“以學(xué)為主，項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”的嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)設(shè)計(jì)研究
——以基于STM32的智能小車項(xiàng)目為例

張啟龍

（六盤水師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院，貴州 六盤水 553000)

0 引言

現(xiàn)如今，“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”的大背景下，高校紛紛響應(yīng)國家的號(hào)召。陸軍工程大學(xué)[1]為了想辦法充分去調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和動(dòng)手興趣，增加學(xué)生的積極創(chuàng)新意識(shí)，把理論課和實(shí)踐課時(shí)進(jìn)行有機(jī)融合，通過把理論知識(shí)穿插在實(shí)踐項(xiàng)目中，讓學(xué)生去通過學(xué)習(xí)制作項(xiàng)目的過程掌握好枯燥難懂的知識(shí)點(diǎn)，再通過完善考核目標(biāo)來閉環(huán)前面的考核機(jī)制，使得該方法有效地實(shí)施；南京城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院[2]通過把STM32 嵌入式系統(tǒng)微景觀設(shè)計(jì)項(xiàng)目有機(jī)融入理論課中進(jìn)行講授，制定相應(yīng)考核要求，且落到實(shí)處，以避免大創(chuàng)項(xiàng)目的形式主義和“雞肋”困境，再者，為了實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目到產(chǎn)品推向市場(chǎng)的目的，所選的項(xiàng)目很具有代表性，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣；吉林大學(xué)[3]針對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)課程不積極、不主動(dòng)的問題，將研究性學(xué)習(xí)法融入了理論課堂教學(xué)當(dāng)中，從而去構(gòu)建基于“學(xué)生主體，老師主動(dòng)”的相關(guān)教學(xué)模式，老師在整個(gè)教學(xué)過程中起主導(dǎo)作用，讓學(xué)生去單獨(dú)面對(duì)每一個(gè)項(xiàng)目，激發(fā)學(xué)生的獨(dú)立思考能力，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立面對(duì)問題和解決問題的能力，提升學(xué)生的終身學(xué)習(xí)能力和主動(dòng)性；上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)[4]采用慕課有機(jī)結(jié)合嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程的方法，使得授課方式多種多樣，學(xué)生學(xué)習(xí)方式多種多樣，以此來增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣；針對(duì)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類課程的傳統(tǒng)教學(xué)方法以講為主已不再適用，把課堂還給學(xué)生，以學(xué)生為主體[5-6]。因此，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類課程的教學(xué)改革迫在眉睫。

由此可見，本文以學(xué)生為中心，以學(xué)懂會(huì)用為目的，提出“以學(xué)為主，項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”的教學(xué)理念，設(shè)計(jì)以“三段式管理，八步法教學(xué)”的教學(xué)方法，依托基于STM32 的智能小車項(xiàng)目為例，詳盡闡明整個(gè)教學(xué)過程。再者針對(duì)以教為主的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了細(xì)化，全面地支撐了每一個(gè)教學(xué)內(nèi)容的完整有效實(shí)施。

1 教學(xué)設(shè)計(jì)總述

“三段式管理”指的是課前管理、課堂管理和課后管理，老師對(duì)學(xué)生的管理分為了課前、課堂和課后三段；“八步法教學(xué)”指的是線上學(xué)、網(wǎng)上查、線下做、問題引、教師講、學(xué)生秀、師生評(píng)、課后改。第一步是學(xué)生根據(jù)老師課前布置的項(xiàng)目要求，去學(xué)習(xí)網(wǎng)站上學(xué)習(xí)老師所放的微課視頻；第二步是學(xué)生學(xué)完微課視頻之后，根據(jù)項(xiàng)目要求去網(wǎng)上查找相關(guān)資料進(jìn)行查缺補(bǔ)漏；第三步是準(zhǔn)備好前期項(xiàng)目所需相關(guān)資料進(jìn)行線下實(shí)驗(yàn)室或者工作室進(jìn)行項(xiàng)目調(diào)試制作；第四步是老師根據(jù)課前學(xué)生做項(xiàng)目的過程中存在的問題進(jìn)行引導(dǎo)；第五步針對(duì)所存在的問題老師進(jìn)行詳細(xì)的精講；第六步是學(xué)生拿著自己私下做的作品進(jìn)行課堂現(xiàn)場(chǎng)展示，進(jìn)行講演；第七步是在學(xué)生展示講演結(jié)束，其余學(xué)生針對(duì)該項(xiàng)目作品進(jìn)行點(diǎn)評(píng)討論，然后老師對(duì)該作品進(jìn)行點(diǎn)評(píng)打分；第八步是學(xué)生在收集好學(xué)生老師反饋的建議后，課下對(duì)該作品進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)試改進(jìn)。具體如圖1所示。

該門課程根據(jù)學(xué)時(shí)的要求，總的安排了四個(gè)項(xiàng)目。項(xiàng)目一是安排了兩個(gè)學(xué)時(shí)，所做項(xiàng)目是點(diǎn)亮一盞燈，該項(xiàng)目有四個(gè)任務(wù)點(diǎn)，屬于個(gè)人的低階項(xiàng)目，每個(gè)學(xué)生都要個(gè)人完成，對(duì)個(gè)人也進(jìn)行單獨(dú)的考核；項(xiàng)目二安排了兩個(gè)學(xué)時(shí)，所做項(xiàng)目是學(xué)生們常見的籃球賽計(jì)分器，該項(xiàng)目也有四個(gè)任務(wù)點(diǎn)，也屬于低階的個(gè)人項(xiàng)目，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)室里的面包板搭建一些外圍電路去實(shí)現(xiàn)；項(xiàng)目三安排了四個(gè)學(xué)時(shí)，由于難度增大，結(jié)合了前面的兩個(gè)項(xiàng)目?jī)?nèi)容，也有四個(gè)任務(wù)點(diǎn)，屬于低階個(gè)人項(xiàng)目；第四個(gè)項(xiàng)目是一個(gè)綜合性項(xiàng)目，難度較大，需要學(xué)生以團(tuán)隊(duì)的形式去完成，屬于高階的團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目，任務(wù)點(diǎn)較多，且每一個(gè)任務(wù)點(diǎn)的完成難度較大；總的來說，該課程項(xiàng)目有三個(gè)低階的個(gè)人項(xiàng)目和一個(gè)高階的團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目，其中每一個(gè)項(xiàng)目都具有基本、進(jìn)階和拓展三個(gè)層次，四個(gè)項(xiàng)目也是相互依托、難度層層遞進(jìn)的。具體如圖2所示。

圖2 項(xiàng)目分布圖

1.1 課前管理

課前管理是以學(xué)生為主體，學(xué)生根據(jù)老師課前發(fā)布的項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求，去進(jìn)行線上學(xué)習(xí)相應(yīng)的微課視頻，網(wǎng)上查相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)，然后進(jìn)行線下做。該項(xiàng)目主要以STM32單片機(jī)為主的控制系統(tǒng)，其中STM32負(fù)責(zé)采集紅外避障傳感器，紅外循跡傳感器，ESP8266Wi-Fi 通信模塊，TCS34725 色彩傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并且發(fā)出相應(yīng)的控制指令對(duì)執(zhí)行模塊進(jìn)行控制，最后在OLED顯示當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)；從而實(shí)現(xiàn)避障、循跡、Wi-Fi通信功能，以及MG90S數(shù)字舵機(jī)實(shí)現(xiàn)四自由度機(jī)械臂，實(shí)現(xiàn)顏色識(shí)別，完成機(jī)械臂的智能分揀功能；結(jié)合機(jī)智云云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)手機(jī)App開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能小車無線遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)總體框圖如圖3所示。具體要求如下：

圖3 系統(tǒng)總體框圖

1) 熟悉STM32單片機(jī)開發(fā)環(huán)境，掌握STM32單片機(jī)相關(guān)程序設(shè)計(jì)。

2) 運(yùn)用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生PWM 信號(hào)，對(duì)L293D 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)智能小車的前進(jìn)、停止、左/右轉(zhuǎn)、后退、調(diào)速等。

3) 運(yùn)用單片機(jī)外部中斷EXTI，實(shí)現(xiàn)按鍵控制。

4) 學(xué)習(xí)紅外避障/循跡模塊工作原理，實(shí)現(xiàn)避障、循跡功能的軟件硬件設(shè)計(jì)。

5) 學(xué)習(xí)利用TCS34725 色彩傳感器，實(shí)現(xiàn)顏色功能的軟件硬件設(shè)計(jì)。

6) 學(xué)習(xí)單片機(jī)進(jìn)行串口通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

7) 學(xué)習(xí)機(jī)智云云平臺(tái)產(chǎn)品開發(fā)流程，完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

8) 采用ESP8266WIFI通信模塊，結(jié)合機(jī)智云軟件開發(fā)平臺(tái)完成手機(jī)App的開發(fā)。

9) 運(yùn)用OLED 液晶顯示屏，實(shí)現(xiàn)智能小車當(dāng)前功能顯示。

1.2 課堂管理

課堂管理是以學(xué)生為主體，老師為主導(dǎo)，按照問題引、教師講、學(xué)生秀和師生評(píng)四步進(jìn)行，每一個(gè)項(xiàng)目都是嚴(yán)格按照這些步驟開展整個(gè)課堂教學(xué)。老師根據(jù)學(xué)生線下做項(xiàng)目的過程中存在的問題進(jìn)行課堂精講，講完之后，學(xué)生根據(jù)自己的作品按照順序進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)講演，講演結(jié)束之后，其余學(xué)生對(duì)該作品進(jìn)行討論提問，講演者進(jìn)行答辯，最后老師進(jìn)行總結(jié)和點(diǎn)評(píng)。具體過程如圖4所示。

圖4 項(xiàng)目測(cè)試效果圖

1.3 課后管理

課后管理是指學(xué)生根據(jù)答辯的結(jié)果進(jìn)行線下的進(jìn)一步優(yōu)化，針對(duì)答辯過程中老師及學(xué)生提出的問題進(jìn)行更正，通過小組討論，線下進(jìn)一步改進(jìn)。通過不斷改進(jìn)后完整的作品如圖5所示。

圖5 智能小車完整圖

2 考核方式設(shè)計(jì)

考核評(píng)價(jià)分別以線上為輔和線下為主構(gòu)成，線上由課前微課視頻、課前自測(cè)和發(fā)表討論三大部分組成，線下由項(xiàng)目制作、項(xiàng)目答辯和課堂表現(xiàn)三大部分組成。每一個(gè)部分都有對(duì)應(yīng)的具體評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)項(xiàng)目答辯模塊，具體評(píng)價(jià)的做法是根據(jù)學(xué)生的分組進(jìn)行打分，每一組都有提問分和答辯分，根據(jù)兩部分分占比來計(jì)算該組的綜合得分，然后根據(jù)組內(nèi)成員的排名來依次遞減，評(píng)出每一個(gè)組內(nèi)成員的具體得分。具體每一部分的占比權(quán)重分配如圖6所示。

圖6 考核評(píng)價(jià)指標(biāo)具體權(quán)重分配圖

每一個(gè)模塊按照四個(gè)維度進(jìn)行評(píng)分，每一個(gè)模塊具體評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如表1-表4所示。

表1 微課視頻評(píng)價(jià)指標(biāo)

表2 項(xiàng)目制作評(píng)價(jià)指標(biāo)

表3 課前自測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)

3 結(jié)論

本文以學(xué)生為中心，以學(xué)懂會(huì)用為目的，提出“以學(xué)為主，項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)”的教學(xué)理念，設(shè)計(jì)了以“三段式管理，八步法教學(xué)”的教學(xué)方法，依托基于STM32的智能小車項(xiàng)目為例，詳盡闡明整個(gè)教學(xué)過程。為充分保證該教法的真正有效實(shí)施，進(jìn)一步健全細(xì)化了考核標(biāo)準(zhǔn)。