萬(wàn)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(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，以培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)測(cè)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(shí)踐操作緊密結(jié)合的教學(xué)模式，通過(guò)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、講練結(jié)合和專題研究等教學(xué)方法，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和應(yīng)用能力，有效調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，拓展綜合能力，促進(jìn)學(xué)習(xí)與研究的有機(jī)結(jié)合。

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

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1002-4107（2023）06-0068-03

研究性教學(xué)是指在教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生在教師指導(dǎo)下通過(guò)以“自主、探究、合作”為特征的學(xué)習(xí)方式對(duì)當(dāng)前教學(xué)內(nèi)容中的主要知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)、深入探究并進(jìn)行小組合作交流，從而較好地達(dá)到課程目標(biāo)要求的一種教學(xué)模式[1]。近年來(lái)，研究性教學(xué)已引起了國(guó)內(nèi)外部分高校及學(xué)者的關(guān)注，并進(jìn)行了廣泛的研究和實(shí)踐。項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)則是指教師將課程主要知識(shí)點(diǎn)融合到項(xiàng)目，通過(guò)課堂講授與項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)相結(jié)合的方式使學(xué)生掌握課程知識(shí)點(diǎn)并提高學(xué)生的實(shí)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(jī)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(jì)方法，為解決測(cè)控系統(tǒng)復(fù)雜工程問(wèn)題奠定基礎(chǔ)。該課程具有應(yīng)用性、實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，使其較為適合開(kāi)展講授與項(xiàng)目實(shí)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(shí)，提高解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，課程組通過(guò)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、講練結(jié)合、課堂實(shí)驗(yàn)與課下實(shí)訓(xùn)相結(jié)合等多種教學(xué)形式，開(kāi)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(kāi)發(fā)環(huán)境、各類硬件資源及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā)與軟件編程的能力。在對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行了梳理，并對(duì)沿襲多年的傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足進(jìn)行了分析之后，根據(jù)課程所支撐的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)確定課程目標(biāo)為以下幾點(diǎn)。

一是能夠解釋說(shuō)明嵌入式系統(tǒng)的基本知識(shí)、基本工作原理，并能正確運(yùn)用STM32 ARM軟硬件系統(tǒng)構(gòu)成的基本原理和基本設(shè)計(jì)方法，為解決測(cè)控系統(tǒng)復(fù)雜工程問(wèn)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(jì)方法結(jié)合文獻(xiàn)檢索等，針對(duì)測(cè)控系統(tǒng)復(fù)雜工程問(wèn)題的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)要求，明確設(shè)計(jì)目標(biāo)并進(jìn)行功能原理分析，提出可行的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。三是能夠正確運(yùn)用相關(guān)儀器設(shè)備完成微型計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程，進(jìn)行結(jié)果分析，獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

四是能夠正確運(yùn)用STM32常規(guī)開(kāi)發(fā)工具，開(kāi)展測(cè)控系統(tǒng)復(fù)雜工程問(wèn)題的仿真、分析、綜合調(diào)試與設(shè)計(jì)。

（二）項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)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(shí)踐是學(xué)生牢固掌握本課程知識(shí)的必要手段。因此，本課程教學(xué)強(qiáng)調(diào)課堂講授與動(dòng)手實(shí)踐相結(jié)合，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)及項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)提升學(xué)生對(duì)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)用能力。為適應(yīng)課程應(yīng)用性、實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，課程組構(gòu)建了項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的研究性教學(xué)方案，確定主要依托課堂實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、研究性專題三種教學(xué)方法開(kāi)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(jìn)行項(xiàng)目實(shí)踐操作為手段，以強(qiáng)化學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和應(yīng)用能力，形成教師講授與學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的緊密結(jié)合。

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的研究性教學(xué)方案需要與課程知識(shí)點(diǎn)緊密相關(guān)的實(shí)踐項(xiàng)目以及嵌入式硬件系統(tǒng)的支撐，因此課程組首先針對(duì)STM32微控制器的硬件資源，設(shè)計(jì)供學(xué)生課上實(shí)踐用的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)，項(xiàng)目?jī)?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(shí)提高學(xué)生的硬件開(kāi)發(fā)與軟件編程能力，真正實(shí)現(xiàn)以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)課程學(xué)習(xí)，課程組研制了便攜式開(kāi)發(fā)板，并批量制作，將開(kāi)發(fā)板分發(fā)給每一個(gè)學(xué)生?；诒銛y式開(kāi)發(fā)板，學(xué)生在課堂上能立即進(jìn)行實(shí)踐操作，通過(guò)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(wèn)題；同時(shí)，學(xué)生在課下也可以完成對(duì)軟硬件設(shè)計(jì)作業(yè)和實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)學(xué)生課上、課下隨時(shí)隨地能開(kāi)展實(shí)踐項(xiàng)目。

二、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)研究性教學(xué)的實(shí)施

（一）便攜式開(kāi)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(kāi)發(fā)板對(duì)學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)課程具有重要意義，也是開(kāi)展項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的研究性教學(xué)的基礎(chǔ)，課上的項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)以及課下實(shí)踐作業(yè)的完成均需嵌入式開(kāi)發(fā)板。因此課程組研制了與課程內(nèi)容匹配的便攜式開(kāi)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(guò)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(guò)X1插針為其他器件提供3.3V電源。

開(kāi)發(fā)板采用ST LINK仿真器進(jìn)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(chǔ)器、SPI擴(kuò)展模塊接口等硬件資源或接口。開(kāi)發(fā)板主要功能如下。

（1）3個(gè)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(gè)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(chǔ)器（華邦25Q64）；（9）1個(gè)TTL電平的串口擴(kuò)展模塊接口；（10）1個(gè)SPI擴(kuò)展模塊接口； （11）34路外擴(kuò)接口。

（二）項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的課堂教學(xué)

課堂講授是知識(shí)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(shí)點(diǎn)瑣碎，學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)中常感到理解困難，實(shí)踐時(shí)無(wú)從下手。在教學(xué)過(guò)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(guò)程中，結(jié)合課程的應(yīng)用性、實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，課程組采用了“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”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(jì)了便于在教師課堂講授后可立即開(kāi)展的學(xué)生實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。例如，在“STM32 GPIO控制”這一章中，教師設(shè)計(jì)了LED點(diǎn)亮控制的課堂實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。課堂講授時(shí)，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(shí)從微控制器選擇、人眼視覺(jué)暫留、滾動(dòng)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(duì)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)生感性認(rèn)識(shí)，同時(shí)認(rèn)識(shí)到應(yīng)用本課程知識(shí)可以解決很多日常生活中的實(shí)際問(wèn)題，進(jìn)而產(chǎn)生對(duì)這門課的濃厚興趣。在講授“計(jì)數(shù)器/定時(shí)器”單元時(shí)，先以如何測(cè)量方波的寬度和頻率引導(dǎo)學(xué)生思考，因?yàn)榇藛?wèn)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(shí)現(xiàn)了師生的良好互動(dòng)?；谡n程大綱要求和課程章節(jié)安排，共安排了10個(gè)課堂實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱分別為L(zhǎng)ED點(diǎn)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(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)、1秒定時(shí)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(chǔ)器讀寫(xiě)。教師在課堂上講授完本章節(jié)知識(shí)點(diǎn)的主要內(nèi)容后，即要求學(xué)生立即進(jìn)行程序編制，并基于自己的開(kāi)發(fā)板上進(jìn)行程序調(diào)試和下載，教師在學(xué)生的課堂項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)中主要擔(dān)當(dāng)引導(dǎo)和答疑解惑的角色。“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”下的學(xué)習(xí)使學(xué)生在課堂上能立即進(jìn)行實(shí)踐操作，教師通過(guò)講練結(jié)合的方式，結(jié)合課堂研討，促進(jìn)了學(xué)習(xí)與研究一體化，解決了學(xué)生的能力拓展問(wèn)題。

（三）實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)

基于課程大綱要求和課程章節(jié)安排，共安排了6個(gè)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分別為L(zhǎng)ED顯示控制、方波輸出與頻率檢測(cè)、LED呼吸燈與電機(jī)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(yàn)證。實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是具有一定的設(shè)計(jì)性和綜合性，要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前必須完成實(shí)驗(yàn)程序的設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)過(guò)程中主要完成系統(tǒng)的軟硬件聯(lián)合調(diào)試，修改程序錯(cuò)誤，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)定功能。完成實(shí)驗(yàn)后要求學(xué)生撰寫(xiě)詳盡的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，鍛煉學(xué)生的總結(jié)能力，也為撰寫(xiě)科技論文奠定了基礎(chǔ)。

（四）研究專題的開(kāi)展

為幫助學(xué)生建立系統(tǒng)設(shè)計(jì)的意識(shí)，并能夠完成功能較為完整的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)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(jìn)行具體的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作。專題研究應(yīng)按照工程項(xiàng)目研發(fā)的步驟展開(kāi)，學(xué)生經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)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(jì)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(jì)和軟件開(kāi)發(fā)。研究專題基于分發(fā)到每個(gè)學(xué)生手上的開(kāi)發(fā)板進(jìn)行軟硬件聯(lián)調(diào)，通過(guò)運(yùn)行結(jié)果驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性和完整性。

研究專題的主要考核點(diǎn)為系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)預(yù)定功能完成情況、PPT制作與講解、專題報(bào)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(duì)專題報(bào)告的撰寫(xiě)提出明確和具體要求，要求學(xué)生按照?qǐng)?bào)告模板撰寫(xiě)，格式應(yīng)規(guī)范。其中，文獻(xiàn)檢索要求不能少于15篇期刊論文，在報(bào)告中要有對(duì)應(yīng)標(biāo)注，報(bào)告中應(yīng)有系統(tǒng)設(shè)計(jì)的社會(huì)性和經(jīng)濟(jì)性分析，以滿足課程目標(biāo)和工程專業(yè)認(rèn)證的相關(guān)要求。項(xiàng)目答辯和演示安排在課內(nèi)進(jìn)行，由每一小組全部學(xué)生對(duì)該組的設(shè)計(jì)方案、軟硬件設(shè)計(jì)和運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行講述和演示，演示結(jié)束后由教師和同學(xué)提問(wèn)。研究專題成績(jī)主要依據(jù)學(xué)生對(duì)資料查閱總結(jié)情況、系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)程度、小組分工與合作、報(bào)告完整與規(guī)范、演示答辯和回答問(wèn)題情況，學(xué)生研究專題成績(jī)則以一定比例計(jì)入課程最終期末考核總成績(jī)。研究專題的設(shè)立鍛煉了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)課堂基礎(chǔ)知識(shí)的吸收和運(yùn)用。學(xué)生在專題研究的過(guò)程中，真正體驗(yàn)到了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的樂(lè)趣，增加了對(duì)專業(yè)的理解和熱愛(ài)，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。研究性專題的開(kāi)展也使學(xué)生意識(shí)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(wèn)題的習(xí)慣。項(xiàng)目小組成員間的分工與協(xié)作，也培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)精神，使學(xué)生體會(huì)到工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中分工與合作重要性。

（五）課程綜合考核方法的設(shè)計(jì)

考核方式直接影響學(xué)生對(duì)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(jìn)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(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，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(shí)踐操作，課程的綜合考核方法成為重要問(wèn)題。課程組建立了與課程教學(xué)模式和特點(diǎn)相適應(yīng)的課程綜合考核方法，將評(píng)價(jià)和考核融入學(xué)生課程學(xué)習(xí)的全過(guò)程，課上以課堂實(shí)訓(xùn)實(shí)踐項(xiàng)目完成情況、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)完成情況為主要考核依據(jù)，而課下以實(shí)踐作業(yè)完成質(zhì)量、研究專題完成情況、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)情況、期末上機(jī)綜合實(shí)踐項(xiàng)目完成情況為考核依據(jù)，形成過(guò)程性與總結(jié)性評(píng)價(jià)有機(jī)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(jī)占課程總成績(jī)的比例如表2所示。

研究專題占期末總成績(jī)的15%，主要考核點(diǎn)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(bào)告撰寫(xiě)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(jì)應(yīng)在開(kāi)發(fā)板上模擬完成系統(tǒng)預(yù)定功能。研究報(bào)告作為學(xué)生對(duì)整個(gè)專題研究的一個(gè)總結(jié)，報(bào)告質(zhì)量主要從報(bào)告格式規(guī)范性與完整性、報(bào)告內(nèi)容兩方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，總體上要求撰寫(xiě)態(tài)度認(rèn)真、格式規(guī)范、結(jié)構(gòu)完整、內(nèi)容詳實(shí)、舉例恰當(dāng)、圖文并茂、篇幅符合要求。為了進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫(xiě)質(zhì)量，課程組編寫(xiě)了《研究專題指導(dǎo)書(shū)》和《研究報(bào)告模板》，其中明確而詳細(xì)地規(guī)定了報(bào)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(jì)報(bào)告時(shí)要有專門的章節(jié)來(lái)闡述非技術(shù)性畢業(yè)要求相關(guān)問(wèn)題，撰寫(xiě)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(diǎn)，并對(duì)每一部分內(nèi)容制定了較為詳細(xì)撰寫(xiě)要求。

三、結(jié)論

基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)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(jī)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)課堂實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、專題研究等多種形式展開(kāi)教學(xué)活動(dòng)，有效地調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)思考和學(xué)習(xí)的積極性，鍛煉了學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，促進(jìn)了學(xué)習(xí)與研究的有機(jī)結(jié)合。

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[責(zé)任編輯? 巴登其其克]