新工科背景下嵌入式微处理器原理与应用实践教学建设

刘 炜，曾 鸣，田 岚

（山东大学 微电子学院，山东 济南 250100）

0 引 言

当今世界高等教育出现了多样化、信息化等革命性变化趋势，高等工程教育也从技术范式、科学范式向工程范式甚至更新的教育范式转变[1]。高等工程类本科教育的主要目标是为社会培养工程应用型人才。为保障我国产业发展，并为我国在国际竞争中提供有力的智力支持和人才保障，培养引领未来技术与产业发展的卓越技术人才，我国提出了“新工科”教育理念[2-6]。在此背景下，对嵌入式微处理器原理与应用实验课程展开教学改革与探索。

早期的微处理器原理与应用课程，教学讲解对象和实验多围绕Intel公司的80×86系列芯片。随着物联网时代的到来，起源于20世纪70年代的嵌入式微处理器已广泛应用到消费类电子、工业控制、通信、国防等领域，成为物连互通不可或缺的电子器件[7-8]。其中ARM公司的微处理器系列产品由于其特殊的IP核架构授权商业模式，占微处理器市场份额后来居上，已成为微处理器工程应用的主流产品[9-10]。为更贴近实际工程需要，教学中选用ARM公司CortexM3系列微处理器作为典型芯片来授课和实践。

嵌入式微处理器原理与应用课程是一门电子信息类专业基础课程，它通过系统讲述ARM CortexM3微处理器的原理、架构、编程和设计方法，让学生初步掌握嵌入式微处理器与嵌入式系统应用的方法。该课程的显著特点是理论与实践需结合，且实践性更强。以往的实践教学环节，由于实验装置体积较大、实验空间和时间较为固定，学生总感觉实践体验和训练不够充分。根据课程改革预期，在此改用小型便携式“口袋实验室”实验环境，规划设计实验内容，采用创新实践教学模式构建课程，强化实践环节。实验课程选用典型ARM Cortex-M3作为内核的意法半导体的STM32F1系列芯片构成主芯片实验板。针对前期有一定数字、模拟电路基础和一定编程能力的电子信息类本科生，进行边学边练、多学常练有针对性的实验改革，通过实操演示、创新课堂、翻转课堂[11]等多种教学形式，让学生更便利、更主动地参与到实验中来，再通过自由组合、分工协作，培养学生的团队合作精神和创新意识。

1 “口袋实验室”课程建设

“口袋实验室”，顾名思义是一种可以装进“口袋”的实验室。因其小巧灵活、携带方便，可以满足学生“全天候”实验要求[12]，在各高校的物联网、电子信息、计算机、控制类专业中有普及趋势[13-16]。

结合实践要求，对原有体积较大的实验设备进行了重新规划和装置选型，在保证课程基础实验前提下，配备丰富的扩展接口以方便功能扩充，定制实验板面积为6 cm×10 cm。为调试方便，将ST-link集成到开发板内，这样只需一根USB线即可连接电脑开展各种实验和调试。实验板上装有LED、数码管、按键、红外接收、蜂鸣器等多种外围器件，可独立运行常用的接口实验，如GPIO控制、按键控制、红外遥控、数码显示、串口通信、ADC等。实验板还可外接扩展套件，开展智能小车、智能光感控制等综合创新实验。图1为该实践课程定制的实验主板、套件、扩展模块以及备选的创新项目示例。教学中，引入创新项目驱动实验内容，适当采用“翻转课堂”，强化互动教学。这样，通过“口袋实验室”建设，实现了学生课下（或线下）可结合实验指导书预习实验、测试验证，老师课上（或线上）验收设计结果、答疑解惑的新实验教学模式。

图1 “口袋实验室”主实验板、扩展模块及创新实验项目

2 教学内容与教学改革

2.1 教学内容设计

2.1.1 课程分级设计

由于“口袋实验室”具备“全天候”实验可能，本文设计了由“基础讲堂”+“创新项目”+“翻转课堂”三级难度构成的教学内容。实验课程分级设计见表1所列。

表1 实验课程分级设计

其中“基础讲堂”是精选的基础实验，用于帮助学生熟悉和理解微处理器的各种原理性概念和基本外设控制方法。“基础讲堂”中，首先通过实验系统和编程环境的演示操作和学生动手练习，使学生跨进微处理器应用的门槛，掌握微处理器应用开发的具体流程和方法。进而，通过汇编基础实验及汇编程序控制GPIO实验，可让学生深入理解微处理器中的微架构（微结构）、ISA总线、存储、外设之间的关系，形成完整的微计算机体系结构认识。随后，再通过常用外设控制实验，让学生掌握串口通信、数模转换器等必用的扩展功能，为下一步进行创新实践项目做好准备。

创新项目驱动的“创新课堂”是为进一步提升学生的创新应用和团队协作能力而设计的。创新教育是我国大力推行的素质教育的重要内容，高校创新教育目标在于提高学生的创新意识和能力培养。实验课程的创新课堂，根据学生兴趣选题，自愿组合，开展创新项目实验实践。综合性的创新项目可锻炼学生对微处理器各种结构和组件的认识和掌控能力，提升他们分析问题解决问题的实际设计能力，同时切身感受团队协作的重要性。在课程的最后，通过创新项目和“翻转课堂”结合，让课堂成为项目验收和答辩的现场，师生互动讲解、回答问题，学生们互相学习、开阔眼界、拓展思路，可全面开放地考查评估学生对嵌入式微处理器原理与应用课程的掌握情况。

“基础课堂”“创新课堂”“翻转课堂”这三大课程模块的有机组合，构成一整套由基础实验逐步提升实践能力，再到创新项目驱动+翻转课堂的实践教学体系。

2.1.2 创新项目

将项目驱动式实验教学方式引入嵌入式微处理器原理与应用实验课的创新课堂，以相同或不同项目为设计目标，将同学分组，每3～6人一组，每组一个项目，组内同学分工协作。创新课堂为学生提供了功能各异的6个实验项目，见表2所列，可从多方面考察学生综合运用相关知识解决问题和协同创新能力。例如，在教室智能照明系统中，如何判断是否有人在教室、光照度采集如何摒弃偶然因素等，可考察学生对传感器使用和硬件系统的整合能力；在智能小车控制系统中，如何精确调控电机的转速、如何通过舵机调整前进方向、如何通过超声波或红外传感器进行障碍、如何进行路线控制等，能够考察学生对于电机控制、智能避障、路线选择等知识的理解和编程实现能力。

表2 创新课堂创新实验项目设计

小组完成创新项目后，以小组为单位提交项目报告，并以翻转课堂教学模式组织各团队答辩。答辩中，小组需讲解项目的整体硬件结构、软件实现方法以及每位同学的参与部分或贡献，以便打分评价，同时以现场演示或视频录像方式展示设计功能和实现效果，同一课题各小组可相互借鉴和评估水平。翻转课堂上，同学之间可直接提问、交换思路，分享自己的设计历程、项目得失，老师可择时给予设计点评和答疑解惑。通过翻转课堂互动交流，可锻炼学生的演讲、组织和团队沟通能力，以适应今后的学习和工作。

2.2 教学方式改革

2.2.1 教学场景转换

在新工科教学中，其特点更加强调实践教学环节。“口袋实验室”的建设，极大地减少了实验教学对于固定教室的依赖，实践时长不受限，这样可大大激发学生的主动学习热情和潜力，改变嵌入式微处理器原理与应用实验教学场景。配备“口袋实验室”，使实验教学场景变得更加灵活易变，对固定教室教学、网络教学、户外现场演示教学均可适时开展。

2020年突如其来的新冠疫情使学生无法回归正常学习，迫使所有教学搬到网上进行，常规的固定实验场所的实验教学计划被彻底打乱。这时，依赖笨重实验箱的实验教学被迫停止。在抗击疫情特殊时期，“口袋实验室”被便利地寄送到学生手中，通过网络平台直播授课，学生参照实验指导书，线上+线下顺利开展实验调试和实验验证，有效保证了原有的教学秩序和教学进程。

2.2.2 创新项目+翻转课堂

“口袋实验室”教学模式可充分发挥学生主观能动性和老师的因材施教，使项目驱动的创新课堂有了用武之地。创新项目与“翻转课堂”的结合，模拟构成较完整的创新研发过程，更接近工程实践，符合新工科人才培养的改革要求。以翻转课堂形式组织学生进行项目答辩、互动交流，是一种结合创新项目驱动实践教学的新模式，该模式能多方面展现学生的综合素质和创新潜力，获得学生欢迎和认可。做好这项教学改革，对教师提出更高要求，需要适时更新教学内容，搜集教学素材，优选教学案例，才能不断提高实践教学水平。

3 结 语

为适应“新工科”教育强化实践教学的新要求，本文针对高校电子信息类专业的嵌入式微处理器原理与应用实验课程的教学，从实验内容、实验环境以及教学模式等方面展开了改革和探索，建立了基于“口袋实验室”的嵌入式微处理原理与应用的实践教学体系。

嵌入式微处理器实验平台的轻量化建设使理论学习和实践教学结合得更加紧密和便利，只要给学生配备适当口袋实验板，无论线上线下教学，都能显著增强教学效果。对于实验实践教学，“口袋实验室”教学模式可贯穿基础理论、实验操作及创新设计，构建“全天候”自主学习环境，将原理性编程实验、模块级单元接口实验、多功能模块综合设计以及创新项目分级实现，摆脱了以往实验局限在固定地点、固定时间的实验场景。该教学模式不仅为学生提供了无限的实践时间和空间，充分挖掘学生实践力和创新力，而且对教师的教学能力提出更高要求。

创新课堂引入项目驱动教学环节，以创新项目为创新课堂主线，通过翻转课堂、项目汇报和答辩，便于综合考察学生灵活运用知识、解决实际问题的设计能力，拉近实验实践与实际工作场景的距离，更符合新工科人才培养理念，并获得学生普遍欢迎与认可。