新工科建設背景下嵌入式接口技術與應用教學創新探索

關鍵詞：新工科；產學合作；接口應用

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）25-0140-03

0 引言

新工科教育強調培養學生的多元化應用能力，以立德樹人為核心，秉持應對變化、塑造未來的建設理念，通過繼承與創新、交叉與融合、協調與共享等途徑，致力于培育未來多元化、創新型的卓越工程人才[1]。面對新興應用場景與技術的快速發展，學生需整合專業課程中的知識點，結合實際需求，構建知識模塊，形成系統解決方案。在教學過程中，教師應緊跟技術前沿，挖掘行業應用場景，以解決實際問題及接口應用為導向，不斷更新教學內容[2]。鑒于信息產業的高速迭代，高校與企業合作，利用企業資源開展師資培訓，將最新行業技術引入課堂。產學合作協同育人項目有效促進了學校與企業、產業的深度融合，提升了教師的實踐能力。本文聚焦于計算機硬件接口技術，探索教學內容與方式的創新，旨在逐步增強學生的動手能力及解決實際工程問題的能力。

1 計算機專業接口技術應用教學目前的問題

分析本校計算機專業所開設的數字邏輯、計算機組成原理、操作系統、嵌入式與接口技術、計算機體系結構等硬件課程教學內容，硬件系列課程從體系結構上劃分為三個層次：基礎層、應用層和提高層?；A層為數字電路與計算機組成原理，主要講述計算機硬件系統的數字邏輯電路基礎知識、計算機五大部件的實現及它們之間的聯系，讓學生建立一個整機的概念；在應用層中，嵌入式與接口技術介紹嵌入式系統的內部和外部接口特性，使學生在掌握基礎知識之后能夠掌握接口的使用；提高層為計算機系統結構、專業能力綜合實訓、計算機組成與結構課程設計等，通過集中的實踐環節，使學生具備一定的計算機系統的軟硬件分析設計能力。

然而，當前教學中存在硬件與軟件課程知識交叉不足、硬件課程間銜接不緊密的問題，導致知識點重復或缺失，學生難以構建系統的知識體系，實際應用能力受限。學生往往局限于孤立的知識點，缺乏整體視角，難以在復雜工程問題中靈活應用所學知識。面對高難度的學科創新競賽作品設計，學生難以有效融合已有知識進行創新，理論與實踐脫節。

此外，課堂教學偏重理論講授，接口機制講解占據較多時間，內容相對枯燥抽象，學生理解困難。實驗教學中仿真軟件使用頻繁，而硬件設備操作不足，導致學生硬件測量技術薄弱，工具使用不熟練，數據分析流程不清晰，調試能力欠缺。接口技術作為連接不同系統或組件的關鍵，若缺乏系統學習，僅憑零散知識和經驗，難以在實際應用中發揮其優勢。

2 教學內容與方式的探索

2.1 應用場景的設計

在智能車、自動駕駛、人工智能等新興產業與技術的背景下，軟硬協同設計能力顯得尤為重要，這恰好契合了計算機科學與技術專業應用的發展方向。在探索課程應用時，應盡量選擇既專一又便于拓展的方向。鑒于實際課程中常用的51單片機，課程組選擇了以智能車為例的智能控制應用方向。智能車作為一個集成了環境感知、規劃決策等功能的綜合系統，綜合運用了計算機、現代傳感、信息融合等技術，并隨著電動車行業的蓬勃發展，展現出廣闊的應用前景[3]。學生在課后或第二課堂的競賽中，可以繼續拓展應用，或根據個人在軟硬件方面的專長深入鉆研，以滿足課程組設定的應用場景需求。

2.2 接口技術應用與教學內容融合

以接口的應用為主，通過智能小車的行駛實驗將GPIO接口、中斷系統、定時器、串行口、顯示等模塊串聯起來，形成一個系統的作品。接口技術與教學案例相融合，設計小車驅動前進、小車按鍵啟動、小車PWM調速、小車避障、無線遙控、調整姿態和屏顯觸控等10個教學案例。利用積木式搭建模塊的方式，學生每學完一個內容能完成一個模塊，最終完成一個智能小車的設計。這種以硬件實例為驅動，從易到難漸進式的教學方式，不僅激發了學生的學習興趣，還顯著提升了他們的實踐動手能力。后續，學生可通過參與“藍橋杯”或“智能車比賽”等活動，創作出更高階的作品。

在接口教學過程中，首先通過應用場景引入，引導學生思考如何拆解工程問題；隨后講解接口的使用方法，并指導學生完成部分程序編寫；接著深入分析內部實現機制，完善所有控制程序；最后總結工程中的理論知識，以加深學生的理解。例如，在實現小車避障功能時，先指導學生編寫程序實現避障功能，再探討中斷的內部實現過程，進而擴展到其他四個中斷源的使用，學習如何有效管理中斷源，并最終總結中斷機制的理論知識。這種以實例為引導、應用為導向的教學模式，使學生在學習過程中既鍛煉了實踐能力，又鞏固了理論知識，實現了理論與實踐的有機結合。

在工程實踐中，注重硬件設備的測量與仿真軟件相結合。在I2C接口應用中，利用虛實結合的方式對傳感器數據測量。學生在仿真軟件、硬件實物兩種不同情景下，對同一接口進行信號測量。虛擬仿真環境可以快速熟悉相關知識，實物測試可以讓學生深刻掌握器件的特性。在Proteus中仿真電路時，可以使用實際硬件測量的數據來作為輸入，確保仿真的輸入條件更加貼近真實情況。在真實的工程應用中，元件器的特性和測量方法對系統調試很重要。利用普源提供的虛擬仿真平臺和設備儀器，采用課下仿真、課堂實踐實物融合的方式，能給學生提供更多的實踐機會，可以有效提升學生的實踐能力。

2.3 產教融合促進教學

教學的實施離不開教師的努力，而教師也需要不斷提升個人的專業技術能力和工程實踐能力。加強與企業的合作，圍繞常用的接口技術應用實例開展師資培訓和教學案例的優化顯得尤為重要。當前，一些高校教師更注重理論和方法的研究，以及科研論文的撰寫，但在與產業結合方面尚顯不足。通過參與培訓和溝通，加入企業的真實項目，教師可以更好地了解當前行業需求，進而反饋到教學中，提升課程的適應性和實用性。建議安排教師在企業中進行短期或周期性的參觀或實踐工作，通過實地參與企業的項目開發和日常運作，提升教師的實戰經驗和產業理解能力[4]。同時，可邀請產業界的專家或工程師作為客座講師，分享他們在接口技術應用方面的經驗和最佳實踐。在師資培訓過程中，應遵循漸進原則，根據教師的個性差異進行分層次的培訓[5]。在實施過程中，應選擇適當的技術難度，確保教師有足夠的提升空間，避免因技術難度過高而喪失積極性。

此外，結合嵌入式比賽的相關知識點，與企業共同探索高層次的應用創新人才培養機制。同時，可以將優秀的學生推薦到企業進行實踐，通過共同的項目合作方式，實現協同育人的目標。

2.4 優化課程考核方式

傳統的課程設置中，成績構成主要包括平時成績、實驗成績和期末成績，其中期末成績占比高達70%，相對較重，而平時成績僅占10%，實驗成績為20%。這導致學生往往更為重視期末考試的卷面成績。為了改善這一情況，建議增加平時成績的權重，可提升至占總成績的25%。在重新分配的平時成績中，應增設課程作品考核環節，要求學生期末以小組為單位提交實物作品，并通過小組答辯的形式展示其成果。這一過程不僅能鍛煉學生的動手能力、團隊協作能力，還能積累寶貴的工程實踐經驗，有效促進學生將理論與實踐相結合，同時增強學生的課程學習成就感。

3 結束語

借助產教融合的項目契機，我們應與企業工程師密切交流，通過培訓與學習，不斷提升教師團隊的工程實踐能力。進一步地，應與企業合作探索教學內容與實踐方式的革新，特別是在嵌入式接口技術的教學中，應引入智能車行業的背景知識，著重強調接口應用的工程實踐。在教學過程中，利用場景化的興趣引導，結合虛實融合的實驗環境，為學生提供更為便捷的實踐條件。經過一段時間的嘗試與探索，學生對課程的學習積極性顯著提升，參與嵌入式比賽的學生人數及獲獎人數均有所增加，進而提升了學生的就業競爭力。產學合作育人是一項長期且需持續努力的工作，它要求我們在與企業不斷磨合的過程中，繼續深化合作，力求為學生提供更多樣化的實踐案例和工程項目。