基于軍隊院校微型機應用技術課程建設的思考

汪永紅+王瑞敏+王震宇

（解放軍信息工程大學 四院，河南 鄭州 450000）

摘 要：圍繞部隊對指揮軍官人才的培養(yǎng)需求，結合目前高校微型機應用技術課程教學現狀，對課程內容設置、師資隊伍建設、教學方法、考核方式等方面提出一系列改革思路，以解放軍信息工程大學合訓學員為教學實施對象組織教學，教學效果表明這種改革可以有效調動學員學習積極性，提高教學質量。

關鍵詞：合訓學員；微型機應用技術；課程建設；團組式教學

0 引 言

微型機應用技術是計算機、電子工程、信息與通信工程等專業(yè)的一門專業(yè)基礎必修課，是學生學習和掌握微型計算機硬件基礎知識、匯編語言程序設計以及常用接口技術的入門課程。通過本課程的學習，學生可以從理論和實踐上掌握現代微型計算機的基本組成、工作原理及典型接口技術，建立微型計算機系統(tǒng)的整體概念，具備計算機硬件應用分析問題和解決問題的初步能力，為后續(xù)專業(yè)類課程學習打下堅實的基礎。目前，很多高校主要以桌面處理器為主介紹微型機應用技術課程，很少涉及微型機系統(tǒng)的一個主要應用形式——嵌入式計算機系統(tǒng)的相關內容。為此，筆者就微型機應用技術課程在理論設置、實踐設置、教學方法、師資隊伍建設、考核方式等方面提出一系列改革方案，以期能培養(yǎng)出滿足部隊需求的軍事人才。

1 課程教學內容改革

1.1 理論設置

目前桌面?zhèn)€人微機、各類服務器和嵌入式計算機系統(tǒng)是微型機系統(tǒng)的三大主要應用形式，其中嵌入式處理器在生產、生活和軍事應用中占據核心地位。隨著物聯網的大規(guī)模部署，萬物皆嵌入、處處皆嵌入（everything embedded， everywhere embedded）的場景終將出現在眼前，然而很多高校依然以桌面處理器為主介紹微型機應用技術課程。解放軍信息工程大學為了滿足新型軍事人才的培養(yǎng)需求，對教學內容進行了改革。理論設置主要包括兩個方面的內容：桌面處理器和嵌入式處理器。桌面處理器以X86為主，主要講述微型計算機的系統(tǒng)組成、處理器結構、微機總線、存儲系統(tǒng)、輸入輸出接口等。通過桌面處理器的學習，學員能夠建立起桌面計算機的整體概念，了解一個程序在計算機中的運行過程并且獲得直觀認識：不管基于什么處理器設計實現一個系統(tǒng)，其基本原理是一樣的。目前的嵌入式處理器主要有ARM、MIPS、PowerPC等，很多軍事設備都是基于ARM處理器的，為了貼近軍事應用，可以ARM為主講述嵌入式開發(fā)原理、方法及過程。通過ARM處理器的介紹，學員可以建立起嵌入式系統(tǒng)的概念，熟練掌握嵌入式開發(fā)環(huán)境和工具的使用以及嵌入式應用程序的開發(fā)流程，能進行簡單的嵌入式應用程序開發(fā)。

1.2 實踐設置

傳統(tǒng)的微型機應用技術實驗大多是基于實驗箱進行的，學員直到整門課程結束也沒有理解其內部結構及工作原理，更不用說掌握開發(fā)技術。為了改善這一現象，教師可對實驗設置進行改革：采用團隊式教學，每2～4個學員組成一個實驗小組，每個小組分發(fā)一套實驗套盒。開展實驗前，首先給學員講述萬用表、邏輯分析儀、電烙鐵等設備的使用方法，學員拿到實驗套盒后，利用焊接設備進行相關焊接；根據下發(fā)的資料、視頻安裝實驗環(huán)境，然后學員上網查閱測試方法和使用方法。實驗包括SOS實驗、開關實驗、七段數碼管實驗、呼吸燈實驗等。教員提供給學員的示例代碼中有一個發(fā)光二極管的亮、滅實驗，要求學員首先搞明白示例代碼的實驗原理，依據發(fā)光二極管的電路圖在面包板上使用電阻、發(fā)光二極管搭建電路，實現發(fā)光二極管的顯示，然后對示例代碼稍加修改，實現SOS實驗。開關實驗要求學員首先了解開關的工作原理，進而依據電路圖在面包板上搭建開發(fā)電路，實現開關控制發(fā)光二極管的亮、滅；要求學員用通用的GPIO接口和中斷兩種方式實現開關，實驗完成后要求學員思考查詢和中斷的優(yōu)缺點，加強對課本CPU與外設不同數據傳輸方式的理解。七段數碼管實驗要求學員了解七段數碼管的顯示原理和三極管的使用方法，然后利用三極管、七段數碼管、電阻在面包板上搭建電路，利用開關實現七段數碼管上顯示數字的增、減。呼吸燈實驗要求學員利用PWM實現三色燈的漸滅漸亮，學會如何通過改變PWM占空比改變模擬電壓。通過這些實驗，學員可以掌握萬用表、邏輯分析儀和電烙鐵的使用，學會看電路圖并能根據電路圖搭建實驗電路，了解GPIO、中斷、PWM的工作原理和使用方法，學會嵌入式應用程序的調試方法和開發(fā)方法。

2 課程教學方法改革

2.1 多媒體教學

教員應充分利用多媒體課件向學員展示嵌入式系統(tǒng)的應用，利用動畫向學員展示國內外無人機和機器人的外形及行為，使學員一方面可以感受到外軍無人武器發(fā)展現狀，另一方面也切實感受到無人機和機器人的強大功能，激發(fā)學員動手實現簡單機器人的興趣，起到很好的教學效果。嵌入式開發(fā)中經常需要看開發(fā)板PCB布局、開發(fā)板邏輯圖、電路圖等，教員可通過多媒體圖片的形式將它們展示給學員并加以介紹，教員也可依據原理圖具體操作，幫助學員更好地理解課程內容。

2.2 “三步走”實踐教學

微型機應用技術實踐性很強，涉及知識面廣，因此做嵌入式開發(fā)需要讓學員直觀地學會開發(fā)環(huán)境和工具的使用，學會看開發(fā)板的用戶手冊、技術手冊和邏輯圖[1]，學會綜合利用示例代碼實現所需功能。為達到教學目的，教員可以采用“三步走”的實踐教學方式[2]：首先將學員領進門，然后扶上馬，最后才撒開手。

例如，為了讓學員了解如何點亮一個發(fā)光二極管，教員指導學員首先從用戶手冊中找到發(fā)光二極管的邏輯圖，搞清楚發(fā)光二極管的亮、滅原理；然后讓學員查閱用戶手冊或看開發(fā)板邏輯圖，找到一個可用的GPIO引腳；進而帶領學員一步步在面包板上搭建出發(fā)光二極管的電路圖，然后通過修改示例代碼實現發(fā)光二極管的亮、滅控制。通過這種手把手地幫助學員完成一個具體實驗的方式，學員可以熟悉開發(fā)板的接口使用，學會電路的搭建方式，掌握Keil集成開發(fā)環(huán)境的使用，激發(fā)進一步開展實驗的熱情。將學員順利“引入門”后，教員還要引導學員綜合運用所學知識與技能，創(chuàng)造性地完成實驗項目，幫助學員學會“怎么做”，以便學員最終能夠脫離教員的指導獨立開展相關工作。在本實驗設置中，讓學員在實現發(fā)光二極管亮、滅的基礎上，能自己實現呼吸燈。最后“撒開手”，通過一定的方法激發(fā)學員主動思考，使其將知識與技能轉化為自身的能力與素養(yǎng)，能夠獨立應對相關問題，如教員提出若干模塊，讓學員通過查閱資料和自主學習獨立解決；學員甚至可以自己提出一個要解決的問題，然后查閱資料、購買元器件和搭建電路，最終編碼實現。

2.3 研討式教學

為激發(fā)學員學習熱情，教員在授課過程中可以“軍用機器人”為主題開展3次討論課，讓學員以組為單位分別查閱中國無人裝備、以色列無人機技術、美軍無人機技術的現狀、發(fā)展和幾款典型的無人機、機器人，然后集體制作PPT并選代表上臺演講，就演講內容開展討論，激發(fā)學員的學習熱情和研發(fā)軍用機器人的興趣。

2.4 開放實驗室和自主命題的團組式教學

教員在基本實驗基礎上，引導學員圍繞自命課題方向進行專題閱讀和討論[3]，提出研究報告和選題報告，培養(yǎng)學員的文獻閱讀撰寫能力和團隊合作精神。此外，鼓勵學員課外參與軍用機器人的創(chuàng)新實踐，采用開放實驗室方式將實驗器材發(fā)至學員，使學員有更多的機會進行實踐鍛煉；注重課后輔導和交流，建立嵌入式學習微信群，即時為學員答疑解惑。實踐證明，學員的學習積極性、實踐動手能力和獨立解決問題能力都得到顯著提高。

3 師資隊伍配備

開展微型機應用技術教學改革需要教員具有不斷學習新嵌入式處理器的能力，能夠借鑒國內外高校的成功教學經驗并將科研成果轉化成教學案例。為此，課題組每周組織一次教學研討，就教學內容、教學方法和教學案例展開討論，提倡團隊合作教學，鼓勵教員到國內外高校參觀、學習和交流。我們的教員多次參加ARM Cortex M系列嵌入式培訓和Intel機器人培訓，多次赴清華大學、浙江大學、國防科技大學和陜西師范大學參加教學培訓，參加高校微課、慕課與翻轉課堂等教學專題經驗報告會，目的是將先進的教學方法和教學案例帶回來，提高教學團隊中每個成員的知識水平和教學水平。

4 考核方式改革

教員可改革課程考核辦法，增加平時成績和實驗成績比例，最終成績=平時成績×20%+實驗成績×30%+卷面成績×50%。平時成績根據出勤情況、舉手發(fā)言情況、研討表現和作業(yè)完成情況判定；實驗成績根據實驗表現、實驗報告、實驗結果、視頻錄制情況判定；卷面考試共100分，包括判斷題、選擇題、填空題、簡答題和論述題。判斷題、選擇題和填空題主要考查學員對基本概念和術語的掌握情況；簡答題主要考查學員對嵌入式系統(tǒng)的基本設計能力；論述題主要考核學員如何利用所學為軍隊服務和學用結合方面的思考。這樣既可以考核學員對基本概念和基本實驗的掌握情況，又能對學員課下的文獻閱讀情況進行考核，考試成績基本能反映出學員的綜合能力和素質。

5 結 語

由于采用以上教學方法，微型機應用技術課程取得了良好的教學效果，教學班考試成績統(tǒng)計情況見表1，其中，最高分為96，最低分為54，平均分為71.9。

從考試情況看，學員基本熟悉微型機系統(tǒng)的開發(fā)原理與技能，能實現一個具有實際應用價值的簡單系統(tǒng)的開發(fā)，達到了教學要求。課程結束后，學員普遍反映收獲很大。教學班學員在結課后自發(fā)組織兩個戰(zhàn)隊參與RoboMasters全國大學生機器人大賽，主動尋求參賽的技術支持，在課下利用一切空閑時間查閱資料，校外參觀交流，自費購買元器件，進行機器人的設計、組裝和調試；部分學員根據射擊學原理知識設計出校準彈道的表尺，大大提高了瞄準精度和射擊的準確率；部分學員通過設計彈道、炮管、補給站、戰(zhàn)車等成長為機械設計高手；大多數學員從對微型機應用程序開發(fā)一無所知迅速成長為一名嵌入式開發(fā)高手。最終，兩支戰(zhàn)隊在RoboMasters2016全國大學生機器人大賽中均取得西部賽區(qū)三等獎的成績。以上成績說明微型機應用技術課程的教學啟迪了學員的思維，激發(fā)了學員進行微型機應用程序開發(fā)創(chuàng)新實踐的熱情。

第一作者簡介：汪永紅，女，講師，研究方向為嵌入式開發(fā)與應用，Yong_hong_wang@163.com。

參考文獻：

[1]王保進， 齊寧， 汪永紅. 面向嵌入式系統(tǒng)教學的“微研發(fā)”方法探究[J]. 教學研究， 2015（3）： 57-60.

[2]王煒， 井靖， 焦建華.“三步走”計算機專業(yè)實踐教學方法探索與實踐[J]. 計算機教育， 2015（6）： 108-110.

[3]王震宇， 汪永紅， 司彬彬. 基于自命課題的團組式教學模式改革的探索[J]. 計算機教育， 2014（16）： 43-45.

（編輯：宋文婷）