嵌入式控制課程教學(xué)研究與探索

王皖君 林原靈

摘要：嵌入式控制課程知識點(diǎn)多、實(shí)踐性強(qiáng)，在有限的學(xué)時內(nèi)高效率高質(zhì)量教學(xué)是一項挑戰(zhàn)性工作。為了提高教學(xué)效果，針對目前教學(xué)活動中的問題，研究與探索課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，提出根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)采用啟發(fā)式教學(xué)、案例教學(xué)和項目驅(qū)動教學(xué)，并給出課程綜合評價方式。教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和綜合實(shí)踐能力明顯提高，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：嵌入式控制;教學(xué)內(nèi)容;啟發(fā)式教學(xué)法;案例教學(xué)法;項目驅(qū)動教學(xué)法

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）15-0142-03

Abstract： Embedded control course has many knowledge points and strong practicality. It is a challenging work to teach with high efficiency and high quality in limited class hours. In order to improve the teaching effect， aiming at the problems of the current teaching， teaching contents and teaching methods were studied and explored. Heuristic teaching， case teaching and project driven teaching according to the characteristics of teaching contents were proposed， and the comprehensive evaluation method was addressed. Teaching practice shows that students' interest in learning and comprehensive practical ability had been significantly improved， and favorable teaching effect has been achieved.

Key words： Embedded control; teaching content; heuristic teaching method; case teaching method; project driven teaching method

1 引言

嵌入式技術(shù)是工業(yè)控制、儀器儀表、汽車電子等行業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，掌握嵌入式技術(shù)已經(jīng)成為相應(yīng)領(lǐng)域從業(yè)人員必備的基本技能，因此，嵌入式控制是國內(nèi)外儀器類、電子信息類、自動化類等專業(yè)的核心專業(yè)課、支撐畢業(yè)要求和培養(yǎng)目標(biāo)的重要課程，在培養(yǎng)方案中占有重要地位[1-2]。本課程具有知識面廣、綜合性強(qiáng)、實(shí)踐性強(qiáng)和發(fā)展更新快等特點(diǎn)，同時又與專業(yè)背景有關(guān)，在有限的課時內(nèi)講解嵌入式控制的重難點(diǎn)、并培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用嵌入式技術(shù)解決復(fù)雜工程問題的能力對教師的教學(xué)方法與能力是一個挑戰(zhàn)。本文針對嵌入式控制的教學(xué)現(xiàn)狀，以提高教學(xué)水平、教學(xué)效率和教學(xué)效果為目標(biāo)，研究與探索嵌入式控制課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法。

2 教學(xué)現(xiàn)狀

嵌入式控制課程涉及C語言程序設(shè)計、微機(jī)原理與接口技術(shù)、單片機(jī)原理與應(yīng)用、嵌入式操作系統(tǒng)等諸多專業(yè)課程，課程知識點(diǎn)重疊交叉較多，教學(xué)實(shí)踐中往往事倍功半。為了提高教學(xué)效果和人才培養(yǎng)質(zhì)量，需要研究與探索嵌入式控制的教學(xué)環(huán)節(jié)并改進(jìn)。根據(jù)作者調(diào)研，目前的教學(xué)實(shí)踐中存在的問題體現(xiàn)在：

學(xué)生反應(yīng)嵌入式控制課程中涉及很多專業(yè)名詞和概念定義，尤其是各種片上外設(shè)的寄存器，在傳統(tǒng)教學(xué)過程中，教師通常按照教材章節(jié)內(nèi)容授課，教學(xué)過程十分枯燥，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣逐漸喪失，這是因?yàn)榍度胧娇刂浦猩婕暗挠布O(shè)計知識點(diǎn)比較松散，學(xué)生在課堂上學(xué)習(xí)時費(fèi)勁，導(dǎo)致課堂氛圍不活躍。

培養(yǎng)方案對嵌入式控制課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時分配不足，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的深度和廣度不夠。嵌入式控制課程教學(xué)內(nèi)容較多，而分配到各個知識點(diǎn)的學(xué)時有限，目前與本課程配套的實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，缺乏合適的綜合性和開發(fā)性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)只能輔助學(xué)生了解嵌入式系統(tǒng)的基本概念和原理，熟悉嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的基本步驟和流程，無法培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，這與高等教育的前沿性不匹配，學(xué)生的專業(yè)能力不能與社會需求相匹配[3]。然而，嵌入式控制課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)非常重要，理解和掌握嵌入式控制需要通過足夠?qū)W時的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動才能培養(yǎng)學(xué)生的開發(fā)和設(shè)計能力，現(xiàn)有的課程學(xué)時難以滿足對該課程全面、深入的教學(xué)。

教學(xué)效果方面，面對復(fù)雜工程問題時，學(xué)生不能運(yùn)用相關(guān)的知識提出解決方案和措施，具體表現(xiàn)為學(xué)生綜合應(yīng)用能力不強(qiáng)，缺乏分析問題和解決問題的能力。主要原因在于課程內(nèi)容與專業(yè)、應(yīng)用背景脫節(jié)，而且傳統(tǒng)教學(xué)方法對知識點(diǎn)的講授與應(yīng)用練習(xí)都是單獨(dú)進(jìn)行的，沒有及時與工程案例相結(jié)合，學(xué)生往往當(dāng)時能聽懂、會練習(xí)，但到真正在解決實(shí)際問題時需要綜合若干知識點(diǎn)，卻不能根據(jù)實(shí)際情況靈活運(yùn)用已學(xué)過的知識，從而失去學(xué)習(xí)的興趣，導(dǎo)致教學(xué)效果很不理想。

教學(xué)方法方面，以講授法為主，按照教材的章節(jié)順序講授教材中的知識點(diǎn)，再通過實(shí)例講解知識點(diǎn)應(yīng)用方法，不能培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探索能力。

課程評價方面，考核方式不合理，由于高等學(xué)校教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化管理的片面性，目前嵌入式控制的考核方式仍然采用傳統(tǒng)的閉卷考試模式，試題無法科學(xué)評價學(xué)生課程目標(biāo)達(dá)成情況[4]。學(xué)生投入較多時間記憶課程中的概念和名詞，而嵌入式控制的課程目標(biāo)是學(xué)生能應(yīng)用嵌入式控制解決復(fù)雜工程問題。嵌入式控制課程的考核環(huán)節(jié)不合理，無法準(zhǔn)確、科學(xué)評價學(xué)生對課程的掌握程度，教師無法持續(xù)改進(jìn)教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容，無法滿足工程教育培養(yǎng)應(yīng)用型人才的要求。

3 教學(xué)內(nèi)容研究

目前，嵌入式控制領(lǐng)域有多種不同型號的微控制器、嵌入式操作系統(tǒng)和開發(fā)工具，教學(xué)研究需要首先確定合適的教學(xué)內(nèi)容。經(jīng)過調(diào)研和對比，作者所在課程組確定以“STM32微控制器和嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)uc/OS-II”作為教學(xué)平臺。選擇STM32微控制器是因?yàn)槟壳扒度胧娇刂祁I(lǐng)域廣泛采用該控制器作為硬件平臺，科研領(lǐng)域和就業(yè)市場都有較大的需求。嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)uc/OS-II是一個源碼開放的操作系統(tǒng)內(nèi)核，非常適合初次接觸嵌入式操作系統(tǒng)的學(xué)生，避免學(xué)習(xí)Linux的畏難心理，這使學(xué)生更加充分理解操作系統(tǒng)的內(nèi)核及其工作原理，為將來學(xué)習(xí)Linux奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。教學(xué)實(shí)踐表明，選擇該平臺可以降低初學(xué)嵌入式控制的難度，同時激發(fā)學(xué)生對嵌入式控制學(xué)習(xí)的興趣，而且可以充分利用網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行學(xué)習(xí)。

嵌入式控制課程的教學(xué)內(nèi)容可以分為三個層次：（1）基礎(chǔ)知識，主要包括GPIO、定時器、中斷、ADC和UART等，這部分內(nèi)容和其他微控制器基本相通;（2）綜合應(yīng)用，該內(nèi)容是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn);（3）嵌入式操作系統(tǒng)，該部分內(nèi)容可根據(jù)專業(yè)背景有選擇地進(jìn)行教學(xué)。由于存在著內(nèi)容多和學(xué)時有限的矛盾，為了能在有限的時間內(nèi)讓學(xué)生掌握核心內(nèi)容，在后續(xù)學(xué)習(xí)和應(yīng)用中具備自學(xué)能力，精選教學(xué)內(nèi)容至關(guān)重要，課程內(nèi)容應(yīng)根據(jù)專業(yè)特征以及教學(xué)對象進(jìn)行調(diào)整和補(bǔ)充。在教學(xué)中應(yīng)根據(jù)專業(yè)背景的實(shí)際情況，參照課程教學(xué)大綱，選擇的教學(xué)內(nèi)容盡可能覆蓋知識點(diǎn)，而且在后續(xù)內(nèi)容教學(xué)的同時能對已講授內(nèi)容進(jìn)行復(fù)習(xí)。

在有限的學(xué)時內(nèi)達(dá)成嵌入式控制的課程目標(biāo)，使學(xué)生能應(yīng)用嵌入式技術(shù)的軟件和硬件資源解決復(fù)雜工程問題是課程教學(xué)的目的。作者的教學(xué)思路是將教學(xué)內(nèi)容與工程實(shí)踐相結(jié)合，突出應(yīng)用背景，將復(fù)雜工程問題抽象出共性的教學(xué)內(nèi)容。如GPIO是嵌入式控制器的最基本的功能，在講授時，通過介紹嵌入式工程應(yīng)用中檢測各類開關(guān)、按鍵以及控制指示燈、繼電器等，對GPIO進(jìn)行教學(xué)。嵌入式控制器提供了豐富的定時/計數(shù)器，教學(xué)過程中與PWM知識結(jié)合，介紹PWM在電力電子、電機(jī)控制等領(lǐng)域的應(yīng)用。

4 教學(xué)方法探索

傳統(tǒng)教學(xué)模式主要講授嵌入式控制器與操作系統(tǒng)的基本概念和原理，隨著教學(xué)內(nèi)容的增加，學(xué)生學(xué)習(xí)比較困難，需要具有微機(jī)原理與接口技術(shù)、單片機(jī)原理及應(yīng)用和C語言程序設(shè)計等專業(yè)知識才能理解知識點(diǎn)，教師需要根據(jù)教學(xué)內(nèi)容選擇合適的教學(xué)方法。

4.1 啟發(fā)式教學(xué)法

在嵌入式控制課程教學(xué)中，需要轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)教學(xué)模式下師生的角色，教師從知識的講解著轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)者，學(xué)生從知識吸收者轉(zhuǎn)變?yōu)橹R探索者[5]。在微控制器硬件資源部分的教學(xué)時，教師引導(dǎo)學(xué)生發(fā)掘嵌入式微控制器硬件資源與微機(jī)原理、單片機(jī)的相通和不同之處，啟發(fā)學(xué)生應(yīng)用已掌握的微機(jī)原理、單片機(jī)的知識體系和學(xué)習(xí)方法來學(xué)習(xí)嵌入式控制器的硬件資源，從而可以高效率地學(xué)習(xí)嵌入式控制，這種教學(xué)方法可以使得學(xué)生快速入門，并理解嵌入式技術(shù)。

4.2 案例教學(xué)法

案例教學(xué)法依托典型的實(shí)例對所涉及的知識點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)，這種教學(xué)法目標(biāo)明確，具有直觀、實(shí)用的特點(diǎn)，能迅速吸引學(xué)生的注意力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性[6]。應(yīng)用案例教學(xué)法適合嵌入式控制器的硬件資源教學(xué)，在教學(xué)過程中不以教材的章節(jié)順序進(jìn)行授課，而是以案例為中心，通過綜合講解精心選擇的案例，使學(xué)生更好地掌握知識點(diǎn)，并把要學(xué)習(xí)的知識點(diǎn)融入具體案例中來講授，教學(xué)過程強(qiáng)調(diào)學(xué)以致用，在應(yīng)用中學(xué)習(xí)。例如，按鍵和LED是嵌入式控制中常用輸入輸出設(shè)備，可從工程項目中抽象出案例，用于教學(xué)時由淺入深，程序代碼在前期案例的基礎(chǔ)上修正和完善，作者在教學(xué)實(shí)踐過程中，從最基本的驅(qū)動LED顯示開始入門，再增加按鍵控制LED;學(xué)習(xí)定時器知識點(diǎn)后，通過時間控制流水燈顯示，由定時器控制流水燈的顯示間隔;在講授中斷和事件知識點(diǎn)時，選擇在中斷服務(wù)程序中控制LED作為教學(xué)案例;在學(xué)生掌握GPIO、定時器和中斷知識點(diǎn)并能設(shè)計按鍵和LED功能后，再深入和完善教學(xué)案例，如按鍵功能增加短按、長按、組合按鍵等，LED顯示功能則拓展為數(shù)碼管顯示、液晶顯示器顯示，定時器選擇輸出PWM、檢測PWM周期和脈沖寬度作為案例，并能夠通過按鍵調(diào)節(jié)PWM的周期和脈沖寬度。實(shí)踐表明，案例教學(xué)法效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)方法。

4.3 項目驅(qū)動教學(xué)法

項目驅(qū)動教學(xué)以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)，是一種主動探究型教學(xué)方法，通過項目背景、團(tuán)隊合作、技術(shù)交流等學(xué)習(xí)環(huán)境要素充分發(fā)揮學(xué)生的主動性和提高學(xué)習(xí)興趣，并激發(fā)創(chuàng)新意識，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力和解決復(fù)雜工程問題的能力[7-8]。項目驅(qū)動教學(xué)實(shí)踐過程中需要設(shè)計項目、分解項目、知識教學(xué)、項目實(shí)施和項目評價等環(huán)節(jié)，其中，設(shè)計項目是項目驅(qū)動教學(xué)的關(guān)鍵，項目工作量和復(fù)雜程度需要與學(xué)時學(xué)分匹配，而且與專業(yè)背景相關(guān)，并能包含教學(xué)大綱規(guī)定的重難點(diǎn)。在教學(xué)實(shí)踐中，作者選擇植物生長環(huán)境信息采集系統(tǒng)作為教學(xué)項目，項目包含人機(jī)接口、數(shù)據(jù)存儲、模數(shù)轉(zhuǎn)換、串口通信、定時中斷五個模塊，在知識教學(xué)中，綜合應(yīng)用啟發(fā)式教學(xué)法、案例教學(xué)法，使學(xué)生掌握項目實(shí)施所需的重難點(diǎn)，項目實(shí)施時按模塊分組，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊協(xié)作和溝通能力，項目評價通過匯報、答辯和演示等多元化方式進(jìn)行評價，并需要增加拓展和創(chuàng)新能力的評價比重。

5 評價方式改革

作為工程教育的核心課程，嵌入式控制課程的實(shí)踐性和綜合性非常強(qiáng)，評價學(xué)習(xí)產(chǎn)出結(jié)果達(dá)成度需要從作業(yè)、理論、實(shí)驗(yàn)和設(shè)計四個方面進(jìn)行多環(huán)節(jié)綜合評價。作業(yè)是平時教學(xué)活動的補(bǔ)充，是教學(xué)示例的擴(kuò)展，考核學(xué)生知識的掌握程度和舉一反三、觸類旁通的能力;理論考核采用簡答或分析題的形式，重點(diǎn)考核學(xué)生對嵌入式系統(tǒng)軟件和硬件的基本概念以及嵌入式應(yīng)用的方案設(shè)計能力。實(shí)驗(yàn)通過驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)考核學(xué)生的動手實(shí)踐能力，根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的完成情況和實(shí)驗(yàn)報告的撰寫情況評分。設(shè)計通過具體項目考核學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力、團(tuán)隊協(xié)作能力、溝通能力和項目管理能力等，可選擇電子設(shè)計競賽、機(jī)器人競賽或科研項目中的嵌入式控制問題。

6 結(jié)論

為了提高嵌入式控制的教學(xué)效果，在教學(xué)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，本文研究與探索教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法。在教學(xué)內(nèi)容上，應(yīng)聯(lián)系實(shí)際選擇相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的案例，并根據(jù)專業(yè)選擇教學(xué)內(nèi)容;在教學(xué)方法上，應(yīng)針對教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生的實(shí)際情況，根據(jù)每種方法的優(yōu)勢和局限性，將不同方法進(jìn)行優(yōu)化組合，以達(dá)到最好的教學(xué)效果。嵌入式控制的教學(xué)質(zhì)量涉及諸多方面的因素，需要教師不斷地探索新的教學(xué)方法和教學(xué)模式，達(dá)到課程目標(biāo)。

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