物聯網工程專業ARM體系架構與編程課程思政教學改革實踐探索

楊樹媛，郭斌，靳晟

（新疆農業大學計算機與信息工程學院，新疆烏魯木齊 830052)

0 引言

習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上指出：“要用好課堂教學這個主渠道，思想政治理論課要堅持在改進中加強，提升思想政治教育親和力和針對性，滿足學生成長發展需求和期待，其他各門課都要守好一段渠、種好責任田，使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協同效應[1]。”大學生的思政教育工作必須與專業課程同步進行，要找到一個合適的切入點，將思政教育貫穿于整個專業課程的教學全過程中，切實落實立德樹人的根本任務。專業課程的思政教學改革必須利用網絡平臺和課堂教學陣地，把握課程教學改革的核心環節，改革教學內容、教學目標、教學方法等教學環節，從而構建高效的課程思政教學體系[2-3]。

ARM 體系架構與編程課程是國家一流本科專業——物聯網工程專業的一門專業拓展類課程，具有較強的理論性和實踐性，是基礎課程的綜合應用類課程，同時又是連接基礎課程與相關嵌入式類專業課程的橋梁，在物聯網專業中起到承上啟下的作用，對于后續的實時操作系統課程、專業實習和畢業設計等的學習有著重要的作用。課程以STM32F407 系列開發板為例，主要講授ARM嵌入式系統涉及的理論知識、STM32處理器的功能特點、工作原理、硬件資源、常用外設包括GPIO、中斷、串口、定時器以及其他基本外設接口的程序設計方法、嵌入式系統設計方法等內容，為今后開展“智能感知與控制”相關科研訓練、科技競賽、產品研發等工作做好技術儲備。

隨著“物聯網+”時代的到來，ARM 嵌入式系統在智慧農業、智慧交通、機器人等現實場景中應用日益廣泛。ARM 體系架構與編程課程教學內容貼合時代背景、社會熱點，緊跟學科前沿。因此，對該課程進行思政教學，在課程教學內容中引入思政單元，在學習專業知識、鍛煉實踐能力的同時，提高學生的思政素養，培養學生的家國情懷和社會責任感，對于落實立德樹人的根本任務有著重要的意義。傳統教學過程中，課程以講授專業知識為主，很少涉及對學生思想政治素質方面的教育。基于此，在備課過程中，課程組深入挖掘課程內在思政資源，以立德樹人為出發點，以課程專業知識為重點，將專業知識傳授與思政育人深入融合，做到知識教育與思政教育的同向同行，實現知識教育與思政教育相互促進[4]。

1 融入思政教育的教學目標

“ARM 體系結構與編程”是一門既涉及硬件芯片又與嵌入式軟件關系十分緊密的課程。課程圍繞目前流行的CORTEX-M4 32位ARM處理器的架構與外設進行講解，介紹了ARM 處理器的架構演進過程、GPIO、NVIC、UART、ADC等常用外設的使用及編程方法。課程融合了嵌入式軟件設計和硬件設計的思想，通過學習學生能夠了解現代處理器的內部構成和編程技巧，為學生今后從事物聯網工程相關領域的開發、嵌入式系統研究與開發打下堅實的基礎。在夯實知識目標的基礎上，本課程深入挖掘課程的思政資源，力求將思政元素“嵌入”到專業知識目標中，以“潤物無聲”的方式做到知識目標與思政目標相統一，以“同下一盤棋”的理念做到知識教育與思政教育同向同行，在知識傳授的同時，培養學生運用辯證維護主義觀點和科學的方法分析和解決嵌入式系統設計中的實際問題[4]。本課程的教學目標中融入了思政教育，具體如下：

1)掌握ARM 嵌入式處理器的基本工作原理，融入家國情懷、時代責任等德育元素，激發學生科技報國的家國情懷和使命擔當。

2) 熟悉STM32F4 系列常用外設(GPIO、NVIC、ADC等），掌握嵌入式系統硬件和軟件開發技術，強化理論到實踐的轉換思維，增強學生勇于探索的創新精神、善于解決問題的實踐能力。同時培養學生珍惜時間、誠信守時的職業素養和“嚴謹認真、一絲不茍”的工匠精神。

2 課程思政教學設計

本課程聚焦于立德樹人的目標，采用“知識點模塊——MOOC——實踐項目”三位一體的教學模式（圖1)，思政教育貫穿課程始終，形成了價值塑造、知識傳授和能力培養三者為一體的全面育人成果。如圖1所示，學生通過MOOC 教學視頻完成課前預習，了解本周教學內容和項目要求，帶著問題進入線下課堂的學習；線下課堂環節通過講解和演示完成知識點的解惑答疑，給實訓項目的完成提供了良好的理論基礎；在實驗課上，通過實際項目的訓練使得理論知道得到了很好的擴展和應用。另一方面，在完成項目的過程中不僅提升了動手能力，同時由于項目的內容和難度隨著課程的深入不斷增多、加大，激發了學生探索新知識的興趣，促使被動式學習轉換成主動式學習；課下再通過完成MOOC提供的測驗題，進一步鞏固了理論知識點，以此課堂授課、MOOC 教學和實驗實訓三個環節形成了一種互相促進的循環模式。在整個教學過程中，思政教育作為整個課程的靈魂，融入每一個教學環節中，完成了育人目標的統一、育人方法的多樣、育人資源的整合，最終達到既樹人又立德的目的[5]。

圖1 課程思政視角下的三位一體的教學模式

2.1 課程思政教學內容

在ARM 體系架構與編程課程的思政教學中，將思政元素融入課程知識點模塊，做到價值導向與知識傳授相融合，在知識傳授、能力培養中，弘揚社會主義核心價值觀，傳播愛黨、愛國、積極向上的正能量，培養科學精神。具體做到以下幾點：

1)緊抓理論知識，立足ARM 嵌入式處理器的基本工作原理，加強對ARM 的Cortex-M4 的內核結構、體系架構的認識和掌握，夯實ARM 嵌入式理論的基礎，為其他嵌入式課程做好知識儲備，在此過程中，引入“《瓦森納協定》”“中興”“華為”事件，以此為契機，融入家國情懷、時代責任等德育元素，激發學生科技報國的情懷和青年一代的使命擔當。

2)充分體現物聯網工程專業的特色，綜合利用傳感器技術、電路、通信、App開發、云服務等知識，深入研究并分析STM32 處理器常用外設的硬件結構和原理、軟件(STM32CubMX、Keil 等）開發、調試技術及其相關應用，作為物聯網工程專業學生將來職業需要的儲備知識，厚植求真務實、勇于實踐的創新精神，培養認真踏實、敬業愛崗的職業素養，樹立心系社會、求真學問、練真本事并有時代擔當的精神追求。

3)以項目貫穿課程始終，注重教育和引導學生弘揚工匠精神，不僅讓學生充分領悟ARM 嵌入式系統開發及其應用的科學思維和科學研究方法，同時還引導學生明白“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”的道理，強化理論到實踐的轉換思維，掌握不同應用場景下不同的解決方法，增強學生勇于探索的創新精神、善于解決問題的實踐能力。

2.2 課程思政教學方法

本課程采用線上線下混合式教學模式。線上教學依托新疆農業大學MOOC 平臺設計完成。主要內容包括：教學視頻、知識庫、思政案例（文檔和視頻）、項目（包括課程設計）要求及模板，這些內容按照教學計劃安排，每周日固定時間在平臺上發布本周的學習任務，方便學生提前預習本周內容，了解本周項目要求，提前做好課堂準備。課程平臺結合課程教學大綱和教學計劃，在線提供了與課程相關的優質學習資料，包括視頻、文檔、知識庫等，方便學生使用[9]。其中思政部分的設計如下：

思政案例以生動形象的短視頻的方式發布，能夠吸引學生的興趣，從而加深理解和情感認同。課程思政內容的考核內容加入專業知識的知識庫中，即每周知識庫中除了對應的專業知識點之外，還包括10道思政相關的測驗題，系統自動抽題，自動判分。這種每周測驗的方式不僅有助于學生及時查缺補漏，同時也可以幫助老師及時有效地了解學生對課程內容包括思政內容的掌握和理解程度，從而對教學內容進行及時的調整。

線下課堂分為理論和實驗兩部分，理論課根據教學計劃結合線上材料展開項目驅動式的教學活動，注重知識點的理解和應用，思政案例教學穿插其中。實驗課以直播的方式進行實踐演示為主的教學，采用騰訊會議、釘釘直播的方式完成[9]，是對理論課堂實現教學的增量補充，也是對課堂思政教學的實踐擴展。直播回放可以幫助學生在課后進行重難點的復習和項目完成。實訓項目環節設置一次思政作業（如圖1實訓項目7) ，要求通過查閱文獻資料完成小論文的撰寫，作為思政內容的考核項。

2.3 課程思政案例

課程思政不是傳統意義上的思想政治理論課，要尋找專業課程知識點與德育思政元素間的“結合點”，不能生搬硬套思政理論，也不能照本宣科，要順其自然，有機融合[6]。以下是課程教學過程中融合的幾個思政案例：

1) 知識點：ARM 嵌入式處理器發展史。思政元素：家國情懷、愛國主義、自主創新、使命責任。

自2018 年至今，美國對中國發起的“芯片戰爭”，已經進入第五個年頭。歷數美國對華“卡脖子”的手段，可謂無所不用其極。2018 年4 月，美國商務部宣布7年內禁止美國企業向中興公司銷售零件，當時中興有20%~30%的元器件從美國采購，包括基帶芯片、射頻芯片等。2019 年，美國又對華為公司實施制裁，切斷其大部分海外芯片供應，并阻止其自行制造芯片，導致華為的手機業務跌入了谷底。2020 年，華盛頓擴大制裁范圍，將中國頂級芯片制造商中芯國際列入黑名單。2022 年7 月28 日出臺《2022 年芯片和科技法案》（以下簡稱“芯片法案”)[7]。“芯片法案”的實行使得國內企業就進行相關領域的國產化工作達成共識，法案的限制只能加速這一進程的推進，中國芯片業越來越重視自主替代和產業鏈安全，在過去四個季度里，世界上增長最快的20家芯片行業公司中，19家是中國大陸企業[8]。

通過這些生活的案例，深刻講解了“芯片”的戰略重要性，使學生意識到芯片行業中我們的差距和不足，激發學生的愛國主義精神和迎頭追趕的決心，樹立為國擔當的信念，學好技術勇于拼搏和奮斗，逐夢前行。

2)知識點：中斷機制。思政元素：正確看待人生路上的“中斷”和異常、遵守紀律、專注認真、直面困難、抗挫精神，樹立正確的人生觀等。

STM32F4系統微處理器采用中斷分組、多種中斷優先級方式解決復雜的中斷源優先級問題。通過課堂中老師授課（主程序）、學生不認真聽課、低頭、玩手機、睡覺、說話等事件（中斷）打斷正常進行的授課過程（主程序），主程序不得不停下來處理中斷，然后再回到授課的主程序中去這一案例，講解STM32F4系列的中斷控制、響應機制等問題，引導學生上課要認真聽講，保證主程序正常進行，對于“異常中斷”越少越好。在工作中也要認真專注，保持良好的職業素養。同時引申到每個人的人生路上，沒有誰會一帆風順，總會碰到各種各樣復雜的問題和困難（中斷），要勇于面對，仔細分析問題，耐心細致地去探究和思考，解決問題，回歸正道，而不是退縮和放棄。

3)知識點：定時器。思政元素：珍惜時間，誠信守時，嚴謹認真、一絲不茍的工匠精神。

定時器是微控器必不可少的外設，其最基本的功能就是定時處理事情。就好比上課的鈴聲一響，我們就應該坐在教室里準備上課了，引導學生要誠實守信。同時引申到人生中，每個階段都有各自的特點和設定，到了哪個階段就應該去做符合這個年齡階段的事情，每個人的生命只有一次，要珍惜時間，要“不負青春韶華，逐夢砥礪前行”。在定時器定時時間計算環節，介紹航天發射時對時間的精確要求，強調定時器定時時間的計算要一絲不茍，如果時鐘源頻率、自動裝載周期和分頻系數三個參數任一個選擇錯誤，都有可能導致計時時間錯誤，在工程上可能會導致不可預見的后果，強調要認真細致，培養學生一絲不茍的工匠精神。

4) 知識點：單總線通信，以DHT11 傳感器為例。思政元素：有得必有失、樹立正確的人生觀。

DHT11的控制和通信是單總線的方式，這是一種對硬件設計很友好，對軟件設計不友好的總線。一根線可以完成供電、時鐘、和雙向數據的功能，但是DHT11對時序要求非常嚴格，這就對軟件設計提出了較高的要求。這里引入“有得必有失”這一自然運行法則，當你得到一些東西的時候，你也會失去一些東西；相反，你失去了一些東西、也會得到一些東西，這就是很平衡的規律。不論是失去還是得到，我們都要以平常心去面對。不以物喜不以己悲，引導大學生樹立正確的人生觀，看待人生中的得失，不要斤斤計較一次的失去。

3 總結

本文以物聯網工程專業ARM體系架構與編程課程為例，分析了專業課課程思政的必要性，深入挖掘了該課程的思政資源，研究了該課程的思政教學方法，介紹了課程授課過程中課程思政教學的實施措施。本課程將思政教育有機地融入教學全過程中，讓學生在掌握本課程專業知識的同時認識科技創新的重要性，引導學生辯證地看待問題，樹立正確的人生觀，激發學生科技報國的家國情懷和青年一代的使命擔當，培養學生一絲不茍的工匠精神。本文的研究工作對專業課程與思政協同育人的目標提供一定的參考和借鑒。