物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)ARM體系架構(gòu)與編程課程思政教學(xué)改革實(shí)踐探索

楊樹媛，郭斌，靳晟

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052)

0 引言

習(xí)近平總書記在全國高校思想政治工作會(huì)議上指出：“要用好課堂教學(xué)這個(gè)主渠道，思想政治理論課要堅(jiān)持在改進(jìn)中加強(qiáng)，提升思想政治教育親和力和針對性，滿足學(xué)生成長發(fā)展需求和期待，其他各門課都要守好一段渠、種好責(zé)任田，使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應(yīng)[1]?！贝髮W(xué)生的思政教育工作必須與專業(yè)課程同步進(jìn)行，要找到一個(gè)合適的切入點(diǎn)，將思政教育貫穿于整個(gè)專業(yè)課程的教學(xué)全過程中，切實(shí)落實(shí)立德樹人的根本任務(wù)。專業(yè)課程的思政教學(xué)改革必須利用網(wǎng)絡(luò)平臺和課堂教學(xué)陣地，把握課程教學(xué)改革的核心環(huán)節(jié)，改革教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)方法等教學(xué)環(huán)節(jié)，從而構(gòu)建高效的課程思政教學(xué)體系[2-3]。

ARM 體系架構(gòu)與編程課程是國家一流本科專業(yè)——物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的一門專業(yè)拓展類課程，具有較強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性，是基礎(chǔ)課程的綜合應(yīng)用類課程，同時(shí)又是連接基礎(chǔ)課程與相關(guān)嵌入式類專業(yè)課程的橋梁，在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)中起到承上啟下的作用，對于后續(xù)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)課程、專業(yè)實(shí)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等的學(xué)習(xí)有著重要的作用。課程以STM32F407 系列開發(fā)板為例，主要講授ARM嵌入式系統(tǒng)涉及的理論知識、STM32處理器的功能特點(diǎn)、工作原理、硬件資源、常用外設(shè)包括GPIO、中斷、串口、定時(shí)器以及其他基本外設(shè)接口的程序設(shè)計(jì)方法、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法等內(nèi)容，為今后開展“智能感知與控制”相關(guān)科研訓(xùn)練、科技競賽、產(chǎn)品研發(fā)等工作做好技術(shù)儲備。

隨著“物聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的到來，ARM 嵌入式系統(tǒng)在智慧農(nóng)業(yè)、智慧交通、機(jī)器人等現(xiàn)實(shí)場景中應(yīng)用日益廣泛。ARM 體系架構(gòu)與編程課程教學(xué)內(nèi)容貼合時(shí)代背景、社會(huì)熱點(diǎn)，緊跟學(xué)科前沿。因此，對該課程進(jìn)行思政教學(xué)，在課程教學(xué)內(nèi)容中引入思政單元，在學(xué)習(xí)專業(yè)知識、鍛煉實(shí)踐能力的同時(shí)，提高學(xué)生的思政素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的家國情懷和社會(huì)責(zé)任感，對于落實(shí)立德樹人的根本任務(wù)有著重要的意義。傳統(tǒng)教學(xué)過程中，課程以講授專業(yè)知識為主，很少涉及對學(xué)生思想政治素質(zhì)方面的教育?；诖耍趥湔n過程中，課程組深入挖掘課程內(nèi)在思政資源，以立德樹人為出發(fā)點(diǎn)，以課程專業(yè)知識為重點(diǎn)，將專業(yè)知識傳授與思政育人深入融合，做到知識教育與思政教育的同向同行，實(shí)現(xiàn)知識教育與思政教育相互促進(jìn)[4]。

1 融入思政教育的教學(xué)目標(biāo)

“ARM 體系結(jié)構(gòu)與編程”是一門既涉及硬件芯片又與嵌入式軟件關(guān)系十分緊密的課程。課程圍繞目前流行的CORTEX-M4 32位ARM處理器的架構(gòu)與外設(shè)進(jìn)行講解，介紹了ARM 處理器的架構(gòu)演進(jìn)過程、GPIO、NVIC、UART、ADC等常用外設(shè)的使用及編程方法。課程融合了嵌入式軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)的思想，通過學(xué)習(xí)學(xué)生能夠了解現(xiàn)代處理器的內(nèi)部構(gòu)成和編程技巧，為學(xué)生今后從事物聯(lián)網(wǎng)工程相關(guān)領(lǐng)域的開發(fā)、嵌入式系統(tǒng)研究與開發(fā)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在夯實(shí)知識目標(biāo)的基礎(chǔ)上，本課程深入挖掘課程的思政資源，力求將思政元素“嵌入”到專業(yè)知識目標(biāo)中，以“潤物無聲”的方式做到知識目標(biāo)與思政目標(biāo)相統(tǒng)一，以“同下一盤棋”的理念做到知識教育與思政教育同向同行，在知識傳授的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用辯證維護(hù)主義觀點(diǎn)和科學(xué)的方法分析和解決嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的實(shí)際問題[4]。本課程的教學(xué)目標(biāo)中融入了思政教育，具體如下：

1)掌握ARM 嵌入式處理器的基本工作原理，融入家國情懷、時(shí)代責(zé)任等德育元素，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國的家國情懷和使命擔(dān)當(dāng)。

2) 熟悉STM32F4 系列常用外設(shè)(GPIO、NVIC、ADC等），掌握嵌入式系統(tǒng)硬件和軟件開發(fā)技術(shù)，強(qiáng)化理論到實(shí)踐的轉(zhuǎn)換思維，增強(qiáng)學(xué)生勇于探索的創(chuàng)新精神、善于解決問題的實(shí)踐能力。同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生珍惜時(shí)間、誠信守時(shí)的職業(yè)素養(yǎng)和“嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、一絲不茍”的工匠精神。

2 課程思政教學(xué)設(shè)計(jì)

本課程聚焦于立德樹人的目標(biāo)，采用“知識點(diǎn)模塊——MOOC——實(shí)踐項(xiàng)目”三位一體的教學(xué)模式（圖1)，思政教育貫穿課程始終，形成了價(jià)值塑造、知識傳授和能力培養(yǎng)三者為一體的全面育人成果。如圖1所示，學(xué)生通過MOOC 教學(xué)視頻完成課前預(yù)習(xí)，了解本周教學(xué)內(nèi)容和項(xiàng)目要求，帶著問題進(jìn)入線下課堂的學(xué)習(xí)；線下課堂環(huán)節(jié)通過講解和演示完成知識點(diǎn)的解惑答疑，給實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的完成提供了良好的理論基礎(chǔ)；在實(shí)驗(yàn)課上，通過實(shí)際項(xiàng)目的訓(xùn)練使得理論知道得到了很好的擴(kuò)展和應(yīng)用。另一方面，在完成項(xiàng)目的過程中不僅提升了動(dòng)手能力，同時(shí)由于項(xiàng)目的內(nèi)容和難度隨著課程的深入不斷增多、加大，激發(fā)了學(xué)生探索新知識的興趣，促使被動(dòng)式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)換成主動(dòng)式學(xué)習(xí)；課下再通過完成MOOC提供的測驗(yàn)題，進(jìn)一步鞏固了理論知識點(diǎn)，以此課堂授課、MOOC 教學(xué)和實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)三個(gè)環(huán)節(jié)形成了一種互相促進(jìn)的循環(huán)模式。在整個(gè)教學(xué)過程中，思政教育作為整個(gè)課程的靈魂，融入每一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中，完成了育人目標(biāo)的統(tǒng)一、育人方法的多樣、育人資源的整合，最終達(dá)到既樹人又立德的目的[5]。

圖1 課程思政視角下的三位一體的教學(xué)模式

2.1 課程思政教學(xué)內(nèi)容

在ARM 體系架構(gòu)與編程課程的思政教學(xué)中，將思政元素融入課程知識點(diǎn)模塊，做到價(jià)值導(dǎo)向與知識傳授相融合，在知識傳授、能力培養(yǎng)中，弘揚(yáng)社會(huì)主義核心價(jià)值觀，傳播愛黨、愛國、積極向上的正能量，培養(yǎng)科學(xué)精神。具體做到以下幾點(diǎn)：

1)緊抓理論知識，立足ARM 嵌入式處理器的基本工作原理，加強(qiáng)對ARM 的Cortex-M4 的內(nèi)核結(jié)構(gòu)、體系架構(gòu)的認(rèn)識和掌握，夯實(shí)ARM 嵌入式理論的基礎(chǔ)，為其他嵌入式課程做好知識儲備，在此過程中，引入“《瓦森納協(xié)定》”“中興”“華為”事件，以此為契機(jī)，融入家國情懷、時(shí)代責(zé)任等德育元素，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國的情懷和青年一代的使命擔(dān)當(dāng)。

2)充分體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的特色，綜合利用傳感器技術(shù)、電路、通信、App開發(fā)、云服務(wù)等知識，深入研究并分析STM32 處理器常用外設(shè)的硬件結(jié)構(gòu)和原理、軟件(STM32CubMX、Keil 等）開發(fā)、調(diào)試技術(shù)及其相關(guān)應(yīng)用，作為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生將來職業(yè)需要的儲備知識，厚植求真務(wù)實(shí)、勇于實(shí)踐的創(chuàng)新精神，培養(yǎng)認(rèn)真踏實(shí)、敬業(yè)愛崗的職業(yè)素養(yǎng)，樹立心系社會(huì)、求真學(xué)問、練真本事并有時(shí)代擔(dān)當(dāng)?shù)木褡非蟆?/p>

3)以項(xiàng)目貫穿課程始終，注重教育和引導(dǎo)學(xué)生弘揚(yáng)工匠精神，不僅讓學(xué)生充分領(lǐng)悟ARM 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)及其應(yīng)用的科學(xué)思維和科學(xué)研究方法，同時(shí)還引導(dǎo)學(xué)生明白“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”的道理，強(qiáng)化理論到實(shí)踐的轉(zhuǎn)換思維，掌握不同應(yīng)用場景下不同的解決方法，增強(qiáng)學(xué)生勇于探索的創(chuàng)新精神、善于解決問題的實(shí)踐能力。

2.2 課程思政教學(xué)方法

本課程采用線上線下混合式教學(xué)模式。線上教學(xué)依托新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)MOOC 平臺設(shè)計(jì)完成。主要內(nèi)容包括：教學(xué)視頻、知識庫、思政案例（文檔和視頻）、項(xiàng)目（包括課程設(shè)計(jì)）要求及模板，這些內(nèi)容按照教學(xué)計(jì)劃安排，每周日固定時(shí)間在平臺上發(fā)布本周的學(xué)習(xí)任務(wù)，方便學(xué)生提前預(yù)習(xí)本周內(nèi)容，了解本周項(xiàng)目要求，提前做好課堂準(zhǔn)備。課程平臺結(jié)合課程教學(xué)大綱和教學(xué)計(jì)劃，在線提供了與課程相關(guān)的優(yōu)質(zhì)學(xué)習(xí)資料，包括視頻、文檔、知識庫等，方便學(xué)生使用[9]。其中思政部分的設(shè)計(jì)如下：

思政案例以生動(dòng)形象的短視頻的方式發(fā)布，能夠吸引學(xué)生的興趣，從而加深理解和情感認(rèn)同。課程思政內(nèi)容的考核內(nèi)容加入專業(yè)知識的知識庫中，即每周知識庫中除了對應(yīng)的專業(yè)知識點(diǎn)之外，還包括10道思政相關(guān)的測驗(yàn)題，系統(tǒng)自動(dòng)抽題，自動(dòng)判分。這種每周測驗(yàn)的方式不僅有助于學(xué)生及時(shí)查缺補(bǔ)漏，同時(shí)也可以幫助老師及時(shí)有效地了解學(xué)生對課程內(nèi)容包括思政內(nèi)容的掌握和理解程度，從而對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整。

線下課堂分為理論和實(shí)驗(yàn)兩部分，理論課根據(jù)教學(xué)計(jì)劃結(jié)合線上材料展開項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式的教學(xué)活動(dòng)，注重知識點(diǎn)的理解和應(yīng)用，思政案例教學(xué)穿插其中。實(shí)驗(yàn)課以直播的方式進(jìn)行實(shí)踐演示為主的教學(xué)，采用騰訊會(huì)議、釘釘直播的方式完成[9]，是對理論課堂實(shí)現(xiàn)教學(xué)的增量補(bǔ)充，也是對課堂思政教學(xué)的實(shí)踐擴(kuò)展。直播回放可以幫助學(xué)生在課后進(jìn)行重難點(diǎn)的復(fù)習(xí)和項(xiàng)目完成。實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目環(huán)節(jié)設(shè)置一次思政作業(yè)（如圖1實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目7) ，要求通過查閱文獻(xiàn)資料完成小論文的撰寫，作為思政內(nèi)容的考核項(xiàng)。

2.3 課程思政案例

課程思政不是傳統(tǒng)意義上的思想政治理論課，要尋找專業(yè)課程知識點(diǎn)與德育思政元素間的“結(jié)合點(diǎn)”，不能生搬硬套思政理論，也不能照本宣科，要順其自然，有機(jī)融合[6]。以下是課程教學(xué)過程中融合的幾個(gè)思政案例：

1) 知識點(diǎn)：ARM 嵌入式處理器發(fā)展史。思政元素：家國情懷、愛國主義、自主創(chuàng)新、使命責(zé)任。

自2018 年至今，美國對中國發(fā)起的“芯片戰(zhàn)爭”，已經(jīng)進(jìn)入第五個(gè)年頭。歷數(shù)美國對華“卡脖子”的手段，可謂無所不用其極。2018 年4 月，美國商務(wù)部宣布7年內(nèi)禁止美國企業(yè)向中興公司銷售零件，當(dāng)時(shí)中興有20%~30%的元器件從美國采購，包括基帶芯片、射頻芯片等。2019 年，美國又對華為公司實(shí)施制裁，切斷其大部分海外芯片供應(yīng)，并阻止其自行制造芯片，導(dǎo)致華為的手機(jī)業(yè)務(wù)跌入了谷底。2020 年，華盛頓擴(kuò)大制裁范圍，將中國頂級芯片制造商中芯國際列入黑名單。2022 年7 月28 日出臺《2022 年芯片和科技法案》（以下簡稱“芯片法案”)[7]?！靶酒ò浮钡膶?shí)行使得國內(nèi)企業(yè)就進(jìn)行相關(guān)領(lǐng)域的國產(chǎn)化工作達(dá)成共識，法案的限制只能加速這一進(jìn)程的推進(jìn)，中國芯片業(yè)越來越重視自主替代和產(chǎn)業(yè)鏈安全，在過去四個(gè)季度里，世界上增長最快的20家芯片行業(yè)公司中，19家是中國大陸企業(yè)[8]。

通過這些生活的案例，深刻講解了“芯片”的戰(zhàn)略重要性，使學(xué)生意識到芯片行業(yè)中我們的差距和不足，激發(fā)學(xué)生的愛國主義精神和迎頭追趕的決心，樹立為國擔(dān)當(dāng)?shù)男拍?，學(xué)好技術(shù)勇于拼搏和奮斗，逐夢前行。

2)知識點(diǎn)：中斷機(jī)制。思政元素：正確看待人生路上的“中斷”和異常、遵守紀(jì)律、專注認(rèn)真、直面困難、抗挫精神，樹立正確的人生觀等。

STM32F4系統(tǒng)微處理器采用中斷分組、多種中斷優(yōu)先級方式解決復(fù)雜的中斷源優(yōu)先級問題。通過課堂中老師授課（主程序）、學(xué)生不認(rèn)真聽課、低頭、玩手機(jī)、睡覺、說話等事件（中斷）打斷正常進(jìn)行的授課過程（主程序），主程序不得不停下來處理中斷，然后再回到授課的主程序中去這一案例，講解STM32F4系列的中斷控制、響應(yīng)機(jī)制等問題，引導(dǎo)學(xué)生上課要認(rèn)真聽講，保證主程序正常進(jìn)行，對于“異常中斷”越少越好。在工作中也要認(rèn)真專注，保持良好的職業(yè)素養(yǎng)。同時(shí)引申到每個(gè)人的人生路上，沒有誰會(huì)一帆風(fēng)順，總會(huì)碰到各種各樣復(fù)雜的問題和困難（中斷），要勇于面對，仔細(xì)分析問題，耐心細(xì)致地去探究和思考，解決問題，回歸正道，而不是退縮和放棄。

3)知識點(diǎn)：定時(shí)器。思政元素：珍惜時(shí)間，誠信守時(shí)，嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、一絲不茍的工匠精神。

定時(shí)器是微控器必不可少的外設(shè)，其最基本的功能就是定時(shí)處理事情。就好比上課的鈴聲一響，我們就應(yīng)該坐在教室里準(zhǔn)備上課了，引導(dǎo)學(xué)生要誠實(shí)守信。同時(shí)引申到人生中，每個(gè)階段都有各自的特點(diǎn)和設(shè)定，到了哪個(gè)階段就應(yīng)該去做符合這個(gè)年齡階段的事情，每個(gè)人的生命只有一次，要珍惜時(shí)間，要“不負(fù)青春韶華，逐夢砥礪前行”。在定時(shí)器定時(shí)時(shí)間計(jì)算環(huán)節(jié)，介紹航天發(fā)射時(shí)對時(shí)間的精確要求，強(qiáng)調(diào)定時(shí)器定時(shí)時(shí)間的計(jì)算要一絲不茍，如果時(shí)鐘源頻率、自動(dòng)裝載周期和分頻系數(shù)三個(gè)參數(shù)任一個(gè)選擇錯(cuò)誤，都有可能導(dǎo)致計(jì)時(shí)時(shí)間錯(cuò)誤，在工程上可能會(huì)導(dǎo)致不可預(yù)見的后果，強(qiáng)調(diào)要認(rèn)真細(xì)致，培養(yǎng)學(xué)生一絲不茍的工匠精神。

4) 知識點(diǎn)：單總線通信，以DHT11 傳感器為例。思政元素：有得必有失、樹立正確的人生觀。

DHT11的控制和通信是單總線的方式，這是一種對硬件設(shè)計(jì)很友好，對軟件設(shè)計(jì)不友好的總線。一根線可以完成供電、時(shí)鐘、和雙向數(shù)據(jù)的功能，但是DHT11對時(shí)序要求非常嚴(yán)格，這就對軟件設(shè)計(jì)提出了較高的要求。這里引入“有得必有失”這一自然運(yùn)行法則，當(dāng)你得到一些東西的時(shí)候，你也會(huì)失去一些東西；相反，你失去了一些東西、也會(huì)得到一些東西，這就是很平衡的規(guī)律。不論是失去還是得到，我們都要以平常心去面對。不以物喜不以己悲，引導(dǎo)大學(xué)生樹立正確的人生觀，看待人生中的得失，不要斤斤計(jì)較一次的失去。

3 總結(jié)

本文以物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)ARM體系架構(gòu)與編程課程為例，分析了專業(yè)課課程思政的必要性，深入挖掘了該課程的思政資源，研究了該課程的思政教學(xué)方法，介紹了課程授課過程中課程思政教學(xué)的實(shí)施措施。本課程將思政教育有機(jī)地融入教學(xué)全過程中，讓學(xué)生在掌握本課程專業(yè)知識的同時(shí)認(rèn)識科技創(chuàng)新的重要性，引導(dǎo)學(xué)生辯證地看待問題，樹立正確的人生觀，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國的家國情懷和青年一代的使命擔(dān)當(dāng)，培養(yǎng)學(xué)生一絲不茍的工匠精神。本文的研究工作對專業(yè)課程與思政協(xié)同育人的目標(biāo)提供一定的參考和借鑒。