陳 桂 強

(河北北方學院 信息科學與工程學院，河北 張家口 075000)

0 引 言

隨著教育數(shù)字化推廣應用，線上學習具有可以隨時獲取資源的優(yōu)點，成為大學生自主學習的主要學習方式，尤其是在新冠疫情期間，成為大學生自主學習的主陣地。然而，對各大在線學習平臺的課程學習情況進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)未能達到預期效果，學生利用在線學習平臺開展自主學習，但是效果并不理想。以電子信息類專業(yè)的核心課程嵌入式系統(tǒng)原理及應用為例，實踐了自主學習目標下導引式教學資源建設，對電子信息類專業(yè)其它課程教學做一教學改革、示范。

1 課程教學需要分析

1.1 專業(yè)背景與工程需求

隨著數(shù)字制造信息時代的快速發(fā)展，電子信息的軟硬件設計開發(fā)需求越來越大，技術精度要求也越來越高。高校電子信息類專業(yè)學生在扎實基礎理論知識的同時，動手和實際操作能力顯得格外重要，尤其是對工程設計中電路設計需要一個強化訓練的過程。而現(xiàn)在電子信息類專業(yè)學生的培養(yǎng)計劃中課程學習學時數(shù)有限，學生在課堂教學中沒有足夠時間消化知識、實踐理論，對于開發(fā)創(chuàng)新能力的提高就更加困難。

嵌入式系統(tǒng)原理及應用的核心課程內容為以STM32F103系列微處理器為核心闡述嵌入式系統(tǒng)設計的原理及應用，理論深、實踐強和應用廣是這一課程的特點。特別是在實踐教學中要求學生充分理解掌握在32位RAM微處理器原理的基礎上，對實際工程應用問題進行需求分析，給出滿足各因素的可行的解決方案，并進行總體規(guī)劃和詳細設計，進而選擇最合適的開發(fā)工具完成電路設計和軟件仿真，最后在實體開發(fā)板上進行測試、調試才得以完成整個工程應用。

1.2 教學現(xiàn)狀與資源緊缺

嵌入式系統(tǒng)原理及應用課程具有知識點繁多、操作復雜和設計靈活等特點，在實際教學中，許多知識理論、分析設計和工程操作學生在課堂上來不及消化吸收，課下得不到及時解決，導致沒有掌握的學習內容堆積越來越多，嚴重影響后續(xù)課程的學習及畢業(yè)設計和實習實訓。

現(xiàn)有的傳統(tǒng)教學資源內容單一，只能滿足學生基礎簡單的理論知識學習，學生的實際操作能力很難在自學的基礎上達到有效的提升，獲得的知識并不能全方位的拓展與應用，很難把學習的知識運用到實際的電子信息類專業(yè)工程中，難以激發(fā)學生開發(fā)工程的創(chuàng)新意識。嵌入式系統(tǒng)原理及應用課程的相關參考書籍種類繁多，但專用于STM32F103系列。內容深入淺出、知識結構明確、適合本科學生使用的教學資源并不多見，成體系的、引導學生自主學習的資源更少。

2 自主學習目標下導引式教學模式

根據(jù)嵌入式原理及應用課程的特點，提出“自主學習目標下知識圖譜導引式”教學模式，即強調線下教師通過案例導引學生互動的知識圖譜導引下自主地學，又能利用線上交流平臺進行充分討論，利用數(shù)字資源及時解決學生在學習和實踐過程中遇到的問題。教學過程分為課上及課下兩部分，課上主要以教師導引、學生參與討論分析的形式展開；課下學生在知識圖譜的導引下自主學習為主，教師與學生通過線上交流平臺進行課程的交流和討論，整個課程教學過程采用完全互動方式進行，如圖1所示。

2.1 知識圖譜導引，案例驅動，數(shù)字資源支撐

根據(jù)課程特點及內涵，結合工程需求與技術發(fā)展，將課程內容劃分為不同的知識點，將這些知識點根據(jù)其層次難易度編輯成知識圖譜，以知識圖譜為導引線，案例驅動、逐層擴展、逐步銜接。以案例為主線將授課內容進行分解并展開學習和討論。課上通過案例的概況說明布置下一次課的任務，并指定相關的數(shù)字資源使學生在知識圖譜導引下自主學習。根據(jù)教學內容及時間條件對數(shù)字資源進行篩選，篩選后的數(shù)字資源數(shù)量以3～4個為宜，類型可以是知識點PPT、實際操作視頻、電子書、技術文檔等，數(shù)字資源的學習時間控制在學生可接受范圍內。

2.2 自主學習，團隊協(xié)作導引，交流討論

教師在學習通上建好知識點PPT、知識圖譜、試題庫、視頻庫、資料庫等數(shù)字資源，并通過知識圖譜進行鏈接，教師根據(jù)課上對綜合案例分解導引出的知識點在學習通的交流平臺上發(fā)布任務，學生在規(guī)定時間內完成該任務在知識圖譜上相關鏈接的數(shù)字資源自主學習，對學習中發(fā)現(xiàn)的問題在學習平臺展示，教師引導學生解決問題，提升學生分析問題與解決問題的能力。整個學習過程以小組為單位，要求學生在組長的帶領下進行合理分工，小組成員相互配合解決問題，提升學生的團隊合作能力。

2.3 課上討論，逐層擴展導引，仿真練習

學生經(jīng)過前期的自主學習，對綜合案例內容已有一定的了解，課上通過逐層擴展引導，逐步對綜合案例進行分析討論，明確其總體結構及軟件和硬件的技術內涵，從而引出知識點，結合綜合案例及數(shù)字資源，依據(jù)應用、技術、原理3個層面進行講解，橫向上與C51單片機進行對比，分析其優(yōu)缺點及適用性；縱向上利用綜合案例對各知識點之間的關系和作用進行直觀的關聯(lián)對比。在對案例討論學習的基礎上進一步擴展，通過相關引例加深鞏固知識點內容，引例的選擇方式與案例類似。同時留設仿真練習，學生在課下可以通過課上學習的方法及數(shù)字資源在知識圖譜的導引下完成此部分內容。

3 導引式教學資源建設

《中國教育現(xiàn)代化2035》指出，應“加強優(yōu)質教育資源開發(fā)與應用，建立開放靈活的教育資源共享服務平臺，打造人人皆學，處處能學，時時可學的教育資源”，打破傳統(tǒng)知識的結構，將知識點重新整合建構合理的知識圖譜結構，建設適合自主學習目標下導引式學習的多層次、多方位、多角度的數(shù)字化資源[1]。

3.1 設計可視化知識圖譜

總結多年教學經(jīng)驗，整理嵌入式系統(tǒng)原理及應用課程體系，適合工程問題的解決，打破原有的章節(jié)，運用可視化知識圖譜對所有知識點進行關聯(lián)、導引。同時設計11個教學模塊、50多個知識點，以課件和圖片的形式展示，各個知識點的內容盡量詳細、直觀，學生可以通過線上資源多次重復自主學習。

3.2 制作導引式操作視頻

對于一些課堂上的實用案例和實踐操作，學生通過課件和線下的理論學習無法直觀獲得，通過制作實際操作視頻展現(xiàn)給學生，視頻內容詳實操作步驟緊湊，會使學生更加愿意觀看學習并跟隨視頻進行操作練習，不會增加學生的學習負擔，相反可以提升學生的學習興趣[2]。學生可以通過手機等設備反復觀看和練習。做到手把手自主學習STM32開發(fā)。嵌入式系統(tǒng)原理及應用課程視頻知識點分布見表1。

表1 視頻知識點分布 單位：個

3.3 樣板綜合性工程案例

嵌入式系統(tǒng)原理及應用課程除了要求學生學會理論知識，最主要的是對知識的整合與綜合應用能力。在創(chuàng)建數(shù)字化資源時將所有知識進行梳理，建立適合學生仿真操作的綜合案例：紅外自動輸液系統(tǒng)如圖2所示。該系統(tǒng)基本上包括了按鍵、LED燈、蜂鳴器、DS18B20、電機、滑動電阻、LCD等，用按鍵輸入代替紅外檢測得到的每分鐘輸液的滴數(shù)，當小于下限閾值電機正轉來加大滴數(shù)，當大于上限閾值電機反轉來減小滴數(shù)；滑動電阻的位置代表輸液瓶中液體的液位，當液位小于下限閾值時蜂鳴器報警，LED燈的閃爍表示正在輸入；LCD屏上顯示當前的液位和下限值，以及當前輸液的滴數(shù)及環(huán)境溫度。將這個綜合案例分解成STM32最小系統(tǒng)案例、LED燈控制案例、按鍵輸入案例、蜂鳴器控制案例、電機驅動案例、ADC模數(shù)轉換案例、LCD液晶屏顯示案例及單總線I2C溫度傳感器案例。通過這些案例導引出知識點，學生通過知識圖譜的導引進行自主學習，完成單一功能的案例仿真。最后通過這個綜合案例的分析和設計，使學生對基于STM32的嵌入式系統(tǒng)原理及應用有了更好的掌握理解，更全面了解了嵌入式系統(tǒng)分析設計與實現(xiàn)的過程，加強了綜合應用技術的能力，提升學生解決工程問題的能力。

圖2 紅外自動輸液系統(tǒng)仿真

3.4 建立無紙化自測系統(tǒng)

有的時候學生對于自己的學習是否達到該有的效果無法確定，教師建立數(shù)字化資源應考慮到學生學習過程中的自我評價，建立適合學生自測的試題庫，在每個知識點學習完成后學生可以進行線上自測，學生通過自測可以了解自己的學習情況，對自己短板的環(huán)節(jié)進行線上重復學習，真正實現(xiàn)導引式自主學習。通過對知識點的梳理和總結，題庫共制作試題233道，包含單選題、填空題、簡答題、程序閱讀題和程序設計題，其中主觀題分值占比為80%，分別為嵌入式系統(tǒng)概述、ARM Cortex-M3微處理器、STM32F103系列芯片、GPIO控制、定時器、中斷控制、串行通信、DMA控制、存儲器系統(tǒng)和ADC模塊，重點考核學生對STM32F103開發(fā)技術的掌握情況和實際動手操作能力。各種類型試題在各知識點中的分布情況見表2。

表2 各種類型試題在各知識點中的分布情況 單位：道

3.5 建立可下載的資料庫

學生在學習過程中需要安裝相應的軟件支持實際操作的學習，在實際操作的時候需要查閱各種使用手冊，同時需要實際工程中使用的仿真函數(shù)以及程序的源代碼，如果學生自己上網(wǎng)下載會浪費大量時間，而且學生在網(wǎng)上下載的軟件可能會存在偏差，并不適合學生學習該課程的使用。數(shù)字化資源庫中建立了方便學生下載所需軟件安裝包及注冊機、各種使用手冊的資料庫。該資料庫中的安裝軟件包含MDK5軟件安裝包及注冊機、Proteus8.12安裝包及注冊機、STM32CubeMX安裝包、CH340串口驅動安裝包、串口調試助手軟件、STM32F103ZET6開發(fā)板仿真器驅動程序、STM32F10x系列標準固件庫；可用于操作的使用手冊包含STM32固件庫使用手冊、STM32F1開發(fā)指南-庫函數(shù)版、STM32中文參考手冊、RAM Cortex-M3權威指南；參考實例有實驗標準例程-庫函數(shù)版、案例的電路仿真和程序源碼等。

數(shù)字化教學資源通過這幾年的建設，已有10個班388名學生參與學習，數(shù)字化資源包含96個碎片知識點、可視化知識圖譜，25個實驗和仿真視頻、可下載的資料48份，233道題的試題庫，發(fā)布216次自測作業(yè)，考試6次，課堂活動104次，討論話題33個等。

4 結 語

嵌入式系統(tǒng)原理及應用課程數(shù)字化資源在學習通平臺基本建設完成，數(shù)字化資源中的可視化知識圖譜實現(xiàn)了學生可以直觀了解學習各知識點間的關聯(lián)，實驗和仿真視頻實現(xiàn)了學生多次觀摩實際操作的過程，資料庫中的軟件安裝包和使用手冊實現(xiàn)了學生方便快捷安裝學習軟件。線上資源配合線下教學，真正實現(xiàn)了直觀、多次、方便的學習嵌入式系統(tǒng)的相關知識[3-4]。同時，自主學習目標下導引式模式的教學形式可以激發(fā)學生學習熱情和創(chuàng)新能力，學生成為學習的主體，采用自主學習目標下導引式的模式學習，學生解決工程實際問題和終身學習的能力已經(jīng)初見成效。但是進一步建設和完善數(shù)字化資源是一項系統(tǒng)工程，特別是對電子信息類專業(yè)的其它課程需要分批次、分步驟的建設和開發(fā)。