應(yīng)用型計算機(jī)類本科專業(yè)嵌入式系統(tǒng)實踐教學(xué)體系探索

摘 要：針對計算機(jī)類專業(yè)嵌入式系統(tǒng)的課程教學(xué)特點，探討了基于OBE理念的課程實踐教學(xué)體系。課程組以提升學(xué)生實踐動手能力為中心，確定課程教學(xué)目標(biāo)并構(gòu)建課程知識體系，將理論知識與系統(tǒng)開發(fā)工程實踐各環(huán)節(jié)有機(jī)融合，采用項目任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)法，優(yōu)化課程考核評價方式，加大過程性考核力度。教學(xué)實踐表明，該教學(xué)體系能有效提升嵌入式系統(tǒng)的課程教學(xué)質(zhì)量，提升學(xué)生的工程實踐能力。

關(guān)鍵詞：OBE；課程體系；應(yīng)用型本科；嵌入式系統(tǒng)

0 引 言

新工科背景下，地方性應(yīng)用型高校應(yīng)主動應(yīng)對行業(yè)企業(yè)對本科計算機(jī)類人才的需求，樹立創(chuàng)新型、復(fù)合型人才培養(yǎng)理念；積極實施案例教學(xué)、項目式教學(xué)等創(chuàng)新性教學(xué)方法，注重綜合性項目訓(xùn)練提高學(xué)生的工程能力，持續(xù)提升人才培養(yǎng)質(zhì)量［1-4］。

貴州理工學(xué)院大數(shù)據(jù)學(xué)院成立于2017年5月，是一所由貴州理工學(xué)院與阿里巴巴集團(tuán)聯(lián)合共建的本科特色產(chǎn)業(yè)學(xué)院，采用產(chǎn)教融合、協(xié)同育人的辦學(xué)模式，不斷完善產(chǎn)學(xué)合作，構(gòu)建產(chǎn)教融合、協(xié)同育人的專業(yè)實踐課程體系，培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型計算機(jī)類人才。

本文結(jié)合大數(shù)據(jù)學(xué)院本科計算機(jī)類專業(yè)嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)特點，探討了如何構(gòu)建理論與實踐融合的專業(yè)課程實踐教學(xué)模式，創(chuàng)新課程考核評價方式，以提升應(yīng)用型計算機(jī)類專業(yè)的人才培養(yǎng)質(zhì)量。

1 嵌入式系統(tǒng)課程特點

嵌入式系統(tǒng)是涉及計算機(jī)、電子、通信等技術(shù)領(lǐng)域的軟/硬件綜合體，嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核架構(gòu)種類繁多，采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)核設(shè)計和生產(chǎn)MCU產(chǎn)品已成為嵌入式微處理器發(fā)展的趨勢。采用標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)核一方面降低了半導(dǎo)體廠商在芯片架構(gòu)上的研發(fā)難度，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。另一方面，由于采用統(tǒng)一的ARM內(nèi)核，為了實現(xiàn)產(chǎn)品的差異化，各大半導(dǎo)體廠商將研發(fā)重點放在了外設(shè)接口、功耗、存儲器資源等方面，針對各自優(yōu)勢應(yīng)用領(lǐng)域推出系列化的產(chǎn)品。各大半導(dǎo)體廠商基于ARM CPU內(nèi)核開發(fā)了不同應(yīng)用領(lǐng)域各具特色的MCU，這種產(chǎn)品方式降低了嵌入式開發(fā)人員學(xué)習(xí)和掌握MCU應(yīng)用開發(fā)的難度，只需要針對通用的內(nèi)核就某種MCU產(chǎn)品深入研究，掌握其精髓，就能融會貫通，駕馭主流的MCU產(chǎn)品［5］。

基于ARM Cortex-M內(nèi)核衍生的32位 STM32系列MCU，配套有位于嵌入式組成結(jié)構(gòu)中間層的各種固件庫，如標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫、HAL庫等，這些庫文件屏蔽了復(fù)雜的底層寄存器操作，嵌入式開發(fā)工程師通過調(diào)用API函數(shù)的方式就能迅速地搭建嵌入式系統(tǒng)原型。與STM32芯片相關(guān)的開發(fā)工具和軟件解決方案具有良好、完整的生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈，為嵌入式開發(fā)工程師提供了系列高效易用的開發(fā)工具（如Keil、IAR等），豐富的如固件庫、應(yīng)用例程等編程資源，極大地提高了嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)效率、縮短了開發(fā)周期。

嵌入式系統(tǒng)課程是計算機(jī)類專業(yè)的一門理論與實踐融合的專業(yè)課，48學(xué)時中理論32 學(xué)時、實驗16學(xué)時，前置課程為模擬與數(shù)字電子技術(shù)、計算機(jī)組成原理、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等專業(yè)基礎(chǔ)課程。

課程主要內(nèi)容包括嵌入式系統(tǒng)的基本概念、組成以及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的一般流程，以32位系列ARM微控制器為例，介紹嵌入式系統(tǒng)最小系統(tǒng)、常用片內(nèi)外設(shè)模塊（通用輸入輸出、中斷、串口通信、定時器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等）的原理及應(yīng)用。主要通過講授、項目案例式以及分組實驗等教學(xué)方法進(jìn)行課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)，使學(xué)生理解和掌握嵌入式系統(tǒng)的基本概念、基本原理。

課程注重培養(yǎng)學(xué)生的實踐操作能力，以項目為驅(qū)動，結(jié)合行業(yè)前沿進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)的軟件設(shè)計與開發(fā)，以有效理解嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的基本概念與特點，掌握嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計與開發(fā)的常規(guī)流程，培養(yǎng)學(xué)生充分利用互聯(lián)網(wǎng)資源自主學(xué)習(xí)及系統(tǒng)的分析與設(shè)計能力。為學(xué)生后續(xù)生產(chǎn)實習(xí)、畢業(yè)設(shè)計等實踐環(huán)節(jié)進(jìn)一步開展智能網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)的研究、設(shè)計、開發(fā)和集成等打下良好基礎(chǔ)。

2 項目式教學(xué)探索

2.1 基于OBE理念的課程體系設(shè)計

根據(jù)計算機(jī)類專業(yè)人才培養(yǎng)方案，結(jié)合學(xué)院產(chǎn)教融合的應(yīng)用型本科專業(yè)定位，制定課程教學(xué)大綱，考慮有利于培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力，明確課程教學(xué)目標(biāo)。

一是理解嵌入式系統(tǒng)的基本知識、基本工作原理，掌握基于STM32F103系列MCU的嵌入式系統(tǒng)的基本原理和基本軟件設(shè)計方法，為解決嵌入式系統(tǒng)復(fù)雜工程問題奠定基礎(chǔ)。二是能夠應(yīng)用課程所學(xué)基本原理和基本設(shè)計方法結(jié)合文獻(xiàn)查閱及互聯(lián)網(wǎng)搜索等，針對嵌入式系統(tǒng)的工程開發(fā)要求，明確設(shè)計目標(biāo)并提出可行的系統(tǒng)設(shè)計方案。三是能正確運用提供的儀器設(shè)備完成系統(tǒng)軟硬件的實驗設(shè)計，記錄實驗過程，分析結(jié)果，獲得實驗結(jié)論。四是能正確運用嵌入式處理器常規(guī)開發(fā)工具，開展嵌入式系統(tǒng)復(fù)雜工程問題的仿真、分析、綜合調(diào)試與設(shè)計。

基于OBE理念構(gòu)建課程知識體系，將課程知識按照嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)過程有機(jī)融入，針對不同的環(huán)節(jié)講授課程相關(guān)內(nèi)容，將理論知識與工程實踐開發(fā)有機(jī)結(jié)合。

2.2 項目式教學(xué)模式

嵌入式系統(tǒng)知識繁雜，課程組采用從易到難、從單一模塊到系統(tǒng)各模塊融合的教學(xué)方式，基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位MCU為引導(dǎo)，對理論內(nèi)容進(jìn)行精簡講授，強(qiáng)化學(xué)生動手實踐能力，緊跟行業(yè)企業(yè)工程實踐。

課程教學(xué)主要針對STM32常用的外設(shè)結(jié)合具體應(yīng)用范例進(jìn)行講解，使學(xué)生能從整體框架掌握STM32基本外設(shè)的應(yīng)用開發(fā)流程，避免陷入復(fù)雜的應(yīng)用編程細(xì)節(jié)，應(yīng)用編程細(xì)節(jié)可隨著學(xué)生實踐動手能力的提升而不斷積累。課程教學(xué)以項目為驅(qū)動，4～6名學(xué)生自由組成實訓(xùn)項目小組，分工協(xié)作，注重學(xué)生團(tuán)隊精神的培養(yǎng)，共同提升專業(yè)課程學(xué)習(xí)效果。

課程組采購了與課程教學(xué)內(nèi)容匹配的便攜式實驗開發(fā)套件，基于STM32F103ZET6嵌入式處理器設(shè)計的開發(fā)板，輸入5 V工作電源，可為其他擴(kuò)展外設(shè)提供3.3 V電源。開發(fā)板采用USB仿真器進(jìn)行程序調(diào)試和下載，具有按鍵、LED發(fā)光二極管、OLED顯示屏、音頻輸入/輸出、RS232/R485/CAN/USB通信接口、SPI 擴(kuò)展的8MB FLASH 存儲器、256字節(jié)的EEPROM、SD卡等硬件資源或接口。

根據(jù)課程章節(jié)內(nèi)容和要求，課程組設(shè)計了便于在課堂講授后即開展的學(xué)生實訓(xùn)項目。每個項目都按照實際產(chǎn)品開發(fā)的過程進(jìn)行，采用任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)法，創(chuàng)新探究式教學(xué)模式［6］。要求學(xué)生在實驗前明確系統(tǒng)功能、熟悉開發(fā)板硬件電路的管腳連接、完成軟件初步設(shè)計；實驗中完成實驗程序的設(shè)計、調(diào)試，實現(xiàn)系統(tǒng)功能；實驗后撰寫實驗報告。整個課程包括7個實訓(xùn)項目，其中5個為驗證性項目，2個為綜合性設(shè)計項目，所有項目都細(xì)分為基礎(chǔ)任務(wù)和擴(kuò)展任務(wù)，鼓勵學(xué)有余力的學(xué)生完成擴(kuò)展任務(wù)。嵌入式系統(tǒng)課程項目式實踐教學(xué)體系，如表1所示。

2.3 課程考核方法

課程考核采用百分制，平時成績50%+期末考試成績50%，將過程性與總結(jié)性評價有機(jī)融入學(xué)生課程學(xué)習(xí)的全過程。平時成績由考勤10%、課后作業(yè)20%和實驗20%構(gòu)成，課堂練習(xí)、課后作業(yè)與實驗報告批改在雨課堂中完成。

平時成績中，課堂實驗主要從項目方案的合理性和復(fù)雜性，完成項目功能的難易程度，代碼的完整與規(guī)范程度，項目創(chuàng)新性等方面做出綜合性評分，個人表現(xiàn)包括團(tuán)隊分工和工作量比例等；課后考核包括學(xué)生課后作業(yè)完成質(zhì)量、實驗報告的寫作能力、分析和整理資料能力的評價。期末考試采用開卷考試，重點考查學(xué)生獨立利用STM32F103進(jìn)行軟件編程解決問題的能力、片內(nèi)外設(shè)資源的運用能力。

2.4 課程教學(xué)效果

大數(shù)據(jù)學(xué)院計算機(jī)類專業(yè)2018級、2019級兩屆學(xué)生的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)實踐中，同學(xué)們表現(xiàn)出了濃厚的學(xué)習(xí)熱情，嵌入式系統(tǒng)的課程學(xué)評教分?jǐn)?shù)都在90分以上。課程實驗項目中，許多學(xué)生經(jīng)常花大量時間查資料挑戰(zhàn)擴(kuò)展任務(wù)，不斷進(jìn)行實踐探索和軟硬件調(diào)試。課堂上學(xué)生優(yōu)秀實驗項目成果的展示，更好地調(diào)動了同學(xué)們自主創(chuàng)新解決工程實際問題的積極性。

嵌入式系統(tǒng)對學(xué)生工程實踐能力的培養(yǎng)，為學(xué)生在后續(xù)生產(chǎn)實習(xí)、畢業(yè)設(shè)計中的項目選題和設(shè)計奠定了良好的工程實踐基礎(chǔ)。兩屆智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)146名學(xué)生中，116人考取了Intel FPGA初級工程師證書，30余名畢業(yè)生入職嵌入式系統(tǒng)開發(fā)相關(guān)崗位。2019級廖晨宇同學(xué)基于FPGA設(shè)計嵌入式雙目攝像機(jī)視覺測距系統(tǒng)，相較傳統(tǒng)的基于DSP或單片機(jī)的測距系統(tǒng)，具有靈活程度高、成本低、響應(yīng)速度較快的特點，不同于基于云平臺的圖像距離檢測，所設(shè)計的雙目測距系統(tǒng)在本地嵌入式處理器中實現(xiàn)測距，實時性好，論文獲評第二屆全國儀器類本科畢業(yè)設(shè)計交流會優(yōu)秀論文。

3 結(jié) 語

本文結(jié)合貴州理工學(xué)院大數(shù)據(jù)學(xué)院計算機(jī)類專業(yè)嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)特點，基于OBE理念明確課程教學(xué)目標(biāo)并構(gòu)建課程知識體系，將理論知識與系統(tǒng)開發(fā)工程實踐各環(huán)節(jié)有機(jī)融合，采用實驗項目任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)法，創(chuàng)新課程過程性考核評價方式，注重學(xué)生工程實踐能力的綜合培養(yǎng)。實踐表明，教學(xué)效果良好，為學(xué)生后續(xù)專業(yè)綜合工程實踐夯實了專業(yè)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 教育部，工業(yè)和信息化部，中國工程院．關(guān)于加快建設(shè)發(fā)展新工科實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0的意見［J］.中華人民共和國教育部公報，2018（10）：13-15.

［2］ 殷婷婷，楊忠，徐楠，等.新工科背景下物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)探索［J］.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2022，12（12）：139-141，144.

［3］ 孫曉雪，雷立群.基于CDIO導(dǎo)向的應(yīng)用型本科高校單片機(jī)課程改革研究［J］.機(jī)械管理開發(fā)，2023，38（7）：88-90.

［4］ 彭朋，劉偉峰，曹曉倩，等.基于CDIO-PBL教學(xué)模式的微處理器與嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)改革探討［J］.高教學(xué)刊，2022，8（27）：138-141.

［5］ 劉黎明，王建波，趙綱領(lǐng).嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)與實踐［M］. 北京：電子工業(yè)出版社，2021：3-4.

［6］ 萬里冰，郭保青，霍凱.基于項目驅(qū)動的“嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用”課程研究性教學(xué)探索［J］.黑龍江教育（高教研究與評估），2023（6）：68-70.