案例教學方法在高校嵌入式系統課程中的應用研究

趙恩銘 劉光宇 周豹

摘要：教師在嵌入式系統課程教學中應用案例教學方法，以實際工程案例為授課切入點，將理論學習與實踐能力的培養相結合，能夠激發學生學習的自主性、積極性和靈活性，增強學生對產業發展的適應性。文章根據“卓越工程師教育培養計劃”對工科人才培養所提出的新要求，探索在嵌入式系統課程教學中應用案例教學方法，并結合部分案例，介紹案例教學方法的實施過程。

關鍵詞：卓越工程師教育培養計劃；案例教學方法；嵌入式系統課程；工科人才培養

中圖分類號：G642文獻標志碼：A文章編號：1008-3561（2022）14-0016-03

“卓越工程師教育培養計劃”（以下簡稱“卓越計劃”）是國家教育部貫徹落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》及《國家中長期人才發展規劃綱要（2010-2020年）》的重大改革項目，是促進我國發展成為工程教育強國的重要舉措。該項目以工程實際為背景，以行業企業需求為導向，以工程技術為主線，重點提升學生的創新能力、實踐能力及團隊協作能力，培養具備一定工程素養和工程實踐精神，能夠解決實際問題的工程師，以滿足我國從制造大國向制造強國轉變對人才的需求。大理大學電氣工程及其自動化專業自2017年入選“卓越計劃”以來，以培養學生的綜合能力和基本素質為主線，面向自動化、電力系統、電子信息等領域，培養知識、能力、素質全面發展的高素質技術和管理人才。

近年來，在信息產業高速發展的推動下，智能設備得到普及，嵌入式系統的應用覆蓋了工業控制、消費電子、通信網絡等多個領域，加速了嵌入式系統課程在工科類專業中的推廣和普及。嵌入式系統課程是大理大學電氣工程及其自動化專業的重要專業課程，傳統的講授式教學模式已難以滿足人才培養要求。為適應新形勢下應用型、創新型人才培養目標，教師結合嵌入式系統課程的特點，引入案例教學方法，既能豐富課程內容和授課方式，又能開闊學生的視野，提高學生解決實際問題的能力、獨立思考和創新開發的能力，完全符合“卓越計劃”人才培養要求。

一、傳統教學方法在高校嵌入式系統課程教學中運用的局限性

在實踐性較強的嵌入式系統課程教學中，傳統的教學方法多以教師講、學生聽為主，并匹配部分課時的實驗課，這種教學方法雖然基本能達到培養要求，但學生學習的效果并不理想，很多學生在碰到實際問題時有無從入手的感覺。這主要是因為傳統教學方法多以知識點為切入點，學生雖然對每一個知識點的學習很細致，但并沒有和實際應用結合起來，對知識體系的理解停留在表面。而且，多數院校由于實驗課時相對較少，僅安排一些驗證性實驗，缺乏綜合性和設計性實驗，因此無法培養學生的綜合實踐能力和創新能力，導致學生畢業后很難獨立操作實際項目。

二、高校電氣工程及其自動化專業“卓越計劃”的實施過程

根據“卓越計劃”精神，大理大學電氣工程及其自動化專業積極開展卓越工程師專項培養教學活動。教學活動以本科大四學生為培養對象，以部分專業課程為平臺，以嵌入式系統設計與開發、電氣設備維護、輸配電等方向的專業人才為培養目標，在培養方式上從原有的泛式教學模式改為短期專項訓練的模式。嵌入式系統課程作為實施“卓越計劃”的重要組成部分，在短期專項訓練階段，本著針對實際工程應用開展探索研究的宗旨，應用案例教學方法進行授課，再以全開放的實驗教學作為補充，可以保證學生能夠從理論和實踐雙方面加深對案例的理解。教師應用案例教學方法時，并不是為說明一定的理論或概念進行舉例分析，而是以實際工程案例代替純理論講解，通過精心設計案例、分析技術難點來制定方案，引導學生通過獨立思考、共同討論和協同合作的方式，應用所學知識完成工程案例。學生可以根據案例分析，自主設計實驗進行技術驗證。這種模式既能提高學生學習的積極性、靈活性和自主性，使學生的潛能得到充分挖掘，還能保證教學資源得以充分利用。

三、案例教學方法在高校嵌入式系統課程中的應用策略

1.案例的設計

案例教學方法是把實際應用中的真實項目加以典型化處理，形成供學生思考、分析、實踐的案例。教師所選擇的案例要具有啟發性、科學性、典型性、先進性、適用性，這對豐富學生知識、提高學生能力、挖掘學生潛質等具有重要作用。案例的來源可以是教師所承擔科研項目的一部分，也可以是學生電子設計大賽的相關題目。案例可以按照難易程度或包含知識點的多少，分為基礎案例和綜合案例兩大類。基礎案例的選擇可以類似于“基于STM32嵌入式處理器的遠程土壤濕度采集與傳輸系統”，該案例既是一個具有實際應用價值的典型案例，又是一個實現起來相對簡單的案例。該案例在實現過程中包括的主要知識點可以分解為濕度傳感器的驅動、濕度傳感器的信號采集與存儲、信息顯示、系統參數設定、GPS模塊應用等。通過該案例的學習，學生可以掌握STM32嵌入式處理器軟硬件開發平臺的使用方法、STM32嵌入式處理器的輸入輸出端口（GPIO）、定時器（Timer）、模數轉換（AD）及串行外設接口（SPI）的應用。綜合案例可以是幾個基礎案例的組合，也可以是對當前熱點或難點問題的解決。例如在智慧城市的背景下，“居家自動養花機器人”就是一個很好的綜合案例。該案例的知識點包括自動行走機器人的控制，室內光照度的測量，室內溫度、植物土壤濕度和酸堿度的檢測與存儲，實時檢測信息的顯示與遠程傳輸等。教學案例的應用，能夠幫助學生明確理論知識學習的方向，感受到所學理論知識如何在實際設計中發揮作用。

2.案例教學的實施

案例教學方法采用教師為主導、學生為主體的互動式教學模式。學生分成若干3人～4人的項目小組，教學以小組為單位展開。一個案例融合了多個知識點，授課內容以案例所包括的知識點來重構。授課方式是理論課與實驗課結合起來，理論課放在實驗室上，實驗操作融于理論課教學。還可以利用網絡平臺開展資料分享、在線討論等活動，以補充課堂教學。教師要合理設定案例，引導式組織教學，制定階段任務，強化過程考核，幫助學生構建案例與理論知識的關系，引導學生在實際案例中學習理論知識，根據案例需求自主選擇技術實現路線，設計實驗方案，完成案例的驗證。學生通過對案例的分析和自主學習，能夠很好地掌握獨立探索的方法，積累實踐經驗，提高綜合能力。

以“基于STM32嵌入式處理器的遠程土壤濕度監測與控制系統”為例，在案例設定階段，教師先對案例進行分析，明確案例所包含的知識點，并根據知識點來制定要達到的目標。本案例主要實現土壤濕度信息的采集、顯示及監測參數的網絡傳輸，并實現遠程控制。根據需要完成的任務，可將系統劃分為2個功能模塊，即本地土壤濕度信息的采集與顯示模塊及遠程移動通信模塊。學生以小組（3人～4人/組）為單位進行討論，把案例功能與嵌入式系統課程中的知識點聯系起來，通過課前分享的資料和教師的講解，學習相關知識點；通過自主選擇技術路線、設計實驗完成對案例中涉及知識點的鞏固，最終將案例的完成作為課程內容和知識點學習的總結匯報。

在案例實施過程中，各小組將學校配備的STM32開發板作為硬件開發平臺，將Keil uvision作為程序編寫與調試的軟件平臺，根據自己設定的技術路線，實現各模塊的功能。教師通過把握案例的完成情況，了解學生的學習動態，對案例實施過程中的難點、重點及共性問題，進行問題點評、主題討論或課堂總結，以達到幫助學生鞏固知識點的目的。教師可以對進度快、實施效果好的小組隨時調整案例目標，以達到因材施教的目的。

考核作為教學過程中的一個環節，起著非常重要的作用，不僅可以檢查學生的學習情況，反饋教學信息，評價教學效果，還能對學生的學習發揮引導和激勵作用。為達到最理想的效果，教師要對各小組的任務完成情況進行過程化考核，對每一位學生的任務完成情況、小組成員的協同工作情況進行詳細把握，并給出量化的綜合評價。

3.案例教學的實施效果

現以智慧城市背景下“居家自動養花機器人”為例，簡要介紹案例教學方法的實施效果。

對案例的需求進行分析后，可以把案例分解為4個功能模塊。功能模塊一是自動行走機器人控制模塊。自動行走機器人由履帶車來實現行走的功能，其任務包括如下內容。1）履帶車驅動直流電機的控制，實現“機器人”的行走和轉彎。2）通過超聲波傳感器實現“機器人”躲避行進途中的障礙物。功能模塊二是室內光照充足點查詢模塊。其任務包括如下內容。1）通過光電傳感器采集室內光照強度，并與設定的閾值相比較，如果達到閾值光照強度就認為滿足光照要求。小車子自動行走到光照充足處，讓植物接受光照。如果室內沒有光照滿足要求的地方，“機器人”則自動打開照明燈讓植物接受光照。2）控制云臺做360度旋轉查找室內陽光充足點。功能模塊三是植物土壤溫度、濕度和酸堿度檢測模塊。其任務是通過溫度傳感器、濕度傳感器和酸堿度傳感器定時監測植物土壤的參數，并進行存儲和顯示，也可以通過通信網絡進行遠程傳輸。功能模塊四是遠程通信模塊。其任務是通過無線移動終端進行數據通訊和“機器人”參數控制。

本案例屬于綜合案例，學生通過對本案例的學習，能夠很好地掌握嵌入式系統的組成、STM32嵌入式處理器的應用方法，了解實際工程項目完整的開發流程，加深對案例中涉及知識點的理解，并能提高自身對所學知識的綜合運用能力，為進一步學習和畢業后從事嵌入式系統設計與開發工作打下基礎。

4.建立案例庫

隨著案例教學方法的應用，收集和整理一些適用性強的經典案例，構建嵌入式系統課程案例庫，對案例教學方法的推廣和拓展能夠起到積極的促進作用。并且，在信息產業發展的推動下，隨著案例庫中新型案例的補充，新舊案例對比教學可以幫助學生了解嵌入式系統技術的歷史進程和發展方向，使學生在案例學習過程中既能充分論證理論知識的優勢和不足，又能把握嵌入式系統實際應用和研發的趨勢，為自主式深入學習提供指導性方向。

四、結語

針對“卓越計劃”對工科人才培養所提出的新要求，高校教師在嵌入式系統課程教學中要打破傳統教學模式，探索應用案例教學方法，以實際案例為基點，將理論學習與實踐能力的培養相結合，進而開闊學生的視野、豐富學生的實踐經驗、激發學生的潛力，增強工科人才培養對產業發展的適應性。案例教學方法在高校嵌入式系統課程教學中的應用達到了預期效果，值得進一步完善和推廣。

參考文獻：

[1]李學光，王淑坤，高藝，許穎，王紅平，王金龍，鄧春霞.機械類專業“卓越工程師教育培養計劃”運行機制研究[J].高教學刊，2020（23）.

[2]麻麗娜.案例教學法在電信專業卓越工程師培養中的應用探索[J].中國現代教育裝備，2016（19）.

[3]張宏濤，曹仰杰.過程化考核模式的探索與實踐[J].中國電力教育， 2013（25）.

[4]盧燦舉，張云峰，高春穎，劉俊.案例教學下嵌入式系統課程的改革與實踐[J].計算機工程與科學，2016（S1）.

Research on the Application of Case Teaching Method in Embedded System Course in Colleges and Universities

Zhao Enming， Liu Guangyu， Zhou Bao

（School of Engineering， Dali University， Dali 671000， China）

Abstract： Teachers apply the case teaching method in the embedded system course teaching， take the actual engineering case as the teaching starting point， and combine the theoretical learning with the cultivation of practical ability， which can stimulate students autonomy， enthusiasm and flexibility in learning and enhance students adaptability to industrial development. According to the new requirements of "excellent engineer education and training plan" for engineering talent training， this paper explores the application of case teaching method in embedded system course teaching， and introduces the implementation process of case teaching method combined with some cases.

Key words： excellent engineer education and training plan； case teaching method； embedded system course； engineering talenttraining