发展意愿的学生有差异性地分阶段分层次锻炼不同的工程能力，其与嵌入式实践教学结合具备以下特色。（1）符合国家“新工科”要求，强化实践教学的工程属性[4]。通过多维实践教学锻炼二次开发、系统实践、创新思维、仿真分析等多元工程能力，促进嵌入式教学以学科为导向转变为以产业需求为导向，加快培养引领科技革命和产业变革的工程人才。（2）因材施教，差异化培养，个性化引导。依据学生的发展意愿对各阶段工程能力按照不同要求层次进行锻炼，设计合理的考核方式，强调实践前引导与实践后复盘，帮助学生客观、全面、真实地认识并提高自我。（3）以项目为驱动，以就业为导向，协助学生规划职业方向。通过项目贯穿式的嵌入式综合实验设计实践帮助学生认清产业分工需求和自身优缺点，利于其结合自身特点和产业缺口规划职业方向，并且有针对性地强化工程能力。（4）多维实践教学内容丰富，学生参与度高。有别于传统嵌入式实践教学，多维实践逐层递进，从前期调研到方案设计再到实践总结，充实丰富的实践环节有助于吸引学生的兴趣，让学生做课堂的主人。本次项目的实施为后续企业与高校的合作搭建了平台，具有桥梁的作用，项目实施的意义较大。2.项目培训方式：本项目培训的方式更加多元化，采用线上线下、理论+实践相结合的培训方式。大数据分析相关师资培训研议报告及大数据分析技术相关学习资料等，。在进行线下培训时，采用理论+实践的培训方式，不仅要注重理论知识，还要注重实战锻炼，在实学习成效。为了提高教师的学习效率，以及更好地掌握教师培训情况，本项目采用以任务为导向，将培训内容分解成每天的学习任务，最后以学习日志和课程设计的形式提交。除进行线下培训外，还可以带领高校教师参观企业，组织专任教师去企业顶中去。项目实施的途径和方式更加多元化，更具有趣味性，可以训。3.项目培训内容：本项目实施目的是提高教师专业技能、教学能力和课程建设水平。本项目对教师专业技能的培训更注重教师实践能力的提升，培训内容不拘泥于课本理论，侧重于大数据分析技术在企业中的实际应用。通过实际项目演练，加深教师对所学知识点的理解和掌握，使得教师通过培训达到大数据专业的能力要求。嵌入式实践教学改革思路如图1所示，改革要在夯实嵌入式基础知识的前提下进行，因此搭建合理的课程结构和课程知识体系是改革的第一步。课程基础知识包含ARM体系结构、ARM指令集、ARM汇编语言、C语言编程方法等理论知识。为在华为鲲鹏云上更好地开展实践，在讲授中穿插融入华为鲲鹏云相关的理论知识和配套实验，如利用鲲鹏处理器流水线优化代码性能、鲲鹏应用开发和代码迁移、鲲鹏基础设施等。在构建完备的嵌入式基础知识前提下，改革重点在于基于鲲鹏云开展以项目为导向的开放式综合实验，分阶段锻炼学生不同的工程能力，分能力分层次进行项目考核，以学生的个性化差异为区分，帮助学生发掘自身发展潜力。①项目开启前，通过启发式讨论引导学生针对当下嵌入式工作所要求具备的各项工程能力如系统实现、创新思维、软硬件资源整合与二次开发等进行自我评估，提出自我期望的人才发展方向。②在项目中，对实践的各个环节进行明确的能力锻炼和层次要求规划，设计三维锻炼方法，以供每阶段侧重培养和后期考核使用。③另外，还要对教学要求进行适当调整，在需求分析时给学生适当的提示，放宽指标与要求，鼓励学生多渠道收集应用场景相关资料和参考方案，在初步设计和详细设计等阶段注重项目需求说明书、系统方案的创新性、工程结合度、规范性和完整性，着重培养学生自主探索解决问题的素养。④在综合实验结束后，依据个人发展意愿进行差异化评价，并带动学生进行自我评价与互相评价，分析自我工程能力的薄弱点，与个人发展意向进行对比，重新定位。嵌入式实践教学改革实施过程1课程基础知识构建课程结构划分为3个模块，即教学模块、实验模块和考核模块[5]。3个模块相辅相成，逐步递进。①教学模块将课堂讲授和讨论相结合，主要内容围绕ARM指令系统、华为鲲鹏ARMv8处理器架构、嵌入式系统应用领域和应用案例展开。②实验模块包含平时实验和综合实验两种类型，二者都基于华为鲲鹏云平台在课下进行。前者旨在帮助学生掌握嵌入式基本原理和应用方法，主要按照实验指导书随课程进度开展；后者采取开放式选题、多维锻炼的方法。③考核模块由平时考核和最终考核双环构成。平时考核通过综合学生考勤、课堂表现、实验报告规范性和独立思考成果给出评价；最终考核以综合实验成果为准，采取差异化评价，结合综合实验选题的多维锻炼方法和学生个人就业倾向进行评分。课程实验设计对课程体系构建具有重要意义，不仅能够加深学生对于嵌入式指令系统、汇编语言的理解，还能够增强其解决实际问题的能力。本课程实验设计分为4个层次，组成结构和各实验内容如图3所示，基础案例、应用案例、提高案例和开放案例由易到难，由浅入深，逐渐强化，稳步提升。验证和设计性实验帮助学生掌握原理，探索应用，思考问题解决方法；多维综合实验提高学生对工程属性的认知，多方面锻炼其工程能力。2嵌入式综合实验设计综合实验开放多个选题，以基于鲲鹏处理器的水上障碍物识别这一选题为例设计综合实验能力锻炼方法。该方法具有时间轴、能力轴和层次要求轴3个维度，时间轴划分为需求分析、初步设计、详细设计、开发、测试和总结6个阶段，能力轴划分为文献检索、系统实现、二次开发、模拟仿真与结果分析、文档撰写和创新思维6种重要工程能力，层次要求轴从易到难划分为基本、综合和拓展3个层次，在不同阶段按照不同层次要求选择性地锻炼多项工程能力。（1）需求阶段：教师模仿客户与学生沟通，提出基本需求和可扩展需求，启发学生通过咨询、查阅文献、现场观察等渠道搜集自然水域运动场景中障碍物影响情况。在锻炼文献检索能力过程中，学生了解项目背景和价值，确定应用场景，分析约束条件，划分功能需求与非功能需求，对各模块进行详细说明，撰写规范全面的需求文档。（2）初步设计阶段：学生针对需求文档多渠道检索可供参考的自然水域运动场景障碍物识别常用方案，结合鲲鹏处理器架构分析参考方案可行性，确定参考方案和项目流程；基于参考方案准备障碍物识别算法的相关文献、开发工具、技术文档等辅助资源，理解学习算法关键内容，掌握开发工具的使用方法和鲲鹏处理器代码迁移方法，锻炼在辅助资源基础上二次开发的能力；复现并对比备选的参考算法，根据复现对比分析结果选择合适的算法后续应用。在拓展层面鼓励学生思考前沿技术或创新方法应用的可能性，培养创新态度及意识。（3）详细设计阶段：结合需求和确定的算法，基于辅助资源设计系统整体方案，包括系统架构设计、系统结构设计、系统内外部接口设计和整体流程设计；确定各子模块的实现方案，结合掌握的计算机技术手段评估系统实现性。在拓展层面鼓励学生对方案细节进行创新。（4）开发阶段：基于鲲鹏云平台，综合应用嵌入式知识根据系统方案开发实现各子模块的功能，包括制作水上障碍物数据集、数据增强处理模块、水上障碍物图片检测模块、视频处理模块、视频控制模块、可视化模块等。在该阶段主要锻炼学生计算机技术应用和系统实现能力。（5）测试阶段：制订系统测试方案，考虑软硬件测试环境和测试范围，设计功能、接口、性能、稳定性等多方面的测试内容和测试方法。依据实现标准观察、对比、分析测试结果，根据测试结果查找、排除并解决技术问题，撰写测试文档。在拓展要求层面，鼓励学生转换思维，以用户视角结合水上场景寻找项目不完备之处，持续性完善开发实现的功能。（6）总结阶段：综合实验结束后，回顾实践全过程对综合实验完成度进行自我评估，思考自身掌握的嵌入式理论知识和鲲鹏云应用知识的不足之处，同时对同学作品进行互相评价，对比分析自身工程能力的优势和薄弱点，反思自身发展方向，形成简明的总结文档。针对嵌入式综合实验部分单独设计考核评价方式。6项工程能力按照时间轴顺时针形成6个闭环，通过考查学生各阶段提交的材料和表现判断其实践达成情况，进行相应评分，再对基本、综合和拓展要求赋不同权重，环形加权求和得到单项能力成绩；对设计开发、管理规划、销售服务等不同职业发展方向分别设定能力权重，按照学生在综合实验前提出的个人发展方向意愿，将个人的每项工程能力得分加权求和，得到综合实验最终评价成绩，实现个体差异化考核。通过各项能力和发展方向两个层面的考核，能够全面、客观并差异化地检验学生的工程能力优缺点和个人发展特质，协助其后续调整进步。3嵌入式课程考核方式设计本课程的考核由平时表现、普通实验和综合实验3部分组成，为强调学生解决复杂工程问题的动手实践能力，提高学生的学习主动性和课堂参与度，加大了实验成绩的占比，具体课程考核设计见表1。通过本课题的研究，力求达到以下预期目标：（1）对区域代表性企业进行调查走访，通过调查结果分析得到围绕软件工程专业人才培养方案要求及毕业要求的解决复杂工程问题的创新能力需求报告；（2）校企双方教师尝试在嵌入式核心课程的实践教学中将OBE教学模式进行应用，包括共同进行项目选择、案例设计、场景设计及实施过程；（3）校企双方教师在课程设计中加入师生协同创新，制定过程化考核机制，完善软件工程专业课程体系；（4）形成带有实践效果的应用研究报告；（5）发表教学改革论文1-2篇。2023年8月-2023年1月：开展性工科产教融合、校企合作模式相关外政策及文献的整理，并对相关文献和法规进行研究探索，深入理解国家对新工科专业人才需求的具体标准和方向，并以此为基础对国内知名高校新工科专业建设现状进行调研，收集整理相关信息资料，通过学术交流等方式与领头高校专业负责人和领域专家进