基于創客教育的高職院校“嵌入式微控制器的認識與應用”課程 建設研究

張曉芳 周靜紅

摘? ?要：文章闡述了“嵌入式微控制器的認識與應用”課程存在的問題，提出了以創客教育“實體作品”理念引領的課程設計總體方案。從課程內容及標準建設、線上+線下教學資源建設、教學模式實施幾個方面闡述了以創客教育理念引領的本門課程建設的具體實施途徑。通過智能小車實體作品進行技能強化和技術提升訓練，提升學生的創新創業能力和競爭力。

關鍵詞：創客教育;實體作品;智能小車;STM32;創新創業

黨的十八大提出，實施創新驅動發展戰略;教育部關于印發《教育信息化“十三五”規劃》的通知提出，要積極探索創客教育的教育模式，著力提升學生的信息素養、創新意識和創新能力，促進學生的全面發展[1]。著名創客空間TechShop的CEO與創立者馬克·哈特赤（Mark Hatch）特別強調“制造實體作品對創客行動的重要性”，提出創客活動的最終目標是創造“實體作品”。創客教育通過開設課程及開展活動等載體，為社會培養創新創業人才，提升教育競爭力[2]。歐美國家的很多學校都設置有創客課程、開設創客空間，為學生基于創造的學習提供了環境、資源和機會，學以致用[3-4]。中國的例如清華大學、同濟大學、深圳大學等高校，各自組建了創客團體或社團，開設了相關課程，為中國高校的創客教育探索了實踐道路[5]。以創客教育為引領進行整個專業課程體系的構建需要多方進行協調，實施層面具有一定的難度，本文提出在“嵌入式微控制的認識與應用”課程中滲入創客教育理念，以“實體作品”創客教育目標為引領進行課程改革和建設，希望以點帶面，對創客教育的課程建設進行有效的探索與嘗試。

1? ? “嵌入式微控制的認識與應用”課程現狀

“嵌入式微控制的認識與應用”是以STM32系列處理器為核心的嵌入式技術課程。目前市場上新出現的各種新電子產品，如平衡車、四軸飛行器、運動手表等都是ARM Cortex-M的STM32處理器。

近年來，隨著技術的發展，各高職院校也相繼開設此課程，并在產教融合背景下不斷摸索課程建設。各高職院校以現有廠家提供的嵌入式開發板為教學使用，常見的有野火、正點原子等品牌進行項目化教學。知識點包括：通用輸入/輸出（General Purpose Input/Output，GPIO）、模擬/數字轉換、外部中斷、時鐘設置、嵌套向量中斷控制器 、DMA控制器、FLASH存儲器、通用同步異步收發器、串行外設接口、FSMC總線控制等。以各知識點建立教學項目包括：LED跑馬燈設計、溫濕度數據采集、上位機串口控制、LCD圖形文字顯示等[6]，完成從程序編寫、調試的工作過程。每個項目都以單獨的功能為主，相互之間的聯系并不明顯，不能完整展現整個嵌入式產品開發步驟及STM32處理器的綜合處理能力，學生無法感受STM32處理器和普通8位單片機的性能差別，學完課程后學生很難系統地進行整機產品的開發。

2019年3月，國務院政府工作報告提出：“鼓勵更多應屆高中畢業生和退役軍人、下崗職工、農民工等報考職業教育，今年大規模擴招100萬人”。隨著學生生源的多元化，學生差異更加明顯，課程建設如何盡可能地兼顧到每個學生，也是應該關注的問題。

2? ? 以創客教育理念引領的“嵌入式微控制的認識與應用”總體方案

探索與實踐創客教育理念下“實體作品”引領的課程建設方案。校企共建線上線下協同的創客教育平臺[7]共同開發專業核心課程，將創新創業能力培養、行業標準和企業化環境等嵌入頂層設計，按照“一條產品開發主線、創新創業能力培養”的模式進行課程內容組織與管理，構建產品化、創新性特色的課程內容，分段完成實現“實體產品”（例如智能小車）的各基本技能學習、綜合實戰技能訓練的教學形式，并結合嵌入式大賽，重新制定課程標準和授課計劃。厘清思路，線上線下教學資源項目匹配，從產業產品理念出發，實現線上線下教學資源建設化整為零，再從零散到完整框架體系建設的過程。以創客教育理念引領的“嵌入式微控制的認識與應用”總體方案如圖1所示。

3? ? 以創客教育理念引領的“嵌入式微控制的認識與應用”具體實施途徑

3.1? 基于創客教育“實體作品”理念的課程內容及標準建設

“嵌入式微控制的認識與應用”課程設置的項目不再以單獨的功能為主，而是以一條主線“智能小車控制”來統領各模塊的協作，以典型產品典型功能作為彼此聯系的紐帶。課程概述方面，展示智能小車功能，并分析各功能由哪些模塊構成;按照智能小車功能將各模塊打散，實現化整為零，以項目化進行基本技能點學習，各模塊相互聯系，分為智能小車報警控制單元（GPIO設置、定時器使用）、智能小車尋跡單元（紅外發射與接收傳感器及控制）、智能小車調速單元（電機驅動電路、正反轉、PWM調速）、智能小車急停、后退、拐彎控制（外部中斷、定時器中斷）、智能小車標志物控制（WiFi，ZigBee、串口）等項目;對各模塊的基本技能掌握之后，進行智能控制小車整機產品的開發，化零為整，實現智能小車整體控制要求;最后承接企業項目實戰或技能大賽，提升學生“實體作品”設計開發能力。

3.2? “嵌入式微控制器的認識與應用”線上+線下教學資源建設

為滿足不同層次學生不受時間空間限制進行學習，同時也為積極推進信息化建設，進行本門課程的泛雅平臺建設。希望通過該平臺，校企協同確定本課程的技能點，并投入財力和精力完成本課程所有技能點視頻的錄制，做到每段視頻時間合理、時效高。同時，為鞏固學生基本技能點，通過團隊協作完成習題庫建設，通過在線載體推送給學生。

目前，學生主要購買淘寶等電商平臺的開發板進行學習，與真實產品有差距。校企協同共同完善硬件資源。從企業真實項目中遴選知識點及硬件資源，采用智能控制小車為契入點，將企業產品化整為零，設計并制作穩定的核心控制板，完成簡單技能點學習，便于初學者學習。學生有了一定的基礎，再體驗從零散到完整框架體系建設的過程，完成嵌入式整機產品設計與制作。

3.3? 基于創客教育“實體作品”理念的教學模式實施

本門課程涉及的“智能控制小車”實體作品的基本技能點，通過教學資源視頻資料，結合課程實訓場室進行學習，學生以翻轉課堂形式進行學習，教師進行必要的指導。在開放式的嵌入式學習室，以“智能控制小車”的整體調試項目為任務，以線下資源為主，提升綜合企業實戰項目能力，完成整機產品調試。課后，工作室會選取合理的線上資源和線下資源，完成企業項目或嵌入式大賽的興趣小組學習與訓練。多方位、多層級地培養學生完成“實體作品”的創新創業能力。

4? ? 結語

通過以創客教育“智能小車實體作品”引領的嵌入式課程改革，學生對嵌入式系統的整體應用有了更深刻的了解，通過“智能小車”一條主線，有效學習嵌入式各個模塊，使得各個知識點有效銜接，學完充分理解以產品理念進行的系統開發，學習興趣提高，學習效果顯著提升。學生分別于2018年、2019年獲高職高專院校大學生創客馬拉松大賽“MakeX攻城大師賽”二等獎;先后獲2018年、2019年江蘇省技能大賽“嵌入式技術應用開發”賽項三等獎。兩年來，學生參與老師嵌入式橫向課題研究5項。

基于創客教育“實體作品”理念下進行課程設計，校企團隊合作完成硬件選型、電路設計、電路制作;學生在智能小車實體作品下進行硬件測試、程序設計、調試，完成嵌入式整機產品開發，并能承接企業實現項目進行軟硬件開發。通過技能強化和技術提升訓練，體驗企業文化、積累職場工作經驗，提升學生的創新創業能力、競爭力。