新工科背景下嵌入式微處理器原理與應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)建設(shè)

劉 煒，曾 鳴，田 嵐

（山東大學(xué) 微電子學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100）

0 引 言

當(dāng)今世界高等教育出現(xiàn)了多樣化、信息化等革命性變化趨勢(shì)，高等工程教育也從技術(shù)范式、科學(xué)范式向工程范式甚至更新的教育范式轉(zhuǎn)變[1]。高等工程類本科教育的主要目標(biāo)是為社會(huì)培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才。為保障我國(guó)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并為我國(guó)在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中提供有力的智力支持和人才保障，培養(yǎng)引領(lǐng)未來技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的卓越技術(shù)人才，我國(guó)提出了“新工科”教育理念[2-6]。在此背景下，對(duì)嵌入式微處理器原理與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)課程展開教學(xué)改革與探索。

早期的微處理器原理與應(yīng)用課程，教學(xué)講解對(duì)象和實(shí)驗(yàn)多圍繞Intel公司的80×86系列芯片。隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，起源于20世紀(jì)70年代的嵌入式微處理器已廣泛應(yīng)用到消費(fèi)類電子、工業(yè)控制、通信、國(guó)防等領(lǐng)域，成為物連互通不可或缺的電子器件[7-8]。其中ARM公司的微處理器系列產(chǎn)品由于其特殊的IP核架構(gòu)授權(quán)商業(yè)模式，占微處理器市場(chǎng)份額后來居上，已成為微處理器工程應(yīng)用的主流產(chǎn)品[9-10]。為更貼近實(shí)際工程需要，教學(xué)中選用ARM公司CortexM3系列微處理器作為典型芯片來授課和實(shí)踐。

嵌入式微處理器原理與應(yīng)用課程是一門電子信息類專業(yè)基礎(chǔ)課程，它通過系統(tǒng)講述ARM CortexM3微處理器的原理、架構(gòu)、編程和設(shè)計(jì)方法，讓學(xué)生初步掌握嵌入式微處理器與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的方法。該課程的顯著特點(diǎn)是理論與實(shí)踐需結(jié)合，且實(shí)踐性更強(qiáng)。以往的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，由于實(shí)驗(yàn)裝置體積較大、實(shí)驗(yàn)空間和時(shí)間較為固定，學(xué)生總感覺實(shí)踐體驗(yàn)和訓(xùn)練不夠充分。根據(jù)課程改革預(yù)期，在此改用小型便攜式“口袋實(shí)驗(yàn)室”實(shí)驗(yàn)環(huán)境，規(guī)劃設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，采用創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式構(gòu)建課程，強(qiáng)化實(shí)踐環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)課程選用典型ARM Cortex-M3作為內(nèi)核的意法半導(dǎo)體的STM32F1系列芯片構(gòu)成主芯片實(shí)驗(yàn)板。針對(duì)前期有一定數(shù)字、模擬電路基礎(chǔ)和一定編程能力的電子信息類本科生，進(jìn)行邊學(xué)邊練、多學(xué)常練有針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)改革，通過實(shí)操演示、創(chuàng)新課堂、翻轉(zhuǎn)課堂[11]等多種教學(xué)形式，讓學(xué)生更便利、更主動(dòng)地參與到實(shí)驗(yàn)中來，再通過自由組合、分工協(xié)作，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神和創(chuàng)新意識(shí)。

1 “口袋實(shí)驗(yàn)室”課程建設(shè)

“口袋實(shí)驗(yàn)室”，顧名思義是一種可以裝進(jìn)“口袋”的實(shí)驗(yàn)室。因其小巧靈活、攜帶方便，可以滿足學(xué)生“全天候”實(shí)驗(yàn)要求[12]，在各高校的物聯(lián)網(wǎng)、電子信息、計(jì)算機(jī)、控制類專業(yè)中有普及趨勢(shì)[13-16]。

結(jié)合實(shí)踐要求，對(duì)原有體積較大的實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了重新規(guī)劃和裝置選型，在保證課程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)前提下，配備豐富的擴(kuò)展接口以方便功能擴(kuò)充，定制實(shí)驗(yàn)板面積為6 cm×10 cm。為調(diào)試方便，將ST-link集成到開發(fā)板內(nèi)，這樣只需一根USB線即可連接電腦開展各種實(shí)驗(yàn)和調(diào)試。實(shí)驗(yàn)板上裝有LED、數(shù)碼管、按鍵、紅外接收、蜂鳴器等多種外圍器件，可獨(dú)立運(yùn)行常用的接口實(shí)驗(yàn)，如GPIO控制、按鍵控制、紅外遙控、數(shù)碼顯示、串口通信、ADC等。實(shí)驗(yàn)板還可外接擴(kuò)展套件，開展智能小車、智能光感控制等綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。圖1為該實(shí)踐課程定制的實(shí)驗(yàn)主板、套件、擴(kuò)展模塊以及備選的創(chuàng)新項(xiàng)目示例。教學(xué)中，引入創(chuàng)新項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，適當(dāng)采用“翻轉(zhuǎn)課堂”，強(qiáng)化互動(dòng)教學(xué)。這樣，通過“口袋實(shí)驗(yàn)室”建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生課下（或線下）可結(jié)合實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)、測(cè)試驗(yàn)證，老師課上（或線上）驗(yàn)收設(shè)計(jì)結(jié)果、答疑解惑的新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

圖1 “口袋實(shí)驗(yàn)室”主實(shí)驗(yàn)板、擴(kuò)展模塊及創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

2 教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)改革

2.1 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

2.1.1 課程分級(jí)設(shè)計(jì)

由于“口袋實(shí)驗(yàn)室”具備“全天候”實(shí)驗(yàn)可能，本文設(shè)計(jì)了由“基礎(chǔ)講堂”+“創(chuàng)新項(xiàng)目”+“翻轉(zhuǎn)課堂”三級(jí)難度構(gòu)成的教學(xué)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)課程分級(jí)設(shè)計(jì)見表1所列。

表1 實(shí)驗(yàn)課程分級(jí)設(shè)計(jì)

其中“基礎(chǔ)講堂”是精選的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，用于幫助學(xué)生熟悉和理解微處理器的各種原理性概念和基本外設(shè)控制方法?！盎A(chǔ)講堂”中，首先通過實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和編程環(huán)境的演示操作和學(xué)生動(dòng)手練習(xí)，使學(xué)生跨進(jìn)微處理器應(yīng)用的門檻，掌握微處理器應(yīng)用開發(fā)的具體流程和方法。進(jìn)而，通過匯編基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)及匯編程序控制GPIO實(shí)驗(yàn)，可讓學(xué)生深入理解微處理器中的微架構(gòu)（微結(jié)構(gòu)）、ISA總線、存儲(chǔ)、外設(shè)之間的關(guān)系，形成完整的微計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)。隨后，再通過常用外設(shè)控制實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生掌握串口通信、數(shù)模轉(zhuǎn)換器等必用的擴(kuò)展功能，為下一步進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目做好準(zhǔn)備。

創(chuàng)新項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的“創(chuàng)新課堂”是為進(jìn)一步提升學(xué)生的創(chuàng)新應(yīng)用和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力而設(shè)計(jì)的。創(chuàng)新教育是我國(guó)大力推行的素質(zhì)教育的重要內(nèi)容，高校創(chuàng)新教育目標(biāo)在于提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和能力培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)課程的創(chuàng)新課堂，根據(jù)學(xué)生興趣選題，自愿組合，開展創(chuàng)新項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)實(shí)踐。綜合性的創(chuàng)新項(xiàng)目可鍛煉學(xué)生對(duì)微處理器各種結(jié)構(gòu)和組件的認(rèn)識(shí)和掌控能力，提升他們分析問題解決問題的實(shí)際設(shè)計(jì)能力，同時(shí)切身感受團(tuán)隊(duì)協(xié)作的重要性。在課程的最后，通過創(chuàng)新項(xiàng)目和“翻轉(zhuǎn)課堂”結(jié)合，讓課堂成為項(xiàng)目驗(yàn)收和答辯的現(xiàn)場(chǎng)，師生互動(dòng)講解、回答問題，學(xué)生們互相學(xué)習(xí)、開闊眼界、拓展思路，可全面開放地考查評(píng)估學(xué)生對(duì)嵌入式微處理器原理與應(yīng)用課程的掌握情況。

“基礎(chǔ)課堂”“創(chuàng)新課堂”“翻轉(zhuǎn)課堂”這三大課程模塊的有機(jī)組合，構(gòu)成一整套由基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)逐步提升實(shí)踐能力，再到創(chuàng)新項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)+翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)踐教學(xué)體系。

2.1.2 創(chuàng)新項(xiàng)目

將項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式引入嵌入式微處理器原理與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)課的創(chuàng)新課堂，以相同或不同項(xiàng)目為設(shè)計(jì)目標(biāo)，將同學(xué)分組，每3～6人一組，每組一個(gè)項(xiàng)目，組內(nèi)同學(xué)分工協(xié)作。創(chuàng)新課堂為學(xué)生提供了功能各異的6個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，見表2所列，可從多方面考察學(xué)生綜合運(yùn)用相關(guān)知識(shí)解決問題和協(xié)同創(chuàng)新能力。例如，在教室智能照明系統(tǒng)中，如何判斷是否有人在教室、光照度采集如何摒棄偶然因素等，可考察學(xué)生對(duì)傳感器使用和硬件系統(tǒng)的整合能力；在智能小車控制系統(tǒng)中，如何精確調(diào)控電機(jī)的轉(zhuǎn)速、如何通過舵機(jī)調(diào)整前進(jìn)方向、如何通過超聲波或紅外傳感器進(jìn)行障礙、如何進(jìn)行路線控制等，能夠考察學(xué)生對(duì)于電機(jī)控制、智能避障、路線選擇等知識(shí)的理解和編程實(shí)現(xiàn)能力。

表2 創(chuàng)新課堂創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

小組完成創(chuàng)新項(xiàng)目后，以小組為單位提交項(xiàng)目報(bào)告，并以翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式組織各團(tuán)隊(duì)答辯。答辯中，小組需講解項(xiàng)目的整體硬件結(jié)構(gòu)、軟件實(shí)現(xiàn)方法以及每位同學(xué)的參與部分或貢獻(xiàn)，以便打分評(píng)價(jià)，同時(shí)以現(xiàn)場(chǎng)演示或視頻錄像方式展示設(shè)計(jì)功能和實(shí)現(xiàn)效果，同一課題各小組可相互借鑒和評(píng)估水平。翻轉(zhuǎn)課堂上，同學(xué)之間可直接提問、交換思路，分享自己的設(shè)計(jì)歷程、項(xiàng)目得失，老師可擇時(shí)給予設(shè)計(jì)點(diǎn)評(píng)和答疑解惑。通過翻轉(zhuǎn)課堂互動(dòng)交流，可鍛煉學(xué)生的演講、組織和團(tuán)隊(duì)溝通能力，以適應(yīng)今后的學(xué)習(xí)和工作。

2.2 教學(xué)方式改革

2.2.1 教學(xué)場(chǎng)景轉(zhuǎn)換

在新工科教學(xué)中，其特點(diǎn)更加強(qiáng)調(diào)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)?！翱诖鼘?shí)驗(yàn)室”的建設(shè)，極大地減少了實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)于固定教室的依賴，實(shí)踐時(shí)長(zhǎng)不受限，這樣可大大激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)熱情和潛力，改變嵌入式微處理器原理與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)教學(xué)場(chǎng)景。配備“口袋實(shí)驗(yàn)室”，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)場(chǎng)景變得更加靈活易變，對(duì)固定教室教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、戶外現(xiàn)場(chǎng)演示教學(xué)均可適時(shí)開展。

2020年突如其來的新冠疫情使學(xué)生無法回歸正常學(xué)習(xí)，迫使所有教學(xué)搬到網(wǎng)上進(jìn)行，常規(guī)的固定實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所的實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃被徹底打亂。這時(shí)，依賴笨重實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)驗(yàn)教學(xué)被迫停止。在抗擊疫情特殊時(shí)期，“口袋實(shí)驗(yàn)室”被便利地寄送到學(xué)生手中，通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)直播授課，學(xué)生參照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，線上+線下順利開展實(shí)驗(yàn)調(diào)試和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，有效保證了原有的教學(xué)秩序和教學(xué)進(jìn)程。

2.2.2 創(chuàng)新項(xiàng)目+翻轉(zhuǎn)課堂

“口袋實(shí)驗(yàn)室”教學(xué)模式可充分發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性和老師的因材施教，使項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新課堂有了用武之地。創(chuàng)新項(xiàng)目與“翻轉(zhuǎn)課堂”的結(jié)合，模擬構(gòu)成較完整的創(chuàng)新研發(fā)過程，更接近工程實(shí)踐，符合新工科人才培養(yǎng)的改革要求。以翻轉(zhuǎn)課堂形式組織學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目答辯、互動(dòng)交流，是一種結(jié)合創(chuàng)新項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)實(shí)踐教學(xué)的新模式，該模式能多方面展現(xiàn)學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新潛力，獲得學(xué)生歡迎和認(rèn)可。做好這項(xiàng)教學(xué)改革，對(duì)教師提出更高要求，需要適時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容，搜集教學(xué)素材，優(yōu)選教學(xué)案例，才能不斷提高實(shí)踐教學(xué)水平。

3 結(jié) 語(yǔ)

為適應(yīng)“新工科”教育強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)的新要求，本文針對(duì)高校電子信息類專業(yè)的嵌入式微處理器原理與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)，從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及教學(xué)模式等方面展開了改革和探索，建立了基于“口袋實(shí)驗(yàn)室”的嵌入式微處理原理與應(yīng)用的實(shí)踐教學(xué)體系。

嵌入式微處理器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的輕量化建設(shè)使理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐教學(xué)結(jié)合得更加緊密和便利，只要給學(xué)生配備適當(dāng)口袋實(shí)驗(yàn)板，無論線上線下教學(xué)，都能顯著增強(qiáng)教學(xué)效果。對(duì)于實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)，“口袋實(shí)驗(yàn)室”教學(xué)模式可貫穿基礎(chǔ)理論、實(shí)驗(yàn)操作及創(chuàng)新設(shè)計(jì)，構(gòu)建“全天候”自主學(xué)習(xí)環(huán)境，將原理性編程實(shí)驗(yàn)、模塊級(jí)單元接口實(shí)驗(yàn)、多功能模塊綜合設(shè)計(jì)以及創(chuàng)新項(xiàng)目分級(jí)實(shí)現(xiàn)，擺脫了以往實(shí)驗(yàn)局限在固定地點(diǎn)、固定時(shí)間的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。該教學(xué)模式不僅為學(xué)生提供了無限的實(shí)踐時(shí)間和空間，充分挖掘?qū)W生實(shí)踐力和創(chuàng)新力，而且對(duì)教師的教學(xué)能力提出更高要求。

創(chuàng)新課堂引入項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)環(huán)節(jié)，以創(chuàng)新項(xiàng)目為創(chuàng)新課堂主線，通過翻轉(zhuǎn)課堂、項(xiàng)目匯報(bào)和答辯，便于綜合考察學(xué)生靈活運(yùn)用知識(shí)、解決實(shí)際問題的設(shè)計(jì)能力，拉近實(shí)驗(yàn)實(shí)踐與實(shí)際工作場(chǎng)景的距離，更符合新工科人才培養(yǎng)理念，并獲得學(xué)生普遍歡迎與認(rèn)可。