應(yīng)用型本科院校嵌入式課程創(chuàng)新能力培養(yǎng)研究與探索

何國鋒，胡合武，楊濼冰，何進(jìn)，張鵬程

（茅臺學(xué)院釀酒工程自動化系，貴州仁懷 564507)

嵌入式課程是自動化類專業(yè)的一門具有較強(qiáng)實踐意義的課程[1]，對于應(yīng)用型本科教育具有重要的作用[2]。對于學(xué)生而言，要想在專業(yè)領(lǐng)域上能夠有深入的發(fā)展，除了需要掌握一定的專業(yè)技能知識，更需要具有一定的創(chuàng)新能力。隨著國家提出創(chuàng)新能力培養(yǎng)的要求，對于創(chuàng)新思維的培養(yǎng)應(yīng)該融入每一門課中來[3]。在當(dāng)下的教育中，往往只是單純地去教會學(xué)生某一門專業(yè)知識[4]，并未與市場需求進(jìn)行結(jié)合，去研究所學(xué)知識在不同行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。這造成很多學(xué)生在學(xué)完課程后只是簡單了解了知識，但并不知道如何用，往何處用的處境，更無從創(chuàng)新。而嵌入式課程因其具有極強(qiáng)的應(yīng)用性，在各種領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。通過查找文獻(xiàn)，很少遇見對于嵌入式課程進(jìn)行創(chuàng)新方面研究的，因此，在嵌入式課程中對于創(chuàng)新能力進(jìn)行培養(yǎng)與研究是非常必要的。

1 研究安排

1.1 課程調(diào)研

經(jīng)過前期的工作經(jīng)驗總結(jié)，想要獲取更為科學(xué)的數(shù)據(jù)，就需要先進(jìn)行合理全面的數(shù)據(jù)調(diào)查來支撐后序的研究工作。因此，計劃先采用調(diào)查與分析結(jié)合的方法來進(jìn)行研究，從而形成更加有利于學(xué)生學(xué)習(xí)的教學(xué)手段；然后再對課程內(nèi)容進(jìn)行整合與優(yōu)化，經(jīng)過實踐檢驗效果，具體方案的安排如下：

1)通過網(wǎng)絡(luò)查找不同高校自動化類專業(yè)，至少對20家以上國內(nèi)高校嵌入式課程教材選取、嵌入式芯片選擇、嵌入式課程內(nèi)容安排進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計，以達(dá)到全面性，并找出主流高校在該課程上的課程安排。

2)通過搜索招聘網(wǎng)站，針對至少30家提供嵌入式崗位的企業(yè)需求進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計，總結(jié)出招聘企業(yè)的行業(yè)背景，以及企業(yè)最需要哪些技術(shù)、學(xué)生需要掌握到何種深度等信息，后期將其加入課堂教學(xué)中。

3)經(jīng)過以上調(diào)查后，完成對嵌入式課程的優(yōu)化與整合，并且進(jìn)行小范圍的授課實踐，通過實踐驗證效果。

1.2 調(diào)研結(jié)果

1)國內(nèi)高校對于嵌入式課程教材的選取

經(jīng)過調(diào)查26所開設(shè)嵌入式課程的高校，目前全國本科高校在開設(shè)嵌入式課程時，大多數(shù)以51單片機(jī)作為教材入門，這在26所高校中達(dá)到了24所。而在教學(xué)上除少部分學(xué)校采用匯編語言和C語言同時教學(xué)外，大多數(shù)學(xué)校采用C語言進(jìn)行教學(xué)。

2)嵌入式課程內(nèi)容

對于22所使用51單片機(jī)作為嵌入式課程的高校課程內(nèi)容安排進(jìn)行調(diào)查，其上課內(nèi)容高度集中于單片機(jī)發(fā)展史，原理與結(jié)構(gòu)、匯編語言設(shè)計、IO接口應(yīng)用、中斷功能調(diào)用、定時器/計數(shù)器、串口中斷及按鍵和顯示，而很少將后面的SPI、I2C等總線協(xié)議、AD轉(zhuǎn)換安排進(jìn)課程中，如表1所示。

表1 嵌入式課程內(nèi)容

3)市場需求方面調(diào)查

對于社會在嵌入式方面招聘崗位進(jìn)行統(tǒng)計時，采取通過前程無憂、智聯(lián)招聘等63個嵌入式崗位要求進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)對于嵌入式開發(fā)使用語言全部要求以C語言為主。如圖1所示，明確要求C語言的崗位占了61個，匯編語言占了7個，但大多數(shù)崗位都指出同時了解匯編語言者優(yōu)先考慮。最重要的是絕大多數(shù)企業(yè)要求學(xué)生具備接口技術(shù)及通信協(xié)議的掌握，如圖1所示，在63個嵌入式崗位中把求學(xué)生掌握SPI、I2C、AD轉(zhuǎn)換技術(shù)作為明確條件的有23個，這也在一定程度上說明了這部分內(nèi)容對于嵌入式課程的重要性。

圖1 嵌入式崗位要求調(diào)查結(jié)果圖

同時，在所有嵌入式崗位中，企業(yè)所面向的產(chǎn)品開發(fā)來自各行各業(yè)，如智能穿戴產(chǎn)品、工控機(jī)、兒童玩具、家用電器、農(nóng)業(yè)檢測設(shè)備、工業(yè)制造、醫(yī)療儀器等[5]，這些企業(yè)不但要求學(xué)生對單片機(jī)要有較深入的掌握，同時希望學(xué)生具備不同行業(yè)產(chǎn)品設(shè)計的工作原理及結(jié)構(gòu)知識。

4)學(xué)生興趣方面

根據(jù)掌握的學(xué)生信息和對學(xué)生進(jìn)行談話調(diào)查，學(xué)生普遍期待在學(xué)習(xí)課程的時候，能夠?qū)W有所用，即在學(xué)的同時能夠知道這門課要做什么，在就業(yè)領(lǐng)域是否受歡迎，同時希望能夠在學(xué)習(xí)中有具體的產(chǎn)品可以嘗試，深入掌握專業(yè)知識的應(yīng)用，與就業(yè)接軌。調(diào)查中很多同學(xué)承認(rèn)上課之所以聽不下課，不僅僅是課程難學(xué)的問題，而是一開始就不知道課程有什么用，能夠在哪里去用，更不知道對于未來就業(yè)的重要性。

2 課程優(yōu)化整合

2.1 課程優(yōu)化分析

1)針對調(diào)查結(jié)果A/C，計劃采用C51單片機(jī)為芯片作為嵌入式教學(xué)，編程上采用C51語言進(jìn)行設(shè)計開發(fā)。由于學(xué)生在該課之前已經(jīng)開設(shè)過C程序設(shè)計語言課程，因此對于C51語言的掌握會更加容易接受。在C51語言中，只需安排與標(biāo)準(zhǔn)C語言不同的內(nèi)容即可。對于匯編語言，由于其后續(xù)課程《微機(jī)原理》將會涉及，本次教學(xué)改革上決定舍去該部分內(nèi)容。

2)針對調(diào)查結(jié)果B/C，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，在重點介紹單片機(jī)原理及工作過程后，增加常用通信協(xié)議和接口技術(shù)的內(nèi)容，如SPI、I2C、SPI等協(xié)議，使學(xué)生在學(xué)習(xí)后能更加容易地進(jìn)行外圍擴(kuò)展，能夠針對新的器件進(jìn)行編寫驅(qū)動程序、完成并開發(fā)新的設(shè)計產(chǎn)品。

3)針對調(diào)查結(jié)果C/D，面向就業(yè)來培養(yǎng)學(xué)生，使課程方案更加符合應(yīng)用技術(shù)型人才培養(yǎng)的目的。在課程安排中，側(cè)重強(qiáng)調(diào)學(xué)生的實踐能力，重點在課堂中穿插一些該課程在其他專業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用及產(chǎn)品構(gòu)想原理，使學(xué)生具備更加開闊的思維，更容易產(chǎn)生創(chuàng)新思維，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與對課程的期望。但考慮到課時限制，課上主要以舉例引導(dǎo)、應(yīng)用分析為主，把學(xué)生從課上引到課下，發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)與實踐的能力。

2.2 課程最終優(yōu)化結(jié)果

通過上一部分的調(diào)查結(jié)果與分析總結(jié)，計劃將課程內(nèi)容做如表2所示調(diào)整安排。其中，學(xué)院培養(yǎng)方案中，《單片機(jī)原理與應(yīng)用》課程共計48個學(xué)時，因此，在課程內(nèi)容中，總計安排46學(xué)時內(nèi)容，預(yù)留2學(xué)時機(jī)動教學(xué)或進(jìn)行復(fù)習(xí)。

表2 課程優(yōu)化調(diào)整表

以上內(nèi)容包括實驗安排12個學(xué)時，分別為LED8位流水燈和數(shù)碼管顯示實驗、按鍵中斷實驗、定時器與計數(shù)器實驗、串口通信實驗、SPI/I2C總線協(xié)議實驗、AD轉(zhuǎn)換實驗。

為了更好地應(yīng)對企業(yè)需求，在按鍵中斷中，擴(kuò)展了按鍵去抖動的原理及方法，以及矩陣鍵盤的內(nèi)容；在定時器與計數(shù)器中，專門針對計數(shù)器在車速測量時的應(yīng)用；在串口通信實驗中，不僅要求學(xué)生掌握串口通信，同時普及如何將通信的數(shù)據(jù)進(jìn)行封包與解包，從而使接收數(shù)據(jù)時不會亂碼；在SPI/I2C實驗中，通過協(xié)議對Flash芯片數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫，使學(xué)生了解總線協(xié)議的重要性；在AD轉(zhuǎn)換實驗里，使學(xué)生領(lǐng)悟所有模擬數(shù)據(jù)，最終都可以直接或間接地通過傳感器轉(zhuǎn)化換為電壓，再通過AD進(jìn)行測量出來，以明白AD轉(zhuǎn)換的重要作用。

3 課程實踐與效果

3.1 課程實踐

課題依托于茅臺學(xué)院雙創(chuàng)實驗室，針對實驗室內(nèi)10名同學(xué)進(jìn)行授課培養(yǎng)，在培訓(xùn)課程中，加入了課程在醫(yī)療儀器及生物信號檢測與處理、無人機(jī)與飛控系統(tǒng)、智慧農(nóng)業(yè)的土壤與溫濕度檢測、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的應(yīng)用串講，如表3中所列內(nèi)容。學(xué)生聽過后，能夠根據(jù)自己感興趣的方向，更深入地進(jìn)行研究。如在進(jìn)行無人機(jī)飛控架構(gòu)的講解時，學(xué)生興趣很高，學(xué)習(xí)主動性也很強(qiáng)，課后尋問各種嵌入式設(shè)計思路的同學(xué)也很多。同時，借助實驗室環(huán)境組織學(xué)生及時動手進(jìn)行實踐，使學(xué)生掌握基礎(chǔ)后，能夠快速在不同領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，驗證并加深對理論內(nèi)容的理解。

表3 課程中引入的擴(kuò)展例子

3.2 比賽組織

在教學(xué)內(nèi)容調(diào)整的同時，收集一些與本課程有關(guān)的專業(yè)類比賽，鼓勵與組織學(xué)生積極參與，使學(xué)生在比賽中增加動力，進(jìn)行應(yīng)用與創(chuàng)新。如楊濼冰同學(xué)的“共享耳機(jī)”項目獲得2020年“貴州省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃平臺項目”立項資助，如圖2所示。胡合武等3位同學(xué)的“無人駕駛智能公交車系統(tǒng)”獲得2020年“貴州省大學(xué)生電子設(shè)計競賽”三等獎，如圖3所示。另外，其他6名同學(xué)組成的2組隊伍在語音控制方面也完成了作品的整體設(shè)計和報告撰寫，并成功參賽。

圖2 雙創(chuàng)立項圖

圖3 省電子設(shè)計競賽獲獎圖

4 總結(jié)

應(yīng)用型本科院校學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，一直是國家所倡導(dǎo)的，也是每位科教工作者努力探索的方向。通過調(diào)整后的嵌入式課程培養(yǎng)方案，學(xué)生在學(xué)習(xí)主動性與創(chuàng)新上都有所提升，并且對創(chuàng)新設(shè)計類比賽熱情很高，在雙創(chuàng)項目與電子設(shè)計類比賽上都有所收獲。以上表明嵌入式課程創(chuàng)新能力培養(yǎng)研究與探索方案較之前是有效的，當(dāng)然由于課時所限，部分內(nèi)容學(xué)時較為緊張。在后序教學(xué)研究中，會針對該方面繼續(xù)進(jìn)行研究：一是調(diào)整學(xué)時，二是充分調(diào)動學(xué)生課后的積極性、實踐性與創(chuàng)新性。