新工科建設(shè)背景下嵌入式接口技術(shù)與應(yīng)用教學(xué)創(chuàng)新探索

關(guān)鍵詞：新工科；產(chǎn)學(xué)合作；接口應(yīng)用

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）25-0140-03

0 引言

新工科教育強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的多元化應(yīng)用能力，以立德樹人為核心，秉持應(yīng)對變化、塑造未來的建設(shè)理念，通過繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享等途徑，致力于培育未來多元化、創(chuàng)新型的卓越工程人才[1]。面對新興應(yīng)用場景與技術(shù)的快速發(fā)展，學(xué)生需整合專業(yè)課程中的知識點，結(jié)合實際需求，構(gòu)建知識模塊，形成系統(tǒng)解決方案。在教學(xué)過程中，教師應(yīng)緊跟技術(shù)前沿，挖掘行業(yè)應(yīng)用場景，以解決實際問題及接口應(yīng)用為導(dǎo)向，不斷更新教學(xué)內(nèi)容[2]。鑒于信息產(chǎn)業(yè)的高速迭代，高校與企業(yè)合作，利用企業(yè)資源開展師資培訓(xùn)，將最新行業(yè)技術(shù)引入課堂。產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目有效促進了學(xué)校與企業(yè)、產(chǎn)業(yè)的深度融合，提升了教師的實踐能力。本文聚焦于計算機硬件接口技術(shù)，探索教學(xué)內(nèi)容與方式的創(chuàng)新，旨在逐步增強學(xué)生的動手能力及解決實際工程問題的能力。

1 計算機專業(yè)接口技術(shù)應(yīng)用教學(xué)目前的問題

分析本校計算機專業(yè)所開設(shè)的數(shù)字邏輯、計算機組成原理、操作系統(tǒng)、嵌入式與接口技術(shù)、計算機體系結(jié)構(gòu)等硬件課程教學(xué)內(nèi)容，硬件系列課程從體系結(jié)構(gòu)上劃分為三個層次：基礎(chǔ)層、應(yīng)用層和提高層?；A(chǔ)層為數(shù)字電路與計算機組成原理，主要講述計算機硬件系統(tǒng)的數(shù)字邏輯電路基礎(chǔ)知識、計算機五大部件的實現(xiàn)及它們之間的聯(lián)系，讓學(xué)生建立一個整機的概念；在應(yīng)用層中，嵌入式與接口技術(shù)介紹嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)部和外部接口特性，使學(xué)生在掌握基礎(chǔ)知識之后能夠掌握接口的使用；提高層為計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、專業(yè)能力綜合實訓(xùn)、計算機組成與結(jié)構(gòu)課程設(shè)計等，通過集中的實踐環(huán)節(jié)，使學(xué)生具備一定的計算機系統(tǒng)的軟硬件分析設(shè)計能力。

然而，當前教學(xué)中存在硬件與軟件課程知識交叉不足、硬件課程間銜接不緊密的問題，導(dǎo)致知識點重復(fù)或缺失，學(xué)生難以構(gòu)建系統(tǒng)的知識體系，實際應(yīng)用能力受限。學(xué)生往往局限于孤立的知識點，缺乏整體視角，難以在復(fù)雜工程問題中靈活應(yīng)用所學(xué)知識。面對高難度的學(xué)科創(chuàng)新競賽作品設(shè)計，學(xué)生難以有效融合已有知識進行創(chuàng)新，理論與實踐脫節(jié)。

此外，課堂教學(xué)偏重理論講授，接口機制講解占據(jù)較多時間，內(nèi)容相對枯燥抽象，學(xué)生理解困難。實驗教學(xué)中仿真軟件使用頻繁，而硬件設(shè)備操作不足，導(dǎo)致學(xué)生硬件測量技術(shù)薄弱，工具使用不熟練，數(shù)據(jù)分析流程不清晰，調(diào)試能力欠缺。接口技術(shù)作為連接不同系統(tǒng)或組件的關(guān)鍵，若缺乏系統(tǒng)學(xué)習(xí)，僅憑零散知識和經(jīng)驗，難以在實際應(yīng)用中發(fā)揮其優(yōu)勢。

2 教學(xué)內(nèi)容與方式的探索

2.1 應(yīng)用場景的設(shè)計

在智能車、自動駕駛、人工智能等新興產(chǎn)業(yè)與技術(shù)的背景下，軟硬協(xié)同設(shè)計能力顯得尤為重要，這恰好契合了計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)應(yīng)用的發(fā)展方向。在探索課程應(yīng)用時，應(yīng)盡量選擇既專一又便于拓展的方向。鑒于實際課程中常用的51單片機，課程組選擇了以智能車為例的智能控制應(yīng)用方向。智能車作為一個集成了環(huán)境感知、規(guī)劃決策等功能的綜合系統(tǒng)，綜合運用了計算機、現(xiàn)代傳感、信息融合等技術(shù)，并隨著電動車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[3]。學(xué)生在課后或第二課堂的競賽中，可以繼續(xù)拓展應(yīng)用，或根據(jù)個人在軟硬件方面的專長深入鉆研，以滿足課程組設(shè)定的應(yīng)用場景需求。

2.2 接口技術(shù)應(yīng)用與教學(xué)內(nèi)容融合

以接口的應(yīng)用為主，通過智能小車的行駛實驗將GPIO接口、中斷系統(tǒng)、定時器、串行口、顯示等模塊串聯(lián)起來，形成一個系統(tǒng)的作品。接口技術(shù)與教學(xué)案例相融合，設(shè)計小車驅(qū)動前進、小車按鍵啟動、小車PWM調(diào)速、小車避障、無線遙控、調(diào)整姿態(tài)和屏顯觸控等10個教學(xué)案例。利用積木式搭建模塊的方式，學(xué)生每學(xué)完一個內(nèi)容能完成一個模塊，最終完成一個智能小車的設(shè)計。這種以硬件實例為驅(qū)動，從易到難漸進式的教學(xué)方式，不僅激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還顯著提升了他們的實踐動手能力。后續(xù)，學(xué)生可通過參與“藍橋杯”或“智能車比賽”等活動，創(chuàng)作出更高階的作品。

在接口教學(xué)過程中，首先通過應(yīng)用場景引入，引導(dǎo)學(xué)生思考如何拆解工程問題；隨后講解接口的使用方法，并指導(dǎo)學(xué)生完成部分程序編寫；接著深入分析內(nèi)部實現(xiàn)機制，完善所有控制程序；最后總結(jié)工程中的理論知識，以加深學(xué)生的理解。例如，在實現(xiàn)小車避障功能時，先指導(dǎo)學(xué)生編寫程序?qū)崿F(xiàn)避障功能，再探討中斷的內(nèi)部實現(xiàn)過程，進而擴展到其他四個中斷源的使用，學(xué)習(xí)如何有效管理中斷源，并最終總結(jié)中斷機制的理論知識。這種以實例為引導(dǎo)、應(yīng)用為導(dǎo)向的教學(xué)模式，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中既鍛煉了實踐能力，又鞏固了理論知識，實現(xiàn)了理論與實踐的有機結(jié)合。

在工程實踐中，注重硬件設(shè)備的測量與仿真軟件相結(jié)合。在I2C接口應(yīng)用中，利用虛實結(jié)合的方式對傳感器數(shù)據(jù)測量。學(xué)生在仿真軟件、硬件實物兩種不同情景下，對同一接口進行信號測量。虛擬仿真環(huán)境可以快速熟悉相關(guān)知識，實物測試可以讓學(xué)生深刻掌握器件的特性。在Proteus中仿真電路時，可以使用實際硬件測量的數(shù)據(jù)來作為輸入，確保仿真的輸入條件更加貼近真實情況。在真實的工程應(yīng)用中，元件器的特性和測量方法對系統(tǒng)調(diào)試很重要。利用普源提供的虛擬仿真平臺和設(shè)備儀器，采用課下仿真、課堂實踐實物融合的方式，能給學(xué)生提供更多的實踐機會，可以有效提升學(xué)生的實踐能力。

2.3 產(chǎn)教融合促進教學(xué)

教學(xué)的實施離不開教師的努力，而教師也需要不斷提升個人的專業(yè)技術(shù)能力和工程實踐能力。加強與企業(yè)的合作，圍繞常用的接口技術(shù)應(yīng)用實例開展師資培訓(xùn)和教學(xué)案例的優(yōu)化顯得尤為重要。當前，一些高校教師更注重理論和方法的研究，以及科研論文的撰寫，但在與產(chǎn)業(yè)結(jié)合方面尚顯不足。通過參與培訓(xùn)和溝通，加入企業(yè)的真實項目，教師可以更好地了解當前行業(yè)需求，進而反饋到教學(xué)中，提升課程的適應(yīng)性和實用性。建議安排教師在企業(yè)中進行短期或周期性的參觀或?qū)嵺`工作，通過實地參與企業(yè)的項目開發(fā)和日常運作，提升教師的實戰(zhàn)經(jīng)驗和產(chǎn)業(yè)理解能力[4]。同時，可邀請產(chǎn)業(yè)界的專家或工程師作為客座講師，分享他們在接口技術(shù)應(yīng)用方面的經(jīng)驗和最佳實踐。在師資培訓(xùn)過程中，應(yīng)遵循漸進原則，根據(jù)教師的個性差異進行分層次的培訓(xùn)[5]。在實施過程中，應(yīng)選擇適當?shù)募夹g(shù)難度，確保教師有足夠的提升空間，避免因技術(shù)難度過高而喪失積極性。

此外，結(jié)合嵌入式比賽的相關(guān)知識點，與企業(yè)共同探索高層次的應(yīng)用創(chuàng)新人才培養(yǎng)機制。同時，可以將優(yōu)秀的學(xué)生推薦到企業(yè)進行實踐，通過共同的項目合作方式，實現(xiàn)協(xié)同育人的目標。

2.4 優(yōu)化課程考核方式

傳統(tǒng)的課程設(shè)置中，成績構(gòu)成主要包括平時成績、實驗成績和期末成績，其中期末成績占比高達70%，相對較重，而平時成績僅占10%，實驗成績?yōu)?0%。這導(dǎo)致學(xué)生往往更為重視期末考試的卷面成績。為了改善這一情況，建議增加平時成績的權(quán)重，可提升至占總成績的25%。在重新分配的平時成績中，應(yīng)增設(shè)課程作品考核環(huán)節(jié)，要求學(xué)生期末以小組為單位提交實物作品，并通過小組答辯的形式展示其成果。這一過程不僅能鍛煉學(xué)生的動手能力、團隊協(xié)作能力，還能積累寶貴的工程實踐經(jīng)驗，有效促進學(xué)生將理論與實踐相結(jié)合，同時增強學(xué)生的課程學(xué)習(xí)成就感。

3 結(jié)束語

借助產(chǎn)教融合的項目契機，我們應(yīng)與企業(yè)工程師密切交流，通過培訓(xùn)與學(xué)習(xí)，不斷提升教師團隊的工程實踐能力。進一步地，應(yīng)與企業(yè)合作探索教學(xué)內(nèi)容與實踐方式的革新，特別是在嵌入式接口技術(shù)的教學(xué)中，應(yīng)引入智能車行業(yè)的背景知識，著重強調(diào)接口應(yīng)用的工程實踐。在教學(xué)過程中，利用場景化的興趣引導(dǎo)，結(jié)合虛實融合的實驗環(huán)境，為學(xué)生提供更為便捷的實踐條件。經(jīng)過一段時間的嘗試與探索，學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)積極性顯著提升，參與嵌入式比賽的學(xué)生人數(shù)及獲獎人數(shù)均有所增加，進而提升了學(xué)生的就業(yè)競爭力。產(chǎn)學(xué)合作育人是一項長期且需持續(xù)努力的工作，它要求我們在與企業(yè)不斷磨合的過程中，繼續(xù)深化合作，力求為學(xué)生提供更多樣化的實踐案例和工程項目。