杜立嬋 王彪 趙云 張青

【摘要】本文闡明在“1+X”證書制度試點制度下物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)嵌入式單片機技術(shù)及應(yīng)用課程的考證目標及要求，分析課程教學現(xiàn)狀及問題，提出在課程改革實踐中采取基于項目應(yīng)用設(shè)計課程體系、基于項目驅(qū)動設(shè)計教學方法、深化產(chǎn)教一體化教學模式、建立多維度考核評價機制等四個策略，以提高學生的嵌入式開發(fā)設(shè)計能力、提高該課程的教學效率。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng) “1+X”證書 嵌入式單片機技術(shù) 課程改革

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2022）12-0161-04

國務(wù)院印發(fā)的《國家職業(yè)教育改革實施方案》中明確指出，高等職業(yè)教育是培養(yǎng)復(fù)合型技術(shù)技能人才及大國工匠的重要方式，其重點工作是如何提升學生的實際操作能力、工程實踐能力和就業(yè)水平。同時該方案提出了在職業(yè)院校和應(yīng)用型本科高校啟動“學歷證書+若干職業(yè)技能等級證書”的試點工作（簡稱“1+X”證書制度），并針對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)設(shè)置了“傳感網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)”職業(yè)技能等級證書。因此需要對職業(yè)教育現(xiàn)存的課程內(nèi)容、教學方式以及教學手段進行相應(yīng)改革與探索，以實現(xiàn)高等教育與工程實踐的有機融合。

傳感網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈中基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性崗位，是最具物聯(lián)網(wǎng)特征的專業(yè)技術(shù)崗位。在2019年公布的第二批“1+X”證書制度試點證書中，筆者所在的南寧職業(yè)技術(shù)學院物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)成功入選“傳感網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)”（中級）證書項目試點。本文探索在“1+X”證書制度下，依據(jù)“傳感網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)”等級證書的考核目標，將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)職業(yè)技能等級標準與專業(yè)教學內(nèi)容進行有效融合，結(jié)合考證核心課程“嵌入式單片機技術(shù)及應(yīng)用”的教學現(xiàn)狀和問題進行相關(guān)教學改革與探索。

一、課程考證主要內(nèi)容

“傳感網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)”（中級）的主要技能要求是面向物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)科研及企事業(yè)單位中的研發(fā)助理、品質(zhì)管理、產(chǎn)品測試以及技術(shù)支持等崗位，從事編碼實現(xiàn)、功能驗證以及系統(tǒng)調(diào)試等相關(guān)工作的能力?！?+X”證書制度的技能要求就是要求積極拓展“X”中的工程實踐能力，結(jié)合“傳感網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)”（中級）考證中具體的考核內(nèi)容，將課程教學主要分為以下五個方面：數(shù)據(jù)采集，具體包括模擬量傳感器、數(shù)字量傳感器以及開關(guān)量傳感器的數(shù)據(jù)采集;有線組網(wǎng)通信，具備包括RS485通信總線開發(fā)以及CAN總線通信開發(fā)能力;短距離無線通信，具備包括ZigBee組網(wǎng)通信以及Wi-Fi組網(wǎng)通信能力;低功耗窄帶組網(wǎng)通信，具備包括NB-IoT通信以及LoRa通信組網(wǎng)技術(shù)能力;通信協(xié)議應(yīng)用，包括寫配置參數(shù)指令開發(fā)、讀配置參數(shù)指令開發(fā)以及控制設(shè)備指令的開發(fā)等。

在上述考核要求中均涉及嵌入式單片機技術(shù)及應(yīng)用，具體包括基本的MCU內(nèi)部資源編程使用，例如IO口、定時器、串口、PWM、中斷、SPI及I2C等通信接口。此外，還包括外部的接口及總線協(xié)議，例如，AD轉(zhuǎn)換接口、GPIO驅(qū)動技術(shù)、RS485總線原理、CAN總線原理以及相應(yīng)的ModBus協(xié)議的考核，因此選擇嵌入式單片機技術(shù)及應(yīng)用課程作為教學改革的對象較為合適。而在學習過程中，學生要熟練掌握上述技術(shù)的理論并能應(yīng)用，還要具備基本的模擬電路以及C語言等相關(guān)知識，其中特別需要熟練掌握C語言的編程思維方法和技術(shù)，具備一定的開發(fā)能力。這樣，才能在未來的職業(yè)競爭中擁有較高的競爭力。

二、課程教學存在的主要問題

嵌入式單片機技術(shù)及應(yīng)用課程作為電子信息類專業(yè)的一門核心專業(yè)課程，在教學方式、方法及手段上與傳統(tǒng)基礎(chǔ)理論課不同，該課程與實際應(yīng)用聯(lián)系密切，在教學上需要作出相應(yīng)的改革。目前該課程的教學主要存在以下幾個方面的問題。

（一）課時設(shè)置不合理

該課程實踐性較強，教學過程需要與具體的項目和應(yīng)用相結(jié)合才能讓學生學懂會用。在目前各大高校普遍壓縮課時的情況下，該課程理論課時保留較多，理論與實踐課時比例不合理。或者理論與實踐分開授課，造成學生在實訓操作時，已忘記此前學過的理論，導(dǎo)致學生難以將理論與實際應(yīng)用相聯(lián)系，非常不利于教學活動的開展，導(dǎo)致學生學習難度加大，教學效果不理想。

（二）實踐教學單薄

傳統(tǒng)的課程教學大多采用單一的理論講解和演示方式授課，如僅使用PPT教學，較難滿足一門實踐性很強的課程的教學要求。此授課方式限制了內(nèi)容的表達，教學效率低下。較為突出的問題是學生難以深刻理解單片機系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、原理及指令的執(zhí)行過程，導(dǎo)致在實訓中出現(xiàn)諸多難以消除的困惑，進而影響學生的積極性，學習效果大打折扣。

（三）課程考核方式單一

目前該課程的考核方式多采用機試，分為理論題與編程題。理論題目內(nèi)容為記憶知識點，學生即使以優(yōu)秀的理論成績通過考試，在實際的嵌入式單片機開發(fā)過程中仍然難以開展。因此，對實踐性較強的課程而言，采用單一的考核方式對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是非常不利的，也難以有效提高學生的職業(yè)技能，提升就業(yè)能力。

在“1+X”證書制度下，教學要求是保證完成好的“1”的同時，應(yīng)積極拓展“X”的能力。具體到對物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學生的要求，就是使其通過“傳感網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)”等級考證的同時具備相關(guān)職業(yè)技能。從培養(yǎng)應(yīng)用型技能人才來看，核心考證課程“嵌入式單片機技術(shù)及應(yīng)用”目前的傳統(tǒng)教學模式已難滿足“1+X”證書制度的要求。因此，院校應(yīng)充分調(diào)動學生學習的主觀能動性，采用實際項目驅(qū)動的教學方式，全面提升學生的嵌入式單片機系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)能力，達到考取“傳感網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)”等級證的技能要求。針對上述問題，筆者結(jié)合本團隊多年的教學經(jīng)驗以及“傳感網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)”等級證的考核目標，為提高“嵌入式單片機技術(shù)及應(yīng)用”課程的教學質(zhì)量，進行相關(guān)教學改革與探索。

三、課程教學與實踐

為配合“1+X”考證要求，嵌入式單片機技術(shù)及應(yīng)用課程中的單片機采用意法半導(dǎo)體公司的ARM處理器STM32F1系列作為教學實例，教學團隊圍繞該實例對該課程的改革與探索主要做了以下幾個方面的工作。

（一）基于項目應(yīng)用設(shè)計課程體系

嵌入式單片機是一門以實踐動手為主的技術(shù)應(yīng)用類課程，其理論教學與實踐教學應(yīng)該做到有機融合，相輔相成。例如，教師在講解采用GPIO和定時器實現(xiàn)呼吸燈效果的原理時，該項內(nèi)容包含多個知識點，既有GPIO的設(shè)置，又有定時器的配置，還有PWM的控制，如果在理論方面花很多的時長來講解，待到實踐時，學生可能已經(jīng)記憶模糊。因此，教師在講解必要的理論基礎(chǔ)之后，可以打破理論教學與實踐教學的邊界，把理論和實踐有機融合起來，基于項目應(yīng)用重新設(shè)計課程體系，通過具體的工程項目開發(fā)與實踐，令學生深刻理解理論知識，提升教學效果。在目前的教學活動中，其理論教學環(huán)節(jié)和實踐教學環(huán)節(jié)應(yīng)該在同一個維度上，實現(xiàn)時間和空間的統(tǒng)一，提升教學效果和效率。表1為基于項目應(yīng)用的嵌入式單片機技術(shù)及應(yīng)用課程體系結(jié)構(gòu)。

從表1可以看出，本體系主要采用小項目應(yīng)用的方式進行課程的教學，有效分散課程相關(guān)知識點，并融入具體的小項目中，使學生通過開展實際項目，快速、高效地掌握該課程要求的相關(guān)職業(yè)技術(shù)技能。最后，通過完成綜合設(shè)計類項目“智慧農(nóng)場監(jiān)控系統(tǒng)”培養(yǎng)學生設(shè)計較大系統(tǒng)的能力。

（二）基于項目驅(qū)動設(shè)計教學方法

嵌入式單片機技術(shù)及應(yīng)用課程對于職業(yè)院校的學生而言，其中一些基本概念和原理還是比較抽象和難懂的。因此，可以基于項目驅(qū)動設(shè)計教學方法，即通過項目的具體需求，逐步啟發(fā)、引導(dǎo)學生理解及應(yīng)用基本原理后，實現(xiàn)對相關(guān)知識的全面掌握。此外，該課程也是綜合性較強的一門課程，需要相關(guān)基礎(chǔ)課程支撐，這些課程之間的聯(lián)系是非常緊密的，如“C語言程序設(shè)計”“電子線路基礎(chǔ)”以及“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計”等課程的相關(guān)知識。這樣的課程設(shè)計對鞏固和強化學生的知識體系大有裨益。接下來本文就以呼吸燈設(shè)計簡要闡明該教學方法。

呼吸燈的教學目標是設(shè)計一個可通過按鍵進行控制的LED呼吸燈效果系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于脈沖寬度調(diào)制信號（PWM）信號實現(xiàn)，具體要求描述如下：（1）采用按鍵實現(xiàn)功能切換，按鍵采用外部中斷實現(xiàn);（2）LED燈的顯示效果為“逐漸變亮”然后“逐漸變暗”再“逐漸變亮”的循環(huán)過程即“呼吸”效果;（3）LED燈初始為關(guān)閉狀態(tài)，第奇數(shù)次按下按鍵時，LED燈顯示呼吸燈效果，第偶數(shù)次按下按鍵時，LED燈關(guān)閉，循環(huán)此過程。

根據(jù)上述項目的要求，所開展的教學設(shè)計思路過程如下：

1.分析傳統(tǒng)調(diào)整LED燈亮暗的方法為通過調(diào)節(jié)電阻大小改變電流，從而實現(xiàn)LED燈亮暗的變化過程。但該方法采用模擬信號，不易實現(xiàn)自動控制循環(huán)實現(xiàn)呼吸燈的效果，且效率低。啟發(fā)學生采用數(shù)控電流的方式實現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)，就較容易實現(xiàn)上述循環(huán)過程。

2.引導(dǎo)學生明白PWM信號作為數(shù)字信號輸出實現(xiàn)對模擬電路進行控制的一種簡單、高效的技術(shù)方法已被廣泛應(yīng)用于電機控制、伺服控制、開關(guān)電源以及功率控制等領(lǐng)域，因此，掌握PWM信號的使用具有重要的實際應(yīng)用價值。

3.闡明PWM信號中一個重要特點就是占空比，即一個信號周期內(nèi)高電平時間占整個周期的百分比。在使用該信號驅(qū)動LED燈時，可理解為占空比越高，LED燈亮的時間就越長，平均電流就越大，相應(yīng)的亮度就越強，否則就越暗。圖1為采用10 ms周期的PWM信號驅(qū)動LED燈的波形，從圖中可反映出占空比越大，LED燈亮的時間越長，消耗功率越大，亮度越大。因此，可引導(dǎo)學生結(jié)合圖1，思考利用PWM信號占空比的調(diào)節(jié)實現(xiàn)數(shù)控LED燈亮度的改變。

4.闡明STM32F1處理器內(nèi)部集成有8個功能強大的定時器模塊，編號為TIM1-TIM8，其中6個定時器設(shè)計有4個獨立通道，均可以設(shè)置為PWM工作模式。引導(dǎo)學生實踐，在設(shè)計好輸出PWM信號頻率后，只需按照一定的時序改變CCR寄存器的值，即可實現(xiàn)PWM輸出信號占空比的調(diào)節(jié)。

5.在上述方法中，采用的是處理器內(nèi)部集成的PWM控制器，課后可以布置作業(yè)令學生發(fā)散思考，如不使用內(nèi)部集成的PWM控制器，只利用定時器中斷借助軟件方法設(shè)計PWM信號，又該如何實現(xiàn)呼吸燈的功能。

從上述基于具體項目驅(qū)動設(shè)計的教學思路可以看出，課程深入淺出講解了呼吸燈效果的原理以及采用PWM信號實現(xiàn)控制的方法，通過具體項目吸引學生深入學習STM32的PWM信號實現(xiàn)過程，讓學生深刻理解PWM信號的本質(zhì)以及使用方法，有助于學生更好地掌握嵌入式單片機技術(shù)，并應(yīng)用于生產(chǎn)實踐之中。

（三）深化產(chǎn)教一體化教學模式

傳統(tǒng)教育模式的培養(yǎng)標準由于與生產(chǎn)實踐還有一定的距離，故難以滿足現(xiàn)代職業(yè)院校的人才培養(yǎng)要求。產(chǎn)教一體化教學模式就是把理論教學與實踐教學作為一個整體進行考慮，從提升學生職業(yè)能力考量制定相應(yīng)的教學計劃和大綱。從而實現(xiàn)學生綜合素質(zhì)的提升并提高人才培養(yǎng)效率，為社會輸送綜合能力全面且能直接上崗的專門技能人才。

深化產(chǎn)教一體化教學模式的重要內(nèi)容之一就是建立一支“雙師型”教師隊伍?！半p師型”教師同時具備扎實的理論知識和豐富的實踐經(jīng)驗，能把理論與實踐有機的融合起來，開展高效率教學。自2019年“1+X”傳感網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)考證培訓開展以來，南寧職業(yè)技術(shù)學院物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)采取了多階段分批次的策略，陸續(xù)派出4個批次共計8人次的教師參加培訓，均一次性通過考核獲得中級培訓講師資格，其中一名教師分別獲得了“1+X”傳感網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)和“1+X”物聯(lián)網(wǎng)工程實施與運維兩項培訓的金牌培訓專家資格。通過實踐說明，多階段分批次選派教師培訓的策略有效地提高了教師獲得雙師型教師資格的概率，提升構(gòu)建“雙師+”素質(zhì)師資團隊的效率。此外，教師還通過積極參加不同層次的教學能力比賽和教師技能大賽，以及到企業(yè)頂崗鍛煉和指導(dǎo)學生競賽的方式提高自身的教學水平和實踐能力，建立具有前瞻、創(chuàng)造和高效的創(chuàng)新型“雙師+”素質(zhì)師資團隊。

（四）建立多維度考核評價機制

傳統(tǒng)的課程考核多采用閉卷筆試、機試的方法，而對于動手實踐性較強的課程來說，其弊端是明顯的，筆試的方法適合考查學生對理論知識的掌握情況，但同時缺乏對解決實際問題能力的測試。因此，對嵌入式單片機技術(shù)及應(yīng)用課程的考核，應(yīng)以“1+X”證書制度中傳感網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)（中級）中的關(guān)于嵌入式開發(fā)技能標準為依據(jù)，制定較全面的多維度課程考核評價機制，實現(xiàn)以考核促學，以評促教。

基于以上分析，嵌入式單片機技術(shù)及應(yīng)用課程的多維度考核評價主要由以下3個部分構(gòu)成：平時教學實訓考核（30%）、期終上機考試（30%）以及期終項目實訓考核（40%）。從上述考核分配比例可以看出，我院校主要通過實訓項目的執(zhí)行情況對學生的綜合能力進行全面評價，即在考核標準中突出對學生綜合開發(fā)設(shè)計能力的考核，具體包括考核學生在項目實訓過程中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、分析問題以及檢索資料的能力，此外，還需考查學生在此過程體現(xiàn)的團隊精神和工匠精神等。條件允許時可考慮引入企業(yè)教師的評價，實現(xiàn)考核標準與企業(yè)要求相適應(yīng)。

目前，“1+X”證書制度試點工作正在全面開展，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的“傳感網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)”等級考證也對相關(guān)專業(yè)核心課程的改革提出了更高的要求。為滿足等級考證的考核要求，提高考證通過率，對核心專業(yè)技術(shù)課程嵌入式單片機技術(shù)及應(yīng)用的教學改革是十分必要的。本文對該課程的教學改革做了相關(guān)探索與實踐，目的是提高學生的嵌入式開發(fā)設(shè)計能力，提升物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的社會認可度。同時，希望本文的探索經(jīng)驗?zāi)転槠渌麑I(yè)或課程提供有益的借鑒，為社會培養(yǎng)更多更優(yōu)秀的專業(yè)技能人才。

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注：本文系廣西區(qū)首批現(xiàn)代學徒制試點單位物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)項目[桂教職成（2018）27號]的研究成果之一。

作者簡介：杜立嬋（1979— ），廣西玉林人，碩士，南寧職業(yè)技術(shù)學院副教授，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)教學與改革;王彪（1986— ），內(nèi)蒙古烏蘭浩特人，碩士，南寧職業(yè)技術(shù)學院副教授，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)教學與改革;趙云（1979— ），廣西梧州人，碩士，南寧職業(yè)技術(shù)學院工程師，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)教學與改革;張青（1972— ），湖南常德人，碩士，南寧職業(yè)技術(shù)學院教授，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)教學與改革。

（責編 羅異豐）