案例教學法在電信專業卓越工程師培養中的應用探索

麻麗娜

華北電力大學科技學院　河北保定　071000

案例教學法在電信專業卓越工程師培養中的應用探索

麻麗娜

華北電力大學科技學院河北保定071000

針對高等院校電子信息專業課程學習過程中實踐能力培養方面的不足，配合實施“卓越工程師教育培養計劃”，在電信專業開設STM32嵌入式系統開發課程，教學過程中實行案例教學為主要教學方法的研究型教學模式。結合該課程部分案例介紹了案例教學法的實施過程。

案例教學；工程實踐；STM32微控制器

電子信息工程專業是集現代電子技術、現代信息處理技術、現代通信技術、計算機技術及網絡技術等方面知識于一體的綜合性專業，主要研究信息的獲取與處理，電子設備和電子系統的設計、開發、應用及集成。隨著社會信息化的深入，作為電信專業主要發展方向的嵌入式系統開發滲透到了生產生活的各個方面，覆蓋了消費電子、工業控制、通信網絡、儀器儀表、汽車電子、航空航天、醫療電子等多個領域。這促使了嵌入式系統課程在信息類專業中的推廣和普及。STM32單片機作為一種嵌入式系統的核心器件，代替8位單片機已經是大勢所趨。STM32是先進的32位通用微控制器的領跑者，因其豐富靈活的外設、高性價比、低功耗等優勢，自面世以來便得到眾多設計師的青睞，眾多行業紛紛選用STM32作為新一代產品的平臺。目前，社會對掌握嵌入式單片機STM32應用技術的人才需求越來越多，學習和掌握STM32單片機原理和開發也逐漸成為高等院校信息類專業學生必須掌握的技術之一。雖然目前各高校大多都已開設嵌入式系統開發課程，但是課程學習多側重理論，動手實踐環節過少，通過學習真正能實現靈活應用獨立開發的并不多，很難滿足社會需求。

為了培養造就創新能力強、適應經濟社會發展需求的高質量工程技術人才，國家教育部在各高校推廣“卓越工程師教育培養計劃”，該計劃以行業企業需求為導向，以工程實際為背景，以工程技術為主線，著力提升學生的工程素養，著力培養學生的工程實踐能力、工程設計能力和工程創新能力，構建具有中國特色工程教育模式。

為適應新形勢下應用型人才的培養目標，教學模式改革勢在必行。針對電信專業特點，改變原有教學模式，采用案例式教學。案例教學法是一種以案例為基礎的教學方法，最初應用于商業管理領域，后逐漸擴展到其他教育領域。案例教學法應用于電子信息領域側重于項目案例，以實際項目為背景，根據教學目的和教學內容的要求，通過精心設計項目需求，引導學生結合所學知識通過獨立思考或相互協作完成項目任務，既能鞏固課程內容，又能充分發揮學生潛能，提高學生解決實際問題的綜合能力[1]。實踐證明案例教學法在STM32嵌入式系統開發課程中的應用有明顯效果，通過案例的實施加強了學生獨立思考創新開發的能力。

1　電信專業培養模式存在的問題及改革的必要性

目前高校電信類專業的培養模式，一般采用的是“2+1+1”的培養模式，即兩年基礎課，一年專業基礎課，一年專業課。兩年基礎課階段以高等數學、大學英語等為主，著眼于英語四、六級考試和研究生考試等。一年專業基礎課，課程涉及科目雖廣，但受限與課程學時，只是對課程知識點有所把握，缺少自主拓展知識、研究探索壓力；課程配套實驗多以驗證性實驗為主，實驗間相互關聯少，實驗項目深度和難度缺少層次，2～3學時實驗，淺嘗輒止，難以升華，學生沒有機會深入應用課程所學知識，完成靈活應用及創新實踐過程。最后一年專業課，課程多以選修課形式開授，學時少專業性強，學生們往往只能在有限的時間內對某一技術有一個粗略的認識，至于該項技術的實際應用根本無從接觸。本校嵌入式系統相關課程在大三下學期和大四上學期開設，由于課程學時有限，課程講授的大都還只是微處理器相關的技術文檔和程序設計文檔，實驗也多是針對各個外設的獨立實驗，大部分學生無法在很短時間內掌握嵌入式系統的基本知識和設計方法，更談不上深入的技術研究及系統開發。

市場上需要的嵌入式人才必須具備C語言編程經驗、嵌入式操作系統(主要包括嵌入式Linux、WinCE或android)經驗、內核裁剪經驗、驅動程序開發經驗。高級嵌入式軟件開發工程師相關職位要求是：有豐富的嵌入式多任務軟件系統分析和設計能力，能獨立完成項目系統方案，解決系統故障和問題、精通C語言應用開發，有良好的編程習慣和風格、良好的文檔編寫能力和習慣、熟悉項目管理流程。良好的英文閱讀能力及較強的學習能力是從事這一領域工作的基礎。對比市場需求，用人單位希望大學生在校期間要對某領域的知識和技能有比較深的掌握和了解，這樣在求職時才能更有優勢，反之，如果只是知識面寬，但對所有知識都只知皮毛，求職時勢必容易碰壁。

電信類專業從根本上說是工程技術學科，培養學生的創新能力、動手能力以及綜合能力是關鍵。高校電信專業課程教學必須重視電信行業和人才需求的新變化，努力創新教學理念和教學模式，培養適應經濟社會發展的信息技術人才。只有改變教學模式，引入針對性強、能切實提高學生動手實踐能力的方法，才能適應市場需求，培養出市場需要的卓越工程師。

2　電信專業卓越工程師培養計劃

根據教育部“卓越工程師教育培養計劃”精神，學院在電子信息大類—通信工程和電子信息工程專業開展卓越工程師培養試點。試點面向本科大四學生，規模20人左右。在試點階段，本著集中優勢、集中精力、加大培養力度、保證培養質量的基本原則，擬將本科工程型人才的培養目標定位在培養通信、電子信息現場工程師后備用人才上。經過大量調研，依托通信與電子信息工程專業特色優勢，確定此次卓越工程師培養方向為基于STM32的嵌入式系統開發，培養方案采用“2+1+1+”(兩年基礎課，一年專業基礎課，一年專業強化)，其中“1+”部分旨在打破原有一年專業課泛式教學模式，改為一年嵌入式系統開發強化訓練。強化訓練階段本著盡早綜合運用知識接觸工程實際開展探索研究的宗旨，以案例化教學為主要手段。

3　案例教學法在STM32嵌入式系統開發課程中的應用

3.1案例教學法簡介

所謂案例教學法，并不是教師在課堂教學中為說明一定的理論或概念進行的舉例分析，而是一種開放式、互動式的新型教學方式。在嵌入式系統開發中一般可以理解為具有特定功能的系統實例。案例教學法的關鍵是案例的選擇，實施步驟包括情景設定，案例示范，獨立思考，確定方案，具體實施和評價改進等。

3.2案例的選擇

案例化教學法是把實際應用中的真實事例加以典型化處理，形成供學生思考、分析、實踐的案例。案例的選擇要體現科學性、基礎性與先進性的有機融合，具有較好的實用性和適用性，對綜合培養學生知識、能力和素質有較顯著效果，有示范性。以STM32嵌入式系統開發課程案例之一遠程溫度采集控制系統為例，該題目作為STM32在控制領域的典型應用，經過反復實踐證明可行，同時系統開發過程中涵蓋了STM32嵌入式系統開發課程中的主要知識點，包括溫度傳感器信號輸入、I/O口輸入輸出、LCD顯示、外部中斷、GSM模塊應用、A/D 和D/A轉換等多個知識點，以該案例為背景開發的智能家居系統是新一代信息技術物聯網的重要應用領域[2]。通過案例的實施，能夠幫助學生深刻體會到課程所學理論知識如何在實際設計中發揮作用，并對理論知識的學習目的更加明確。

3.2案例教學法實施步驟

與傳統課程教學按章節講授不同，案例教學法打破原有教師授課學生聽的模式，變成教師以多樣化教學形式、層次化任務驅動、過程化考核激勵，引導學生關注實踐過程，做精做透每一個實驗。課程學習過程不單獨對某個知識點進行講解，而是以案例的形式，將多個知識點融入一個案例，本著漸次提升的案例設計目標，將一個案例的實施劃分為多個模塊，每個模塊完成階段目標，每個階段細化局部目標 。

以案例遠程溫度采集控制系統為例，情景設定案例示范階段，教師先對案例任務進行分析，明確系統要實現的功能，本系統要通過移動終端遠程實現溫度的采集與控制，并能設定閾值，超過閾值通過短信報警，進行遠程控制，系統可劃分為3個任務模塊：本地溫度信息的采集與顯示及溫度閾值的設置；STM32控制器與移動終端的通信；通過移動終端實現溫度采集與控制。每一個任務模塊又可以劃分為子任務，教師將子任務涉及的關鍵知識點進行講解，而后進入獨立思考階段，學生以小組(3～4人/組)為單位，根據案例需求，對案例實施過程中涉及的關鍵知識點進行強化，并制定出總體設計方案以及系統硬件軟件實施方案[3]。

實施過程以小組為單位分配STM32實驗板，各小組根據自己的設計方案，借助MDK5軟件將各任務模塊功能通過編程下載到實驗板，實際運行調試，教師隨時把握學生調試動態，對調試過程中的重點、難點以及共性的問題以技術交流、主題討論、方案論證、質疑講評等形式及時解決，并對進度快實施效果好的小組隨時調整方案增加功能，以達到因材施教，充分挖掘學生潛能，培養創新能力的目的。

案例化教學模式以電信行業工程型人才為培養目標，采取過程化考核方式，考查學生在觀察分析、設計構思、項目計劃、組織管理、工程實現、總結表達等方面的綜合能力。要達到這樣的效果，就要求教師對案例實施過程中每一位同學任務分配完成情況、小組成員的協同工作情況有詳細把握，給出量化的綜合評價。

3.3案例教學法實施效果

以遠程熱水器溫度采集控制系統為例簡要介紹案例教學的實施效果。

案例名稱：遠程熱水器溫度采集控制系統。

案例教學法實施過程對系統功能的劃分為3個模塊。

任務模塊1是本地溫度信息的采集與顯示及溫度閾值的設置，其任務要求包括兩點。(1)利用DS18B20采集熱水器溫度信息，并通過LCD顯示溫度數值。(2)設置溫度閾值，超過閾值蜂鳴器報警。

任務模塊2是STM32控制器與移動終端的通信，其任務要求包括兩點。(1)測試ATK-SIM900A GSM/ GPRS模塊，本設計主要應用其短信功能。(2)讀短信測試，可讀取指定條目的短信，其內容將顯示在LCD上面。發短信測試，將固定內容的短信發送給目標手機。

任務模塊3是通過移動終端實現溫度采集與控制，其任務要求包括兩點。(1)通過AT命令利用手機發送溫度采集命令，采集當前溫度。(2)對超閾值報警信息進行處理，通過AT命令控制熱水器的工作狀態(關閉或打開)。

任務實施包括以下幾方面。

(1)介紹系統功能，通過PPT給出系統硬件實現框圖(如圖1所示)。

圖1　系統硬件電路框圖

(2)通過PPT介紹系統軟件實現流程(如圖2所示)。

圖2　系統軟件程序流程圖

(3)軟件硬件聯調，通過MDK5對源程序進行編譯后聯機調試，讓學生理解程序執行過程。

(4)仿真調試正確后，將編譯后的程序下載到STM32F103所在的開發板上，改變傳感器端溫度數值進行實際測試。

簡易遠程熱水器開發板硬件連接調試實驗裝置如圖3所示。

圖3　遠程溫度控制系統硬件連接圖

對本案例進行中涉及的關鍵知識點，如STM32控制器引腳的使用、系統功能及流程圖進行等進行總結，對實施過程中遇到的典型問題以專題形式加以討論。

4　結束語

本文針對電子信息專業課程學習過程中實踐能力培養方面的不足，借助卓越工程師計劃，將案例教學法應用到STM32嵌入式系統開發課程中，將理論學習與實踐能力的培養相互結合，充分挖掘學生潛力，以企業需求為導向，縮短了學校與企業之間的距離，為學生在求職就業過程中增強自信心，提供技術支持。后續我們還將繼續總結教學經驗，努力提高學生的創新能力和綜合素質，不斷完善專業培養目標。

[1] 李文生,鄧春健,呂燚.案例驅動的嵌入式系統教學改革探索[J].計算機教育,2011,(2):22-25.

[2] 蔣建春,曾素華,陳家佳.嵌入式系統原理及應用實例[M].北京:北京航空航天大學出版社,2015:340-361.

[3] 李冰.單片機課程的項目化教學改革與實踐[J].實驗室科學,2014,17(1):101-103.

Exploration of Case Teaching Method in The Developing of Telecommunications ExcellenceEngineers

Ma Lina
Science & Technology College, North China Electronic Power University, Baoding, 071000, China

To cultivate the students' practical ability of the telecommunications, together with the implementation of excellent engineers training plan, this paper proposes a research-oriented teaching mode in the course of STM32 embedded system development, in this mode case teaching as the main teaching method . It also introduces the implementation of case teaching method in combination with the part of case.

case teaching; engineering practice; STM32 MCU

2016-01-20

麻麗娜，碩士，講師。

華北電力大學科技學院教改基金項目(編號：104051)。