黨會(huì)

[摘要]

為了探索學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)際動(dòng)手能力培養(yǎng)的教學(xué)模式，在教學(xué)計(jì)劃規(guī)定的必修課程之外開(kāi)設(shè)了第二課堂。基于積木式模塊化結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)了教學(xué)實(shí)驗(yàn)板，在滿足基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程的同時(shí)，通過(guò)外接各種功能模塊，實(shí)現(xiàn)常見(jiàn)電子設(shè)備、測(cè)量?jī)x器、家用電器等的設(shè)計(jì)。通過(guò)“電子精英班”、“ STM32基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)”、“創(chuàng)新一學(xué)分培養(yǎng)”等環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，誘發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力，鼓勵(lì)學(xué)生參加各種大學(xué)生競(jìng)賽。經(jīng)過(guò) 3年的實(shí)踐，第二課堂創(chuàng)新能力培養(yǎng)取得了優(yōu)異的成績(jī)。

[關(guān)鍵詞]STM32嵌入式實(shí)驗(yàn)板;第二課堂;創(chuàng)新能力培養(yǎng)

[中圖分類號(hào)]G64[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]1005-4634（2015）02-0106-03

《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》把“創(chuàng)新人才培養(yǎng)方式”列為重中之重，明確了著力培養(yǎng)一大批拔尖創(chuàng)新人才的教育改革發(fā)展目標(biāo)。學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)關(guān)系到國(guó)家建設(shè)的后繼有人、社會(huì)發(fā)展的穩(wěn)定秩序、學(xué)生個(gè)人的未來(lái)發(fā)展，作為人才培養(yǎng)主要陣地的高校理應(yīng)擔(dān)負(fù)起這一重要的責(zé)任。培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)際動(dòng)手能力是社會(huì)發(fā)展和目前就業(yè)形勢(shì)對(duì)高校教育的更高要求[1-3]。針對(duì)本科生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)，提出采用基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和第二課堂培養(yǎng)的方式，開(kāi)設(shè)了“基于STM32的創(chuàng)新一學(xué)分”課程設(shè)計(jì)[4-6]。

嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)針對(duì)特定的應(yīng)用而“量身定做”的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，涉及先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、通信、電子信息等領(lǐng)域，知識(shí)覆蓋面廣，綜合性、實(shí)踐性強(qiáng)，應(yīng)用領(lǐng)域廣[7]。目前，隨著我國(guó)嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)需求的快速增長(zhǎng)，對(duì)嵌入式領(lǐng)域的人才需求旺盛。但由于普通高校嵌入式方向師資力量薄弱，教師軟硬件知識(shí)兼通的較少，資金設(shè)備投入小，只是針對(duì)個(gè)別專業(yè)開(kāi)設(shè)了嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)課程，且實(shí)踐環(huán)節(jié)多采用外購(gòu)的實(shí)驗(yàn)箱，成本高、利用率低、不易維護(hù)。

本文應(yīng)用STM32F103ZCT6開(kāi)發(fā)了嵌入式系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)板，包括LED、按鍵、蜂鳴器、串口、I2C接口等幾部分，支持JTAG/JLINK調(diào)試，滿足嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。設(shè)備采用積木式模塊化結(jié)構(gòu)，通過(guò)外接溫濕度檢測(cè)、超聲波測(cè)距等硬件模塊，便于不斷擴(kuò)充和更新的同時(shí)減少了后續(xù)經(jīng)費(fèi)的投入額度，與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備相比有一定的設(shè)計(jì)理念，更利于學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。該實(shí)驗(yàn)板在燕山大學(xué)《嵌入式系統(tǒng)》的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)及本科生第二課堂創(chuàng)新能力的培養(yǎng)中，取得了很好的實(shí)踐效果。

1嵌入式系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)板開(kāi)發(fā)

結(jié)合本科基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)及創(chuàng)新培養(yǎng)的需要，采用積木式模塊化結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)了一套基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)板。該實(shí)驗(yàn)板針對(duì)性強(qiáng)，由于采用積木式模塊化結(jié)構(gòu)，在主板的基礎(chǔ)上，通過(guò)不斷地?cái)U(kuò)充與創(chuàng)新能力及專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)相關(guān)的硬件模塊，可以實(shí)現(xiàn)很多儀器儀表、工業(yè)控制等設(shè)備樣機(jī)。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備相比，包含了很好的設(shè)計(jì)理念，更有利于培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，同時(shí)，便于根據(jù)嵌入式系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展進(jìn)行同步更新，極大的減小了后續(xù)投資成本，更適合高校發(fā)展的需要。

實(shí)驗(yàn)板基于STM32F103ZCT6微控制器芯片，主要有LED、按鍵、蜂鳴器、串口、I2C接口等幾部分，通過(guò)20引腳標(biāo)準(zhǔn)JTAG調(diào)試接口，結(jié)合IAR集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和JLINK調(diào)試器，進(jìn)行程序下載及調(diào)試。實(shí)驗(yàn)板實(shí)物圖如圖1所示。

1） CPU。采用ST公司的32位微控制器

STM32F103ZCT6，最高頻率可達(dá)72 MHz。

2） I2C接口，可外接ROM存儲(chǔ)器、溫度傳感器等。

3） JTAG調(diào)試接口，用于程序下載調(diào)試。

4） RS232串行口，采用最簡(jiǎn)單的三線連接，通訊波特率最高可達(dá)115.2 kb/s。

5） 外設(shè)。包括4個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)，4個(gè)LED指示燈，1個(gè)蜂鳴器，可完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

2第二課堂創(chuàng)新能力培養(yǎng)教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)“基于STM32的創(chuàng)新一學(xué)分”課程設(shè)計(jì)是燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院為探索學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)際動(dòng)手能力培養(yǎng)教學(xué)模式的一次教學(xué)改革，是對(duì)課堂教學(xué)內(nèi)容的補(bǔ)充和延續(xù)，以學(xué)生興趣和自愿為前提，誘發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維，在實(shí)踐中將發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程同創(chuàng)新的過(guò)程融為一體。從某種程度上來(lái)說(shuō)，第二課堂培養(yǎng)是為學(xué)習(xí)能力較強(qiáng)的學(xué)生提供的精英教育。

2.1第二課堂創(chuàng)新能力培養(yǎng)教學(xué)環(huán)節(jié)

第二課堂以對(duì)該課程有興趣的學(xué)生為依托，自愿報(bào)名，應(yīng)用自主開(kāi)發(fā)的基于STM32F103ZCT6的實(shí)驗(yàn)板，完成“電子精英班”、“STM32基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)”、“創(chuàng)新一學(xué)分培養(yǎng)”等教學(xué)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)。第二課堂創(chuàng)新能力培養(yǎng)教學(xué)環(huán)節(jié)如表1。

“電子精英班”采用學(xué)生自愿報(bào)名、擇優(yōu)錄取的方式，以提高學(xué)生動(dòng)手能力為中心，以培養(yǎng)學(xué)生建立工程概念為主導(dǎo)，利用業(yè)余時(shí)間分三階段完成。第一階段為基礎(chǔ)知識(shí)儲(chǔ)備階段，學(xué)習(xí)基本的理論知識(shí)，以模擬、數(shù)字課程為基礎(chǔ)認(rèn)識(shí)基本的電子元器件及電子工藝焊接的簡(jiǎn)單操作。理論知識(shí)之后學(xué)生自己動(dòng)手設(shè)計(jì)一些簡(jiǎn)易的電子小產(chǎn)品，如電平指示電路、微型搶答器、觸摸延時(shí)開(kāi)關(guān)、照明定時(shí)器、腦波同步發(fā)生器等。題目任選，3人一組，資料查詢、電路設(shè)計(jì)均由學(xué)生完成，老師只負(fù)責(zé)理論指導(dǎo)和驗(yàn)收。第一階段考核通過(guò)后，進(jìn)入軟件環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，以C語(yǔ)言為基礎(chǔ)，先進(jìn)行為期2周的STM8軟件基礎(chǔ)培訓(xùn)，然后過(guò)渡到STM32的學(xué)習(xí)。

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

（基于STM32）

GPIO口實(shí)驗(yàn)（寄存器、固件庫(kù)兩種方式）;中斷控制實(shí)驗(yàn);定時(shí)器實(shí)驗(yàn);串口通信實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新一學(xué)

分培養(yǎng)

溫濕度測(cè)量?jī)x;超聲波測(cè)距儀;循跡車;無(wú)線通信;交通燈控制器;定時(shí)打鈴控制器;密碼插座;溫度控制器;射頻身份識(shí)別器;簡(jiǎn)易手機(jī)競(jìng)賽

1） 秦皇島市單片機(jī)程序設(shè)計(jì)大賽

2） “飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能車競(jìng)賽

3） 全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽

“STM32基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)”，以IAR Embedded?Workbench for ARM V5.30軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境為基礎(chǔ)，完成簡(jiǎn)單的GPIO口、中斷、定時(shí)和串口等基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，為創(chuàng)新環(huán)節(jié)打下基礎(chǔ)。

“創(chuàng)新一學(xué)分培養(yǎng)”側(cè)重于學(xué)生的動(dòng)手能力和解決實(shí)際問(wèn)題的工程能力，以實(shí)驗(yàn)主板為基礎(chǔ)，通過(guò)外接各功能模塊實(shí)現(xiàn)，具體項(xiàng)目如表1所示。3人一組，題目任選，最后以結(jié)題報(bào)告和項(xiàng)目成果形式進(jìn)行驗(yàn)收。驗(yàn)收合格，經(jīng)學(xué)院審核，由學(xué)校批準(zhǔn)通過(guò)，給予創(chuàng)新學(xué)分。

2.2創(chuàng)新一學(xué)分硬件模塊

根據(jù)創(chuàng)新一學(xué)分培養(yǎng)的需要，以實(shí)用的、常見(jiàn)的電子設(shè)備、測(cè)量?jī)x器、家用電器為設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)了10個(gè)項(xiàng)目，如表1所示。每個(gè)項(xiàng)目配備相應(yīng)的功能模塊，如在溫濕度測(cè)量?jī)x項(xiàng)目中，為學(xué)生提供DHT11數(shù)字溫濕度傳感器模塊、相應(yīng)的顯示模塊及報(bào)警模塊;在超聲測(cè)距儀項(xiàng)目中，為學(xué)生提供URM37超聲波傳感器模塊和相應(yīng)的數(shù)碼顯示模塊，精度可達(dá)1cm;在循跡車項(xiàng)目中，為學(xué)生提供電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、四輪小車，可實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向、前進(jìn)和倒退功能等等。

為完成相應(yīng)項(xiàng)目功能，學(xué)生需要結(jié)合已學(xué)知識(shí)并查閱相關(guān)資料，補(bǔ)充適當(dāng)?shù)睦碚撝R(shí)，了解各模塊功能、模塊間連接方式并編寫(xiě)程序，通過(guò)反復(fù)下載程序進(jìn)行調(diào)試，最終完成課題。項(xiàng)目完成后上交結(jié)題報(bào)告，并制作PPT進(jìn)行答辯，由指導(dǎo)教師對(duì)實(shí)驗(yàn)成果進(jìn)行驗(yàn)收，并給出成績(jī)上交教務(wù)處備案。

2.3創(chuàng)新一學(xué)分功能模塊實(shí)例

溫濕度測(cè)量在工業(yè)生產(chǎn)中是十分重要的被測(cè)對(duì)象，溫濕度測(cè)量?jī)x選題貼合生產(chǎn)實(shí)際。該項(xiàng)目基于STM32實(shí)驗(yàn)主板，提供集成溫濕度傳感器DHT11、數(shù)碼管顯示模塊、蜂鳴器報(bào)警模塊;項(xiàng)目要求每2秒鐘顯示一次溫濕度，溫度的測(cè)量精度為±1 ℃，濕度測(cè)量精度為±3相對(duì)濕度，設(shè)置溫濕度報(bào)警限，用蜂鳴器報(bào)警。項(xiàng)目結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。在系統(tǒng)正常工作情況下，顯示電路可以實(shí)時(shí)的顯示室內(nèi)的溫度和濕度;當(dāng)溫度和濕度超限時(shí)，報(bào)警電路通過(guò)蜂鳴器報(bào)警，以便實(shí)現(xiàn)溫度和濕度的調(diào)整。

第二課堂創(chuàng)新能力培養(yǎng)基于“金字塔”模式，錄取學(xué)生采取寬進(jìn)嚴(yán)出的方式，通過(guò)層層選拔，最終選取綜合表現(xiàn)優(yōu)秀的學(xué)生參加校、市、省乃至國(guó)家級(jí)比賽。選拔的優(yōu)秀學(xué)生進(jìn)入“飛思卡爾”車模實(shí)驗(yàn)室，并以小組形式參加“飛思卡爾”全國(guó)大學(xué)生智能車競(jìng)賽?；赟TM32自開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)板的第二課堂創(chuàng)新能力培養(yǎng)已開(kāi)展3年，取得了很好的效果，在“飛思卡爾”全國(guó)大學(xué)生智能車競(jìng)賽中先后獲得全國(guó)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)1項(xiàng)的優(yōu)異成績(jī)。

第二課堂創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供了一種全新的學(xué)習(xí)方式，建立了一個(gè)完整的集趣味性、實(shí)用性、創(chuàng)新性為一體的教學(xué)體系，為學(xué)生培養(yǎng)專業(yè)興趣、拓寬專業(yè)知識(shí)、開(kāi)闊視野、培養(yǎng)創(chuàng)新能力搭建了一個(gè)廣泛的活動(dòng)平臺(tái)。不僅能激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，而且在實(shí)踐中培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，使學(xué)習(xí)由被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)，在“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題再發(fā)現(xiàn)問(wèn)題再解決問(wèn)題”的過(guò)程中，達(dá)到創(chuàng)新能力培養(yǎng)的目的。而基于積木式模塊化的實(shí)驗(yàn)設(shè)備模式，有極大的靈活性，降低了后期資金投入，符合各高校發(fā)展需要。

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Second classroom innovation capability training

based on self-developed experimental board of STM32

DANG Hui

（Institute of Elecrical Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei066004，China）

AbstractIn order to explore the teaching mode of students′ innovative ability and practical ability，the second classroom was

offered in addition to the teaching plan compulsory courses. Cordwood system modularization structure was used to develop the

teaching experimental board，it can meet the basic experimental courses，at the same time，it can realize designing of common elec

tronic equipment，measuring instruments，household appliances etc.，through the external of various functional modules.Through

the study of "electronic elite class"，"STM32 basic experimental teaching"，"innovation one credit training" and so on，inducing

students′ innovation thinking，training students′ capability of engineering practice，encouraging students to participate in various

competitions.The second classroom innovation cap ability training has achieved excellent results by the practice of 3 years.

Key wordsSTM32 embedded experimental board;second classroom;innovation capability training