嵌入式控制課程教學研究與探索

王皖君 林原靈

摘要：嵌入式控制課程知識點多、實踐性強，在有限的學時內高效率高質量教學是一項挑戰性工作。為了提高教學效果，針對目前教學活動中的問題，研究與探索課程教學內容和教學方法，提出根據教學內容的特點采用啟發式教學、案例教學和項目驅動教學，并給出課程綜合評價方式。教學實踐表明，學生的學習興趣和綜合實踐能力明顯提高，取得了良好的教學效果。

關鍵詞：嵌入式控制;教學內容;啟發式教學法;案例教學法;項目驅動教學法

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）15-0142-03

Abstract： Embedded control course has many knowledge points and strong practicality. It is a challenging work to teach with high efficiency and high quality in limited class hours. In order to improve the teaching effect， aiming at the problems of the current teaching， teaching contents and teaching methods were studied and explored. Heuristic teaching， case teaching and project driven teaching according to the characteristics of teaching contents were proposed， and the comprehensive evaluation method was addressed. Teaching practice shows that students' interest in learning and comprehensive practical ability had been significantly improved， and favorable teaching effect has been achieved.

Key words： Embedded control; teaching content; heuristic teaching method; case teaching method; project driven teaching method

1 引言

嵌入式技術是工業控制、儀器儀表、汽車電子等行業的關鍵技術之一，掌握嵌入式技術已經成為相應領域從業人員必備的基本技能，因此，嵌入式控制是國內外儀器類、電子信息類、自動化類等專業的核心專業課、支撐畢業要求和培養目標的重要課程，在培養方案中占有重要地位[1-2]。本課程具有知識面廣、綜合性強、實踐性強和發展更新快等特點，同時又與專業背景有關，在有限的課時內講解嵌入式控制的重難點、并培養學生應用嵌入式技術解決復雜工程問題的能力對教師的教學方法與能力是一個挑戰。本文針對嵌入式控制的教學現狀，以提高教學水平、教學效率和教學效果為目標，研究與探索嵌入式控制課程的教學內容和教學方法。

2 教學現狀

嵌入式控制課程涉及C語言程序設計、微機原理與接口技術、單片機原理與應用、嵌入式操作系統等諸多專業課程，課程知識點重疊交叉較多，教學實踐中往往事倍功半。為了提高教學效果和人才培養質量，需要研究與探索嵌入式控制的教學環節并改進。根據作者調研，目前的教學實踐中存在的問題體現在：

學生反應嵌入式控制課程中涉及很多專業名詞和概念定義，尤其是各種片上外設的寄存器，在傳統教學過程中，教師通常按照教材章節內容授課，教學過程十分枯燥，學生學習興趣逐漸喪失，這是因為嵌入式控制中涉及的硬件設計知識點比較松散，學生在課堂上學習時費勁，導致課堂氛圍不活躍。

培養方案對嵌入式控制課程的實驗教學學時分配不足，實驗內容的深度和廣度不夠。嵌入式控制課程教學內容較多，而分配到各個知識點的學時有限，目前與本課程配套的實驗以驗證性實驗為主，缺乏合適的綜合性和開發性實驗。實驗教學只能輔助學生了解嵌入式系統的基本概念和原理，熟悉嵌入式系統開發的基本步驟和流程，無法培養學生解決復雜工程問題的能力，這與高等教育的前沿性不匹配，學生的專業能力不能與社會需求相匹配[3]。然而，嵌入式控制課程的實驗教學環節非常重要，理解和掌握嵌入式控制需要通過足夠學時的實驗教學活動才能培養學生的開發和設計能力，現有的課程學時難以滿足對該課程全面、深入的教學。

教學效果方面，面對復雜工程問題時，學生不能運用相關的知識提出解決方案和措施，具體表現為學生綜合應用能力不強，缺乏分析問題和解決問題的能力。主要原因在于課程內容與專業、應用背景脫節，而且傳統教學方法對知識點的講授與應用練習都是單獨進行的，沒有及時與工程案例相結合，學生往往當時能聽懂、會練習，但到真正在解決實際問題時需要綜合若干知識點，卻不能根據實際情況靈活運用已學過的知識，從而失去學習的興趣，導致教學效果很不理想。

教學方法方面，以講授法為主，按照教材的章節順序講授教材中的知識點，再通過實例講解知識點應用方法，不能培養學生自主學習和探索能力。

課程評價方面，考核方式不合理，由于高等學校教學標準化管理的片面性，目前嵌入式控制的考核方式仍然采用傳統的閉卷考試模式，試題無法科學評價學生課程目標達成情況[4]。學生投入較多時間記憶課程中的概念和名詞，而嵌入式控制的課程目標是學生能應用嵌入式控制解決復雜工程問題。嵌入式控制課程的考核環節不合理，無法準確、科學評價學生對課程的掌握程度，教師無法持續改進教學方法和教學內容，無法滿足工程教育培養應用型人才的要求。

3 教學內容研究

目前，嵌入式控制領域有多種不同型號的微控制器、嵌入式操作系統和開發工具，教學研究需要首先確定合適的教學內容。經過調研和對比，作者所在課程組確定以“STM32微控制器和嵌入式實時操作系統uc/OS-II”作為教學平臺。選擇STM32微控制器是因為目前嵌入式控制領域廣泛采用該控制器作為硬件平臺，科研領域和就業市場都有較大的需求。嵌入式實時操作系統uc/OS-II是一個源碼開放的操作系統內核，非常適合初次接觸嵌入式操作系統的學生，避免學習Linux的畏難心理，這使學生更加充分理解操作系統的內核及其工作原理，為將來學習Linux奠定扎實的基礎。教學實踐表明，選擇該平臺可以降低初學嵌入式控制的難度，同時激發學生對嵌入式控制學習的興趣，而且可以充分利用網絡資源進行學習。

嵌入式控制課程的教學內容可以分為三個層次：（1）基礎知識，主要包括GPIO、定時器、中斷、ADC和UART等，這部分內容和其他微控制器基本相通;（2）綜合應用，該內容是教學的重點和難點;（3）嵌入式操作系統，該部分內容可根據專業背景有選擇地進行教學。由于存在著內容多和學時有限的矛盾，為了能在有限的時間內讓學生掌握核心內容，在后續學習和應用中具備自學能力，精選教學內容至關重要，課程內容應根據專業特征以及教學對象進行調整和補充。在教學中應根據專業背景的實際情況，參照課程教學大綱，選擇的教學內容盡可能覆蓋知識點，而且在后續內容教學的同時能對已講授內容進行復習。

在有限的學時內達成嵌入式控制的課程目標，使學生能應用嵌入式技術的軟件和硬件資源解決復雜工程問題是課程教學的目的。作者的教學思路是將教學內容與工程實踐相結合，突出應用背景，將復雜工程問題抽象出共性的教學內容。如GPIO是嵌入式控制器的最基本的功能，在講授時，通過介紹嵌入式工程應用中檢測各類開關、按鍵以及控制指示燈、繼電器等，對GPIO進行教學。嵌入式控制器提供了豐富的定時/計數器，教學過程中與PWM知識結合，介紹PWM在電力電子、電機控制等領域的應用。

4 教學方法探索

傳統教學模式主要講授嵌入式控制器與操作系統的基本概念和原理，隨著教學內容的增加，學生學習比較困難，需要具有微機原理與接口技術、單片機原理及應用和C語言程序設計等專業知識才能理解知識點，教師需要根據教學內容選擇合適的教學方法。

4.1 啟發式教學法

在嵌入式控制課程教學中，需要轉變傳統教學模式下師生的角色，教師從知識的講解著轉變為引導者，學生從知識吸收者轉變為知識探索者[5]。在微控制器硬件資源部分的教學時，教師引導學生發掘嵌入式微控制器硬件資源與微機原理、單片機的相通和不同之處，啟發學生應用已掌握的微機原理、單片機的知識體系和學習方法來學習嵌入式控制器的硬件資源，從而可以高效率地學習嵌入式控制，這種教學方法可以使得學生快速入門，并理解嵌入式技術。

4.2 案例教學法

案例教學法依托典型的實例對所涉及的知識點進行教學，這種教學法目標明確，具有直觀、實用的特點，能迅速吸引學生的注意力，提高學生的學習興趣和積極性[6]。應用案例教學法適合嵌入式控制器的硬件資源教學，在教學過程中不以教材的章節順序進行授課，而是以案例為中心，通過綜合講解精心選擇的案例，使學生更好地掌握知識點，并把要學習的知識點融入具體案例中來講授，教學過程強調學以致用，在應用中學習。例如，按鍵和LED是嵌入式控制中常用輸入輸出設備，可從工程項目中抽象出案例，用于教學時由淺入深，程序代碼在前期案例的基礎上修正和完善，作者在教學實踐過程中，從最基本的驅動LED顯示開始入門，再增加按鍵控制LED;學習定時器知識點后，通過時間控制流水燈顯示，由定時器控制流水燈的顯示間隔;在講授中斷和事件知識點時，選擇在中斷服務程序中控制LED作為教學案例;在學生掌握GPIO、定時器和中斷知識點并能設計按鍵和LED功能后，再深入和完善教學案例，如按鍵功能增加短按、長按、組合按鍵等，LED顯示功能則拓展為數碼管顯示、液晶顯示器顯示，定時器選擇輸出PWM、檢測PWM周期和脈沖寬度作為案例，并能夠通過按鍵調節PWM的周期和脈沖寬度。實踐表明，案例教學法效果明顯優于傳統教學方法。

4.3 項目驅動教學法

項目驅動教學以學生為主體、教師為主導，是一種主動探究型教學方法，通過項目背景、團隊合作、技術交流等學習環境要素充分發揮學生的主動性和提高學習興趣，并激發創新意識，達到培養學生自主學習的能力和解決復雜工程問題的能力[7-8]。項目驅動教學實踐過程中需要設計項目、分解項目、知識教學、項目實施和項目評價等環節，其中，設計項目是項目驅動教學的關鍵，項目工作量和復雜程度需要與學時學分匹配，而且與專業背景相關，并能包含教學大綱規定的重難點。在教學實踐中，作者選擇植物生長環境信息采集系統作為教學項目，項目包含人機接口、數據存儲、模數轉換、串口通信、定時中斷五個模塊，在知識教學中，綜合應用啟發式教學法、案例教學法，使學生掌握項目實施所需的重難點，項目實施時按模塊分組，培養學生團隊協作和溝通能力，項目評價通過匯報、答辯和演示等多元化方式進行評價，并需要增加拓展和創新能力的評價比重。

5 評價方式改革

作為工程教育的核心課程，嵌入式控制課程的實踐性和綜合性非常強，評價學習產出結果達成度需要從作業、理論、實驗和設計四個方面進行多環節綜合評價。作業是平時教學活動的補充，是教學示例的擴展，考核學生知識的掌握程度和舉一反三、觸類旁通的能力;理論考核采用簡答或分析題的形式，重點考核學生對嵌入式系統軟件和硬件的基本概念以及嵌入式應用的方案設計能力。實驗通過驗證性實驗和綜合實驗考核學生的動手實踐能力，根據實驗內容的完成情況和實驗報告的撰寫情況評分。設計通過具體項目考核學生解決復雜工程問題的能力、團隊協作能力、溝通能力和項目管理能力等，可選擇電子設計競賽、機器人競賽或科研項目中的嵌入式控制問題。

6 結論

為了提高嵌入式控制的教學效果，在教學實踐的基礎上，本文研究與探索教學內容和教學方法。在教學內容上，應聯系實際選擇相關應用領域的案例，并根據專業選擇教學內容;在教學方法上，應針對教學內容和學生的實際情況，根據每種方法的優勢和局限性，將不同方法進行優化組合，以達到最好的教學效果。嵌入式控制的教學質量涉及諸多方面的因素，需要教師不斷地探索新的教學方法和教學模式，達到課程目標。

參考文獻：

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[4] 郭慧，王雨晗，王毅.基于OBE模式的嵌入式系統課程教學改革探索[J].西部素質教育，2019，5（2）：195，197.

[5] 王潔.基于工程教育認證的“嵌入式系統”課程改革與探索[J].電子商務，2020（6）：87-88.

[6] 李傳娣，趙常松.嵌入式系統課程教學方法的改革與實踐[J].理論觀察，2019（1）：144-146.

[7] 田金琴，王曉峰.項目驅動的嵌入式系統教學方法研究[J].教育現代化，2016，3（40）：184-186.

[8] 張浩，陳勇，程玉柱.項目驅動式案例教學法在“嵌入式系統”教學中的應用[J].中國電子教育，2012（4）：48-50，58.

【通聯編輯：王力】