趙恩銘 劉光宇 周豹

摘要：教師在嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)中應(yīng)用案例教學(xué)方法，以實(shí)際工程案例為授課切入點(diǎn)，將理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐能力的培養(yǎng)相結(jié)合，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性、積極性和靈活性，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的適應(yīng)性。文章根據(jù)“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”對(duì)工科人才培養(yǎng)所提出的新要求，探索在嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)中應(yīng)用案例教學(xué)方法，并結(jié)合部分案例，介紹案例教學(xué)方法的實(shí)施過(guò)程。

關(guān)鍵詞：卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃；案例教學(xué)方法；嵌入式系統(tǒng)課程；工科人才培養(yǎng)

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-3561（2022）14-0016-03

“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”（以下簡(jiǎn)稱“卓越計(jì)劃”）是國(guó)家教育部貫徹落實(shí)《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》及《國(guó)家中長(zhǎng)期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》的重大改革項(xiàng)目，是促進(jìn)我國(guó)發(fā)展成為工程教育強(qiáng)國(guó)的重要舉措。該項(xiàng)目以工程實(shí)際為背景，以行業(yè)企業(yè)需求為導(dǎo)向，以工程技術(shù)為主線，重點(diǎn)提升學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，培養(yǎng)具備一定工程素養(yǎng)和工程實(shí)踐精神，能夠解決實(shí)際問(wèn)題的工程師，以滿足我國(guó)從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變對(duì)人才的需求。大理大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)自2017年入選“卓越計(jì)劃”以來(lái)，以培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和基本素質(zhì)為主線，面向自動(dòng)化、電力系統(tǒng)、電子信息等領(lǐng)域，培養(yǎng)知識(shí)、能力、素質(zhì)全面發(fā)展的高素質(zhì)技術(shù)和管理人才。

近年來(lái)，在信息產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的推動(dòng)下，智能設(shè)備得到普及，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用覆蓋了工業(yè)控制、消費(fèi)電子、通信網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)領(lǐng)域，加速了嵌入式系統(tǒng)課程在工科類專業(yè)中的推廣和普及。嵌入式系統(tǒng)課程是大理大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的重要專業(yè)課程，傳統(tǒng)的講授式教學(xué)模式已難以滿足人才培養(yǎng)要求。為適應(yīng)新形勢(shì)下應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)，教師結(jié)合嵌入式系統(tǒng)課程的特點(diǎn)，引入案例教學(xué)方法，既能豐富課程內(nèi)容和授課方式，又能開(kāi)闊學(xué)生的視野，提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力、獨(dú)立思考和創(chuàng)新開(kāi)發(fā)的能力，完全符合“卓越計(jì)劃”人才培養(yǎng)要求。

一、傳統(tǒng)教學(xué)方法在高校嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)中運(yùn)用的局限性

在實(shí)踐性較強(qiáng)的嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)中，傳統(tǒng)的教學(xué)方法多以教師講、學(xué)生聽(tīng)為主，并匹配部分課時(shí)的實(shí)驗(yàn)課，這種教學(xué)方法雖然基本能達(dá)到培養(yǎng)要求，但學(xué)生學(xué)習(xí)的效果并不理想，很多學(xué)生在碰到實(shí)際問(wèn)題時(shí)有無(wú)從入手的感覺(jué)。這主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)教學(xué)方法多以知識(shí)點(diǎn)為切入點(diǎn)，學(xué)生雖然對(duì)每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)很細(xì)致，但并沒(méi)有和實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來(lái)，對(duì)知識(shí)體系的理解停留在表面。而且，多數(shù)院校由于實(shí)驗(yàn)課時(shí)相對(duì)較少，僅安排一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，缺乏綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，因此無(wú)法培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，導(dǎo)致學(xué)生畢業(yè)后很難獨(dú)立操作實(shí)際項(xiàng)目。

二、高校電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)“卓越計(jì)劃”的實(shí)施過(guò)程

根據(jù)“卓越計(jì)劃”精神，大理大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)積極開(kāi)展卓越工程師專項(xiàng)培養(yǎng)教學(xué)活動(dòng)。教學(xué)活動(dòng)以本科大四學(xué)生為培養(yǎng)對(duì)象，以部分專業(yè)課程為平臺(tái)，以嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)、電氣設(shè)備維護(hù)、輸配電等方向的專業(yè)人才為培養(yǎng)目標(biāo)，在培養(yǎng)方式上從原有的泛式教學(xué)模式改為短期專項(xiàng)訓(xùn)練的模式。嵌入式系統(tǒng)課程作為實(shí)施“卓越計(jì)劃”的重要組成部分，在短期專項(xiàng)訓(xùn)練階段，本著針對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用開(kāi)展探索研究的宗旨，應(yīng)用案例教學(xué)方法進(jìn)行授課，再以全開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為補(bǔ)充，可以保證學(xué)生能夠從理論和實(shí)踐雙方面加深對(duì)案例的理解。教師應(yīng)用案例教學(xué)方法時(shí)，并不是為說(shuō)明一定的理論或概念進(jìn)行舉例分析，而是以實(shí)際工程案例代替純理論講解，通過(guò)精心設(shè)計(jì)案例、分析技術(shù)難點(diǎn)來(lái)制定方案，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)獨(dú)立思考、共同討論和協(xié)同合作的方式，應(yīng)用所學(xué)知識(shí)完成工程案例。學(xué)生可以根據(jù)案例分析，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證。這種模式既能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、靈活性和自主性，使學(xué)生的潛能得到充分挖掘，還能保證教學(xué)資源得以充分利用。

三、案例教學(xué)方法在高校嵌入式系統(tǒng)課程中的應(yīng)用策略

1.案例的設(shè)計(jì)

案例教學(xué)方法是把實(shí)際應(yīng)用中的真實(shí)項(xiàng)目加以典型化處理，形成供學(xué)生思考、分析、實(shí)踐的案例。教師所選擇的案例要具有啟發(fā)性、科學(xué)性、典型性、先進(jìn)性、適用性，這對(duì)豐富學(xué)生知識(shí)、提高學(xué)生能力、挖掘?qū)W生潛質(zhì)等具有重要作用。案例的來(lái)源可以是教師所承擔(dān)科研項(xiàng)目的一部分，也可以是學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽的相關(guān)題目。案例可以按照難易程度或包含知識(shí)點(diǎn)的多少，分為基礎(chǔ)案例和綜合案例兩大類?；A(chǔ)案例的選擇可以類似于“基于STM32嵌入式處理器的遠(yuǎn)程土壤濕度采集與傳輸系統(tǒng)”，該案例既是一個(gè)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的典型案例，又是一個(gè)實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單的案例。該案例在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中包括的主要知識(shí)點(diǎn)可以分解為濕度傳感器的驅(qū)動(dòng)、濕度傳感器的信號(hào)采集與存儲(chǔ)、信息顯示、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、GPS模塊應(yīng)用等。通過(guò)該案例的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握STM32嵌入式處理器軟硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的使用方法、STM32嵌入式處理器的輸入輸出端口（GPIO）、定時(shí)器（Timer）、模數(shù)轉(zhuǎn)換（AD）及串行外設(shè)接口（SPI）的應(yīng)用。綜合案例可以是幾個(gè)基礎(chǔ)案例的組合，也可以是對(duì)當(dāng)前熱點(diǎn)或難點(diǎn)問(wèn)題的解決。例如在智慧城市的背景下，“居家自動(dòng)養(yǎng)花機(jī)器人”就是一個(gè)很好的綜合案例。該案例的知識(shí)點(diǎn)包括自動(dòng)行走機(jī)器人的控制，室內(nèi)光照度的測(cè)量，室內(nèi)溫度、植物土壤濕度和酸堿度的檢測(cè)與存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)檢測(cè)信息的顯示與遠(yuǎn)程傳輸?shù)?。教學(xué)案例的應(yīng)用，能夠幫助學(xué)生明確理論知識(shí)學(xué)習(xí)的方向，感受到所學(xué)理論知識(shí)如何在實(shí)際設(shè)計(jì)中發(fā)揮作用。

2.案例教學(xué)的實(shí)施

案例教學(xué)方法采用教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的互動(dòng)式教學(xué)模式。學(xué)生分成若干3人～4人的項(xiàng)目小組，教學(xué)以小組為單位展開(kāi)。一個(gè)案例融合了多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，授課內(nèi)容以案例所包括的知識(shí)點(diǎn)來(lái)重構(gòu)。授課方式是理論課與實(shí)驗(yàn)課結(jié)合起來(lái)，理論課放在實(shí)驗(yàn)室上，實(shí)驗(yàn)操作融于理論課教學(xué)。還可以利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)開(kāi)展資料分享、在線討論等活動(dòng)，以補(bǔ)充課堂教學(xué)。教師要合理設(shè)定案例，引導(dǎo)式組織教學(xué)，制定階段任務(wù)，強(qiáng)化過(guò)程考核，幫助學(xué)生構(gòu)建案例與理論知識(shí)的關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)際案例中學(xué)習(xí)理論知識(shí)，根據(jù)案例需求自主選擇技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，完成案例的驗(yàn)證。學(xué)生通過(guò)對(duì)案例的分析和自主學(xué)習(xí)，能夠很好地掌握獨(dú)立探索的方法，積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提高綜合能力。

以“基于STM32嵌入式處理器的遠(yuǎn)程土壤濕度監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)”為例，在案例設(shè)定階段，教師先對(duì)案例進(jìn)行分析，明確案例所包含的知識(shí)點(diǎn)，并根據(jù)知識(shí)點(diǎn)來(lái)制定要達(dá)到的目標(biāo)。本案例主要實(shí)現(xiàn)土壤濕度信息的采集、顯示及監(jiān)測(cè)參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。根據(jù)需要完成的任務(wù)，可將系統(tǒng)劃分為2個(gè)功能模塊，即本地土壤濕度信息的采集與顯示模塊及遠(yuǎn)程移動(dòng)通信模塊。學(xué)生以小組（3人～4人/組）為單位進(jìn)行討論，把案例功能與嵌入式系統(tǒng)課程中的知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)課前分享的資料和教師的講解，學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)；通過(guò)自主選擇技術(shù)路線、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)完成對(duì)案例中涉及知識(shí)點(diǎn)的鞏固，最終將案例的完成作為課程內(nèi)容和知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)的總結(jié)匯報(bào)。

在案例實(shí)施過(guò)程中，各小組將學(xué)校配備的STM32開(kāi)發(fā)板作為硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，將Keil uvision作為程序編寫(xiě)與調(diào)試的軟件平臺(tái)，根據(jù)自己設(shè)定的技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)各模塊的功能。教師通過(guò)把握案例的完成情況，了解學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)，對(duì)案例實(shí)施過(guò)程中的難點(diǎn)、重點(diǎn)及共性問(wèn)題，進(jìn)行問(wèn)題點(diǎn)評(píng)、主題討論或課堂總結(jié)，以達(dá)到幫助學(xué)生鞏固知識(shí)點(diǎn)的目的。教師可以對(duì)進(jìn)度快、實(shí)施效果好的小組隨時(shí)調(diào)整案例目標(biāo)，以達(dá)到因材施教的目的。

考核作為教學(xué)過(guò)程中的一個(gè)環(huán)節(jié)，起著非常重要的作用，不僅可以檢查學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，反饋教學(xué)信息，評(píng)價(jià)教學(xué)效果，還能對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)發(fā)揮引導(dǎo)和激勵(lì)作用。為達(dá)到最理想的效果，教師要對(duì)各小組的任務(wù)完成情況進(jìn)行過(guò)程化考核，對(duì)每一位學(xué)生的任務(wù)完成情況、小組成員的協(xié)同工作情況進(jìn)行詳細(xì)把握，并給出量化的綜合評(píng)價(jià)。

3.案例教學(xué)的實(shí)施效果

現(xiàn)以智慧城市背景下“居家自動(dòng)養(yǎng)花機(jī)器人”為例，簡(jiǎn)要介紹案例教學(xué)方法的實(shí)施效果。

對(duì)案例的需求進(jìn)行分析后，可以把案例分解為4個(gè)功能模塊。功能模塊一是自動(dòng)行走機(jī)器人控制模塊。自動(dòng)行走機(jī)器人由履帶車來(lái)實(shí)現(xiàn)行走的功能，其任務(wù)包括如下內(nèi)容。1）履帶車驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)“機(jī)器人”的行走和轉(zhuǎn)彎。2）通過(guò)超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)“機(jī)器人”躲避行進(jìn)途中的障礙物。功能模塊二是室內(nèi)光照充足點(diǎn)查詢模塊。其任務(wù)包括如下內(nèi)容。1）通過(guò)光電傳感器采集室內(nèi)光照強(qiáng)度，并與設(shè)定的閾值相比較，如果達(dá)到閾值光照強(qiáng)度就認(rèn)為滿足光照要求。小車子自動(dòng)行走到光照充足處，讓植物接受光照。如果室內(nèi)沒(méi)有光照滿足要求的地方，“機(jī)器人”則自動(dòng)打開(kāi)照明燈讓植物接受光照。2）控制云臺(tái)做360度旋轉(zhuǎn)查找室內(nèi)陽(yáng)光充足點(diǎn)。功能模塊三是植物土壤溫度、濕度和酸堿度檢測(cè)模塊。其任務(wù)是通過(guò)溫度傳感器、濕度傳感器和酸堿度傳感器定時(shí)監(jiān)測(cè)植物土壤的參數(shù)，并進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示，也可以通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。功能模塊四是遠(yuǎn)程通信模塊。其任務(wù)是通過(guò)無(wú)線移動(dòng)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊和“機(jī)器人”參數(shù)控制。

本案例屬于綜合案例，學(xué)生通過(guò)對(duì)本案例的學(xué)習(xí)，能夠很好地掌握嵌入式系統(tǒng)的組成、STM32嵌入式處理器的應(yīng)用方法，了解實(shí)際工程項(xiàng)目完整的開(kāi)發(fā)流程，加深對(duì)案例中涉及知識(shí)點(diǎn)的理解，并能提高自身對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)和畢業(yè)后從事嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)工作打下基礎(chǔ)。

4.建立案例庫(kù)

隨著案例教學(xué)方法的應(yīng)用，收集和整理一些適用性強(qiáng)的經(jīng)典案例，構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)課程案例庫(kù)，對(duì)案例教學(xué)方法的推廣和拓展能夠起到積極的促進(jìn)作用。并且，在信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的推動(dòng)下，隨著案例庫(kù)中新型案例的補(bǔ)充，新舊案例對(duì)比教學(xué)可以幫助學(xué)生了解嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的歷史進(jìn)程和發(fā)展方向，使學(xué)生在案例學(xué)習(xí)過(guò)程中既能充分論證理論知識(shí)的優(yōu)勢(shì)和不足，又能把握嵌入式系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用和研發(fā)的趨勢(shì)，為自主式深入學(xué)習(xí)提供指導(dǎo)性方向。

四、結(jié)語(yǔ)

針對(duì)“卓越計(jì)劃”對(duì)工科人才培養(yǎng)所提出的新要求，高校教師在嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)中要打破傳統(tǒng)教學(xué)模式，探索應(yīng)用案例教學(xué)方法，以實(shí)際案例為基點(diǎn)，將理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐能力的培養(yǎng)相結(jié)合，進(jìn)而開(kāi)闊學(xué)生的視野、豐富學(xué)生的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、激發(fā)學(xué)生的潛力，增強(qiáng)工科人才培養(yǎng)對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的適應(yīng)性。案例教學(xué)方法在高校嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)中的應(yīng)用達(dá)到了預(yù)期效果，值得進(jìn)一步完善和推廣。

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Research on the Application of Case Teaching Method in Embedded System Course in Colleges and Universities

Zhao Enming， Liu Guangyu， Zhou Bao

（School of Engineering， Dali University， Dali 671000， China）

Abstract： Teachers apply the case teaching method in the embedded system course teaching， take the actual engineering case as the teaching starting point， and combine the theoretical learning with the cultivation of practical ability， which can stimulate students autonomy， enthusiasm and flexibility in learning and enhance students adaptability to industrial development. According to the new requirements of "excellent engineer education and training plan" for engineering talent training， this paper explores the application of case teaching method in embedded system course teaching， and introduces the implementation process of case teaching method combined with some cases.

Key words： excellent engineer education and training plan； case teaching method； embedded system course； engineering talenttraining