基于項目驅(qū)動的“嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用”課程研究性教學(xué)探索

萬里冰，郭保青，霍凱

摘? ? 要：“嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用”課程具有內(nèi)容多、實踐性強的特點，以培養(yǎng)學(xué)生的計算機測控技術(shù)工程應(yīng)用能力為目標(biāo)。文章基于研究性教學(xué)理念，采用教師講授與學(xué)生實踐操作緊密結(jié)合的教學(xué)模式，通過項目驅(qū)動、講練結(jié)合和專題研究等教學(xué)方法，強化學(xué)生對知識的理解和應(yīng)用能力，有效調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，拓展綜合能力，促進學(xué)習(xí)與研究的有機結(jié)合。

關(guān)鍵詞： 嵌入式系統(tǒng)；項目驅(qū)動；專題研究；教學(xué)探索

中圖分類號：G642.0? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2023）06-0068-03

研究性教學(xué)是指在教學(xué)過程中，學(xué)生在教師指導(dǎo)下通過以“自主、探究、合作”為特征的學(xué)習(xí)方式對當(dāng)前教學(xué)內(nèi)容中的主要知識點進行自主學(xué)習(xí)、深入探究并進行小組合作交流，從而較好地達到課程目標(biāo)要求的一種教學(xué)模式[1]。近年來，研究性教學(xué)已引起了國內(nèi)外部分高校及學(xué)者的關(guān)注，并進行了廣泛的研究和實踐。項目驅(qū)動教學(xué)則是指教師將課程主要知識點融合到項目，通過課堂講授與項目實訓(xùn)相結(jié)合的方式使學(xué)生掌握課程知識點并提高學(xué)生的實踐能力[2-3]?！扒度胧较到y(tǒng)原理及應(yīng)用”是北京交通大學(xué)機電大類專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，課程內(nèi)容是以STM32F1系列微控制器為核心，講授嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的基本原理和設(shè)計方法，為解決測控系統(tǒng)復(fù)雜工程問題奠定基礎(chǔ)。該課程具有應(yīng)用性、實踐性強的特點，使其較為適合開展講授與項目實踐相結(jié)合的研究性教學(xué)。為了幫助學(xué)生更深刻掌握嵌入式系統(tǒng)相關(guān)知識，提高解決實際工程問題的能力，課程組通過項目驅(qū)動、講練結(jié)合、課堂實驗與課下實訓(xùn)相結(jié)合等多種教學(xué)形式，開展了研究性教學(xué)的探索和嘗試。

一、研究性教學(xué)方案的建立

（一）確定課程目標(biāo)

“嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用”課程的主要任務(wù)是讓學(xué)生學(xué)習(xí)STM32 Cortex M3體系結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、開發(fā)環(huán)境、各類硬件資源及系統(tǒng)設(shè)計方法，培養(yǎng)學(xué)生進行嵌入式系統(tǒng)硬件開發(fā)與軟件編程的能力。在對課程內(nèi)容進行了梳理，并對沿襲多年的傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足進行了分析之后，根據(jù)課程所支撐的畢業(yè)要求指標(biāo)點確定課程目標(biāo)為以下幾點。

一是能夠解釋說明嵌入式系統(tǒng)的基本知識、基本工作原理，并能正確運用STM32 ARM軟硬件系統(tǒng)構(gòu)成的基本原理和基本設(shè)計方法，為解決測控系統(tǒng)復(fù)雜工程問題奠定專業(yè)基礎(chǔ)。二是能夠應(yīng)用本課程所學(xué)基本原理及基本設(shè)計方法結(jié)合文獻檢索等，針對測控系統(tǒng)復(fù)雜工程問題的設(shè)計開發(fā)要求，明確設(shè)計目標(biāo)并進行功能原理分析，提出可行的系統(tǒng)設(shè)計方案。三是能夠正確運用相關(guān)儀器設(shè)備完成微型計算機軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計實驗，記錄實驗過程，進行結(jié)果分析，獲得實驗結(jié)論。

四是能夠正確運用STM32常規(guī)開發(fā)工具，開展測控系統(tǒng)復(fù)雜工程問題的仿真、分析、綜合調(diào)試與設(shè)計。

（二）項目驅(qū)動的研究性教學(xué)方案構(gòu)建

作為一門微處理器應(yīng)用類課程，本課程內(nèi)容涉及嵌入式處理器資源較多，而實踐是學(xué)生牢固掌握本課程知識的必要手段。因此，本課程教學(xué)強調(diào)課堂講授與動手實踐相結(jié)合，通過大量實驗及項目實訓(xùn)提升學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計與運用能力。為適應(yīng)課程應(yīng)用性、實踐性強的特點，課程組構(gòu)建了項目驅(qū)動的研究性教學(xué)方案，確定主要依托課堂實訓(xùn)項目、設(shè)計性實驗、研究性專題三種教學(xué)方法開展本課程的研究性教學(xué)，教學(xué)方案構(gòu)成及相互之間關(guān)系如圖1所示。教學(xué)方案以學(xué)生親手進行項目實踐操作為手段，以強化學(xué)生對知識的理解和應(yīng)用能力，形成教師講授與學(xué)生動手實踐的緊密結(jié)合。

項目驅(qū)動的研究性教學(xué)方案需要與課程知識點緊密相關(guān)的實踐項目以及嵌入式硬件系統(tǒng)的支撐，因此課程組首先針對STM32微控制器的硬件資源，設(shè)計供學(xué)生課上實踐用的實驗項目，以實驗項目驅(qū)動學(xué)習(xí)，項目內(nèi)容緊密結(jié)合工程案例或研究性專題，難易選取得當(dāng)。其次，為切實提高學(xué)生的硬件開發(fā)與軟件編程能力，真正實現(xiàn)以項目驅(qū)動課程學(xué)習(xí)，課程組研制了便攜式開發(fā)板，并批量制作，將開發(fā)板分發(fā)給每一個學(xué)生?；诒銛y式開發(fā)板，學(xué)生在課堂上能立即進行實踐操作，通過講練結(jié)合的方式，結(jié)合課堂研討，解決學(xué)生的能力拓展問題；同時，學(xué)生在課下也可以完成對軟硬件設(shè)計作業(yè)和實驗的驗證，實現(xiàn)學(xué)生課上、課下隨時隨地能開展實踐項目。

二、項目驅(qū)動研究性教學(xué)的實施

（一）便攜式開發(fā)板的研制

硬件資源豐富、工作可靠、便于應(yīng)用與攜帶的開發(fā)板對學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)課程具有重要意義，也是開展項目驅(qū)動的研究性教學(xué)的基礎(chǔ)，課上的項目實訓(xùn)、實驗室實驗以及課下實踐作業(yè)的完成均需嵌入式開發(fā)板。因此課程組研制了與課程內(nèi)容匹配的便攜式開發(fā)板系統(tǒng)，系統(tǒng)采用ST半導(dǎo)體公司的STM32F103VCT6微控制器為主控芯片，可通過USB口或X12插針兩種方式提供5V工作電源，輸入電流不大于500mA。輸入5V電壓經(jīng)轉(zhuǎn)換電路后變?yōu)?.3V，標(biāo)記為P3v3，可通過X1插針為其他器件提供3.3V電源。

開發(fā)板采用ST LINK仿真器進行程序調(diào)試和下載，具有LED發(fā)光二極管、按鍵、OLED顯示屏、傳感器DS18B20或溫濕度傳感器DHT11接口、光敏電阻、8MB的FLASH存儲器、SPI擴展模塊接口等硬件資源或接口。開發(fā)板主要功能如下。

（1）3個LED發(fā)光二極管和3路幅值3.3V的數(shù)字量輸出口；（2）4個按鍵；（3）4位0.36吋共陰極LED數(shù)碼管；（4）1片0.96 吋IIC接口的128x64OLED顯示屏；（5）1路USB轉(zhuǎn)RS232電路（CH340C）；（6）1路單總線溫度傳感器DS18B20或溫濕度傳感器DHT11接口；（7）1路模擬量輸出的溫度傳感器AD590電路；（8）1片8MB的FLASH存儲器（華邦25Q64）；（9）1個TTL電平的串口擴展模塊接口；（10）1個SPI擴展模塊接口； （11）34路外擴接口。

（二）項目驅(qū)動的課堂教學(xué)

課堂講授是知識傳播的重要環(huán)節(jié)，“嵌入式原理及應(yīng)用”課程內(nèi)容多且知識點瑣碎，學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)中常感到理解困難，實踐時無從下手。在教學(xué)過程中為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，在課堂中積極思考并能參與到教學(xué)過程中，結(jié)合課程的應(yīng)用性、實踐性強的特點，課程組采用了“項目驅(qū)動”這一教學(xué)方法[4-5]。

根據(jù)每一章節(jié)的課程內(nèi)容和要求，課程組設(shè)計了便于在教師課堂講授后可立即開展的學(xué)生實訓(xùn)項目。例如，在“STM32 GPIO控制”這一章中，教師設(shè)計了LED點亮控制的課堂實訓(xùn)項目。課堂講授時，將日常生活中的街邊霓虹燈種類、應(yīng)用和顯示形式引入課堂教學(xué)內(nèi)容，同時從微控制器選擇、人眼視覺暫留、滾動顯示等方面剖析系統(tǒng)功能和控制方法，使得作為初學(xué)者的學(xué)生對嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)生感性認識，同時認識到應(yīng)用本課程知識可以解決很多日常生活中的實際問題，進而產(chǎn)生對這門課的濃厚興趣。在講授“計數(shù)器/定時器”單元時，先以如何測量方波的寬度和頻率引導(dǎo)學(xué)生思考，因為此問題易于理解且與學(xué)生日常學(xué)習(xí)和生活密切相關(guān)，能快速吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生的思考和學(xué)習(xí)熱情，并實現(xiàn)了師生的良好互動?；谡n程大綱要求和課程章節(jié)安排，共安排了10個課堂實訓(xùn)項目，項目名稱分別為LED點亮控制、LED流水燈控制、基于中斷的LED亮滅控制、基于外部按鍵中斷的計數(shù)器設(shè)計、1秒定時的獲得、PWM波的產(chǎn)生、字符串的發(fā)送和接收、基于通信的按鍵狀態(tài)采集顯示與控制以及基于SPI的25C64存儲器讀寫。教師在課堂上講授完本章節(jié)知識點的主要內(nèi)容后，即要求學(xué)生立即進行程序編制，并基于自己的開發(fā)板上進行程序調(diào)試和下載，教師在學(xué)生的課堂項目實訓(xùn)中主要擔(dān)當(dāng)引導(dǎo)和答疑解惑的角色。“項目驅(qū)動”下的學(xué)習(xí)使學(xué)生在課堂上能立即進行實踐操作，教師通過講練結(jié)合的方式，結(jié)合課堂研討，促進了學(xué)習(xí)與研究一體化，解決了學(xué)生的能力拓展問題。

（三）實驗室實驗

基于課程大綱要求和課程章節(jié)安排，共安排了6個實驗室實驗，實驗項目分別為LED顯示控制、方波輸出與頻率檢測、LED呼吸燈與電機調(diào)速、基于I2C的液晶控制、A/D、D/A及DMA數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移以及uCOS-III操作系統(tǒng)驗證。實驗室實驗的特點是具有一定的設(shè)計性和綜合性，要求學(xué)生在實驗前必須完成實驗程序的設(shè)計，在實驗室實驗過程中主要完成系統(tǒng)的軟硬件聯(lián)合調(diào)試，修改程序錯誤，實現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)定功能。完成實驗后要求學(xué)生撰寫詳盡的實驗報告，鍛煉學(xué)生的總結(jié)能力，也為撰寫科技論文奠定了基礎(chǔ)。

（四）研究專題的開展

為幫助學(xué)生建立系統(tǒng)設(shè)計的意識，并能夠完成功能較為完整的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)，課程設(shè)置了專題研究的環(huán)節(jié)。專題題目具有一定的綜合性和工程背景，要求學(xué)生以4人為一組，組內(nèi)學(xué)生分工和協(xié)作，在課后進行具體的設(shè)計開發(fā)工作。專題研究應(yīng)按照工程項目研發(fā)的步驟展開，學(xué)生經(jīng)過文獻檢索、技術(shù)資料分析與總結(jié)以及系統(tǒng)需求分析后，建立符合題目要求、能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)預(yù)定功能的總體設(shè)計方案，完成嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的功能模塊劃分、元器件選型、接口電路設(shè)計和軟件開發(fā)。研究專題基于分發(fā)到每個學(xué)生手上的開發(fā)板進行軟硬件聯(lián)調(diào)，通過運行結(jié)果驗證系統(tǒng)設(shè)計的正確性和完整性。

研究專題的主要考核點為系統(tǒng)方案設(shè)計、系統(tǒng)預(yù)定功能完成情況、PPT制作與講解、專題報告四部分。要求系統(tǒng)方案要完整，傳感器選型及調(diào)理電路正確，PPT制作美觀規(guī)范，講解清楚。針對專題報告的撰寫提出明確和具體要求，要求學(xué)生按照報告模板撰寫，格式應(yīng)規(guī)范。其中，文獻檢索要求不能少于15篇期刊論文，在報告中要有對應(yīng)標(biāo)注，報告中應(yīng)有系統(tǒng)設(shè)計的社會性和經(jīng)濟性分析，以滿足課程目標(biāo)和工程專業(yè)認證的相關(guān)要求。項目答辯和演示安排在課內(nèi)進行，由每一小組全部學(xué)生對該組的設(shè)計方案、軟硬件設(shè)計和運行結(jié)果進行講述和演示，演示結(jié)束后由教師和同學(xué)提問。研究專題成績主要依據(jù)學(xué)生對資料查閱總結(jié)情況、系統(tǒng)功能實現(xiàn)程度、小組分工與合作、報告完整與規(guī)范、演示答辯和回答問題情況，學(xué)生研究專題成績則以一定比例計入課程最終期末考核總成績。研究專題的設(shè)立鍛煉了學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力，促進了學(xué)生對課堂基礎(chǔ)知識的吸收和運用。學(xué)生在專題研究的過程中，真正體驗到了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的樂趣，增加了對專業(yè)的理解和熱愛，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計奠定了堅實基礎(chǔ)。研究性專題的開展也使學(xué)生意識到網(wǎng)絡(luò)資源的重要性，培養(yǎng)了學(xué)生借助互聯(lián)網(wǎng)資源解決問題的習(xí)慣。項目小組成員間的分工與協(xié)作，也培養(yǎng)了團隊精神，使學(xué)生體會到工程項目設(shè)計中分工與合作重要性。

（五）課程綜合考核方法的設(shè)計

考核方式直接影響學(xué)生對課程的重視程度以及學(xué)習(xí)效果，科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目己朔绞侥苡行Т龠M學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高教學(xué)質(zhì)量。由于本課程實踐性強的特點，課程考核方式具有一定的特殊性和復(fù)雜性。由于在課上、課下引入了大量的實踐操作，課程的綜合考核方法成為重要問題。課程組建立了與課程教學(xué)模式和特點相適應(yīng)的課程綜合考核方法，將評價和考核融入學(xué)生課程學(xué)習(xí)的全過程，課上以課堂實訓(xùn)實踐項目完成情況、實驗室實驗完成情況為主要考核依據(jù)，而課下以實踐作業(yè)完成質(zhì)量、研究專題完成情況、實驗預(yù)習(xí)情況、期末上機綜合實踐項目完成情況為考核依據(jù)，形成過程性與總結(jié)性評價有機結(jié)合的課程綜合考核方法，課程主要考核環(huán)節(jié)及各環(huán)節(jié)成績占課程總成績的比例如表2所示。

研究專題占期末總成績的15%，主要考核點為小組分工、系統(tǒng)方案、系統(tǒng)預(yù)定功能完成情況、PPT制作與演示、專題報告撰寫情況。系統(tǒng)方案應(yīng)完整，模擬出智能家電的主要功能，傳感器選型及調(diào)理電路正確，基于研究方案完成的系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)在開發(fā)板上模擬完成系統(tǒng)預(yù)定功能。研究報告作為學(xué)生對整個專題研究的一個總結(jié)，報告質(zhì)量主要從報告格式規(guī)范性與完整性、報告內(nèi)容兩方面進行評價，總體上要求撰寫態(tài)度認真、格式規(guī)范、結(jié)構(gòu)完整、內(nèi)容詳實、舉例恰當(dāng)、圖文并茂、篇幅符合要求。為了進一步提高設(shè)計報告撰寫質(zhì)量，課程組編寫了《研究專題指導(dǎo)書》和《研究報告模板》，其中明確而詳細地規(guī)定了報告結(jié)構(gòu)、格式以及應(yīng)包含的內(nèi)容，要求學(xué)生在設(shè)計報告時要有專門的章節(jié)來闡述非技術(shù)性畢業(yè)要求相關(guān)問題，撰寫內(nèi)容也應(yīng)覆蓋課程大綱規(guī)定的課程所支撐的全部非技術(shù)性畢業(yè)要求指標(biāo)點，并對每一部分內(nèi)容制定了較為詳細撰寫要求。

三、結(jié)論

基于項目驅(qū)動的“嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用”研究性教學(xué)模式將教學(xué)工作中教師的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體作用有機結(jié)合起來，通過課堂實訓(xùn)項目、實驗室實驗、專題研究等多種形式展開教學(xué)活動，有效地調(diào)動學(xué)生主動思考和學(xué)習(xí)的積極性，鍛煉了學(xué)生綜合運用所學(xué)知識解決實際工程問題的能力，促進了學(xué)習(xí)與研究的有機結(jié)合。

參考文獻：

[1]張妍.“微機原理及應(yīng)用”研究性教學(xué)模式探索與實踐[J].實驗室科學(xué)，2017（4）.

[2]鄧麗.基于項目驅(qū)動的數(shù)據(jù)庫系列課程教學(xué)研究[J].軟件工程，2019（10）.

[3]楊欣，周群.基于項目驅(qū)動的大學(xué)基礎(chǔ)實驗教學(xué)探索與研究[J].實驗室科學(xué)，2019（12）.

[4]姜琳穎，程維.基于OBE理念的項目驅(qū)動式計算機組成原理教學(xué)方法探索[J].計算機教育，2021（10）.

[5]高巖，林穎.目驅(qū)動的線上線下啟發(fā)式深度學(xué)習(xí)實踐教學(xué)探索[J].計算機教育，2021（9）.

[責(zé)任編輯? 巴登其其克]