嵌入式控制课程教学研究与探索

王皖君 林原灵

摘要：嵌入式控制课程知识点多、实践性强，在有限的学时内高效率高质量教学是一项挑战性工作。为了提高教学效果，针对目前教学活动中的问题，研究与探索课程教学内容和教学方法，提出根据教学内容的特点采用启发式教学、案例教学和项目驱动教学，并给出课程综合评价方式。教学实践表明，学生的学习兴趣和综合实践能力明显提高，取得了良好的教学效果。

关键词：嵌入式控制;教学内容;启发式教学法;案例教学法;项目驱动教学法

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）15-0142-03

Abstract： Embedded control course has many knowledge points and strong practicality. It is a challenging work to teach with high efficiency and high quality in limited class hours. In order to improve the teaching effect， aiming at the problems of the current teaching， teaching contents and teaching methods were studied and explored. Heuristic teaching， case teaching and project driven teaching according to the characteristics of teaching contents were proposed， and the comprehensive evaluation method was addressed. Teaching practice shows that students' interest in learning and comprehensive practical ability had been significantly improved， and favorable teaching effect has been achieved.

Key words： Embedded control; teaching content; heuristic teaching method; case teaching method; project driven teaching method

1 引言

嵌入式技术是工业控制、仪器仪表、汽车电子等行业的关键技术之一，掌握嵌入式技术已经成为相应领域从业人员必备的基本技能，因此，嵌入式控制是國内外仪器类、电子信息类、自动化类等专业的核心专业课、支撑毕业要求和培养目标的重要课程，在培养方案中占有重要地位[1-2]。本课程具有知识面广、综合性强、实践性强和发展更新快等特点，同时又与专业背景有关，在有限的课时内讲解嵌入式控制的重难点、并培养学生应用嵌入式技术解决复杂工程问题的能力对教师的教学方法与能力是一个挑战。本文针对嵌入式控制的教学现状，以提高教学水平、教学效率和教学效果为目标，研究与探索嵌入式控制课程的教学内容和教学方法。

2 教学现状

嵌入式控制课程涉及C语言程序设计、微机原理与接口技术、单片机原理与应用、嵌入式操作系统等诸多专业课程，课程知识点重叠交叉较多，教学实践中往往事倍功半。为了提高教学效果和人才培养质量，需要研究与探索嵌入式控制的教学环节并改进。根据作者调研，目前的教学实践中存在的问题体现在：

学生反应嵌入式控制课程中涉及很多专业名词和概念定义，尤其是各种片上外设的寄存器，在传统教学过程中，教师通常按照教材章节内容授课，教学过程十分枯燥，学生学习兴趣逐渐丧失，这是因为嵌入式控制中涉及的硬件设计知识点比较松散，学生在课堂上学习时费劲，导致课堂氛围不活跃。

培养方案对嵌入式控制课程的实验教学学时分配不足，实验内容的深度和广度不够。嵌入式控制课程教学内容较多，而分配到各个知识点的学时有限，目前与本课程配套的实验以验证性实验为主，缺乏合适的综合性和开发性实验。实验教学只能辅助学生了解嵌入式系统的基本概念和原理，熟悉嵌入式系统开发的基本步骤和流程，无法培养学生解决复杂工程问题的能力，这与高等教育的前沿性不匹配，学生的专业能力不能与社会需求相匹配[3]。然而，嵌入式控制课程的实验教学环节非常重要，理解和掌握嵌入式控制需要通过足够学时的实验教学活动才能培养学生的开发和设计能力，现有的课程学时难以满足对该课程全面、深入的教学。

教学效果方面，面对复杂工程问题时，学生不能运用相关的知识提出解决方案和措施，具体表现为学生综合应用能力不强，缺乏分析问题和解决问题的能力。主要原因在于课程内容与专业、应用背景脱节，而且传统教学方法对知识点的讲授与应用练习都是单独进行的，没有及时与工程案例相结合，学生往往当时能听懂、会练习，但到真正在解决实际问题时需要综合若干知识点，却不能根据实际情况灵活运用已学过的知识，从而失去学习的兴趣，导致教学效果很不理想。

教学方法方面，以讲授法为主，按照教材的章节顺序讲授教材中的知识点，再通过实例讲解知识点应用方法，不能培养学生自主学习和探索能力。

课程评价方面，考核方式不合理，由于高等学校教学标准化管理的片面性，目前嵌入式控制的考核方式仍然采用传统的闭卷考试模式，试题无法科学评价学生课程目标达成情况[4]。学生投入较多时间记忆课程中的概念和名词，而嵌入式控制的课程目标是学生能应用嵌入式控制解决复杂工程问题。嵌入式控制课程的考核环节不合理，无法准确、科学评价学生对课程的掌握程度，教师无法持续改进教学方法和教学内容，无法满足工程教育培养应用型人才的要求。

3 教学内容研究

目前，嵌入式控制领域有多种不同型号的微控制器、嵌入式操作系统和开发工具，教学研究需要首先确定合适的教学内容。经过调研和对比，作者所在课程组确定以“STM32微控制器和嵌入式实时操作系统uc/OS-II”作为教学平台。选择STM32微控制器是因为目前嵌入式控制领域广泛采用该控制器作为硬件平台，科研领域和就业市场都有较大的需求。嵌入式实时操作系统uc/OS-II是一个源码开放的操作系统内核，非常适合初次接触嵌入式操作系统的学生，避免学习Linux的畏难心理，这使学生更加充分理解操作系统的内核及其工作原理，为将来学习Linux奠定扎实的基础。教学实践表明，选择该平台可以降低初学嵌入式控制的难度，同时激发学生对嵌入式控制学习的兴趣，而且可以充分利用网络资源进行学习。

嵌入式控制课程的教学内容可以分为三个层次：（1）基础知识，主要包括GPIO、定时器、中断、ADC和UART等，这部分内容和其他微控制器基本相通;（2）综合应用，该内容是教学的重点和难点;（3）嵌入式操作系统，该部分内容可根据专业背景有选择地进行教学。由于存在着内容多和学时有限的矛盾，为了能在有限的时间内让学生掌握核心内容，在后续学习和应用中具备自学能力，精选教学内容至关重要，课程内容应根据专业特征以及教学对象进行调整和补充。在教学中应根据专业背景的实际情况，参照课程教学大纲，选择的教学内容尽可能覆盖知识点，而且在后续内容教学的同时能对已讲授内容进行复习。

在有限的学时内达成嵌入式控制的课程目标，使学生能应用嵌入式技术的软件和硬件资源解决复杂工程问题是课程教学的目的。作者的教学思路是将教学内容与工程实践相结合，突出应用背景，将复杂工程问题抽象出共性的教学内容。如GPIO是嵌入式控制器的最基本的功能，在讲授时，通过介绍嵌入式工程应用中检测各类开关、按键以及控制指示灯、继电器等，对GPIO进行教学。嵌入式控制器提供了丰富的定时/计数器，教学过程中与PWM知识结合，介绍PWM在电力电子、电机控制等领域的应用。

4 教学方法探索

传统教学模式主要讲授嵌入式控制器与操作系统的基本概念和原理，随着教学内容的增加，学生学习比较困难，需要具有微机原理与接口技术、单片机原理及应用和C语言程序设计等专业知识才能理解知识点，教师需要根据教学内容选择合适的教学方法。

4.1 启发式教学法

在嵌入式控制课程教学中，需要转变传统教学模式下师生的角色，教师从知识的讲解着转变为引导者，学生从知识吸收者转变为知识探索者[5]。在微控制器硬件资源部分的教学时，教师引导学生发掘嵌入式微控制器硬件资源与微机原理、单片机的相通和不同之处，启发学生应用已掌握的微机原理、单片机的知识体系和学习方法来学习嵌入式控制器的硬件资源，从而可以高效率地学习嵌入式控制，这种教学方法可以使得学生快速入门，并理解嵌入式技术。

4.2 案例教学法

案例教学法依托典型的实例对所涉及的知识点进行教学，这种教学法目标明确，具有直观、实用的特点，能迅速吸引学生的注意力，提高学生的学习兴趣和积极性[6]。应用案例教学法适合嵌入式控制器的硬件资源教学，在教学过程中不以教材的章节顺序进行授课，而是以案例为中心，通过综合讲解精心选择的案例，使学生更好地掌握知识点，并把要学习的知识点融入具体案例中来讲授，教学过程强调学以致用，在应用中学习。例如，按键和LED是嵌入式控制中常用输入输出设备，可从工程项目中抽象出案例，用于教学时由浅入深，程序代码在前期案例的基础上修正和完善，作者在教学实践过程中，从最基本的驱动LED显示开始入门，再增加按键控制LED;学习定时器知识点后，通过时间控制流水灯显示，由定时器控制流水灯的显示间隔;在讲授中断和事件知识点时，选择在中断服务程序中控制LED作为教学案例;在学生掌握GPIO、定时器和中断知识点并能设计按键和LED功能后，再深入和完善教学案例，如按键功能增加短按、长按、组合按键等，LED显示功能则拓展为数码管显示、液晶显示器显示，定时器选择输出PWM、检测PWM周期和脉冲宽度作为案例，并能够通过按键调节PWM的周期和脉冲宽度。实践表明，案例教学法效果明显优于传统教学方法。

4.3 项目驱动教学法

项目驱动教学以学生为主体、教师为主导，是一种主动探究型教学方法，通过项目背景、团队合作、技术交流等学习环境要素充分发挥学生的主动性和提高学习兴趣，并激发创新意识，达到培养学生自主学习的能力和解决复杂工程问题的能力[7-8]。项目驱动教学实践过程中需要设计项目、分解项目、知识教学、项目实施和项目评价等环节，其中，设计项目是项目驱动教学的关键，项目工作量和复杂程度需要与学时学分匹配，而且与专业背景相关，并能包含教学大纲规定的重难点。在教学实践中，作者选择植物生长环境信息采集系统作为教学项目，项目包含人机接口、数据存储、模数转换、串口通信、定时中断五个模块，在知识教学中，综合应用启发式教学法、案例教学法，使学生掌握项目实施所需的重难点，项目实施时按模块分组，培养学生团队协作和沟通能力，项目评价通过汇报、答辩和演示等多元化方式进行评价，并需要增加拓展和创新能力的评价比重。

5 评价方式改革

作为工程教育的核心课程，嵌入式控制课程的实践性和综合性非常强，评价学习产出结果达成度需要从作业、理论、实验和设计四个方面进行多环节综合评价。作业是平时教学活动的补充，是教学示例的扩展，考核学生知识的掌握程度和举一反三、触类旁通的能力;理论考核采用简答或分析题的形式，重点考核学生对嵌入式系统软件和硬件的基本概念以及嵌入式应用的方案设计能力。实验通过验证性实验和综合实验考核学生的动手实践能力，根据实验内容的完成情况和实验报告的撰写情况评分。设计通过具体项目考核学生解决复杂工程问题的能力、团队协作能力、沟通能力和项目管理能力等，可选择电子设计竞赛、机器人竞赛或科研项目中的嵌入式控制问题。

6 结论

为了提高嵌入式控制的教学效果，在教学实践的基础上，本文研究与探索教学内容和教学方法。在教学内容上，应联系实际选择相关应用领域的案例，并根据专业选择教学内容;在教学方法上，应针对教学内容和学生的实际情况，根据每种方法的优势和局限性，将不同方法进行优化组合，以达到最好的教学效果。嵌入式控制的教学质量涉及诸多方面的因素，需要教师不断地探索新的教学方法和教学模式，达到课程目标。

参考文献：

[1] 童英华.应用型本科院校嵌入式教学探讨[J].微型電脑应用，2012，28（5）：7-10.

[2] 徐力.面向工程教育认证的嵌入式系统课程实践教学改革[J].信息与电脑（理论版），2016（20）：235-236.

[3] 付琳， 江世明. 新工科背景下的地方本科高校嵌入式系统课程实践教学改革的探索[J]. 高校实验室科学技术， 2019（3）：36-38.

[4] 郭慧，王雨晗，王毅.基于OBE模式的嵌入式系统课程教学改革探索[J].西部素质教育，2019，5（2）：195，197.

[5] 王洁.基于工程教育认证的“嵌入式系统”课程改革与探索[J].电子商务，2020（6）：87-88.

[6] 李传娣，赵常松.嵌入式系统课程教学方法的改革与实践[J].理论观察，2019（1）：144-146.

[7] 田金琴，王晓峰.项目驱动的嵌入式系统教学方法研究[J].教育现代化，2016，3（40）：184-186.

[8] 张浩，陈勇，程玉柱.项目驱动式案例教学法在“嵌入式系统”教学中的应用[J].中国电子教育，2012（4）：48-50，58.

【通联编辑：王力】