应用型本科院校嵌入式课程创新能力培养研究与探索

何国锋，胡合武，杨泺冰，何进，张鹏程

（茅台学院酿酒工程自动化系，贵州仁怀 564507)

嵌入式课程是自动化类专业的一门具有较强实践意义的课程[1]，对于应用型本科教育具有重要的作用[2]。对于学生而言，要想在专业领域上能够有深入的发展，除了需要掌握一定的专业技能知识，更需要具有一定的创新能力。随着国家提出创新能力培养的要求，对于创新思维的培养应该融入每一门课中来[3]。在当下的教育中，往往只是单纯地去教会学生某一门专业知识[4]，并未与市场需求进行结合，去研究所学知识在不同行业领域的应用。这造成很多学生在学完课程后只是简单了解了知识，但并不知道如何用，往何处用的处境，更无从创新。而嵌入式课程因其具有极强的应用性，在各种领域都有着广泛的应用。通过查找文献，很少遇见对于嵌入式课程进行创新方面研究的，因此，在嵌入式课程中对于创新能力进行培养与研究是非常必要的。

1 研究安排

1.1 课程调研

经过前期的工作经验总结，想要获取更为科学的数据，就需要先进行合理全面的数据调查来支撑后序的研究工作。因此，计划先采用调查与分析结合的方法来进行研究，从而形成更加有利于学生学习的教学手段；然后再对课程内容进行整合与优化，经过实践检验效果，具体方案的安排如下：

1)通过网络查找不同高校自动化类专业，至少对20家以上国内高校嵌入式课程教材选取、嵌入式芯片选择、嵌入式课程内容安排进行调查统计，以达到全面性，并找出主流高校在该课程上的课程安排。

2)通过搜索招聘网站，针对至少30家提供嵌入式岗位的企业需求进行调查统计，总结出招聘企业的行业背景，以及企业最需要哪些技术、学生需要掌握到何种深度等信息，后期将其加入课堂教学中。

3)经过以上调查后，完成对嵌入式课程的优化与整合，并且进行小范围的授课实践，通过实践验证效果。

1.2 调研结果

1)国内高校对于嵌入式课程教材的选取

经过调查26所开设嵌入式课程的高校，目前全国本科高校在开设嵌入式课程时，大多数以51单片机作为教材入门，这在26所高校中达到了24所。而在教学上除少部分学校采用汇编语言和C语言同时教学外，大多数学校采用C语言进行教学。

2)嵌入式课程内容

对于22所使用51单片机作为嵌入式课程的高校课程内容安排进行调查，其上课内容高度集中于单片机发展史，原理与结构、汇编语言设计、IO接口应用、中断功能调用、定时器/计数器、串口中断及按键和显示，而很少将后面的SPI、I2C等总线协议、AD转换安排进课程中，如表1所示。

表1 嵌入式课程内容

3)市场需求方面调查

对于社会在嵌入式方面招聘岗位进行统计时，采取通过前程无忧、智联招聘等63个嵌入式岗位要求进行调查，发现对于嵌入式开发使用语言全部要求以C语言为主。如图1所示，明确要求C语言的岗位占了61个，汇编语言占了7个，但大多数岗位都指出同时了解汇编语言者优先考虑。最重要的是绝大多数企业要求学生具备接口技术及通信协议的掌握，如图1所示，在63个嵌入式岗位中把求学生掌握SPI、I2C、AD转换技术作为明确条件的有23个，这也在一定程度上说明了这部分内容对于嵌入式课程的重要性。

图1 嵌入式岗位要求调查结果图

同时，在所有嵌入式岗位中，企业所面向的产品开发来自各行各业，如智能穿戴产品、工控机、儿童玩具、家用电器、农业检测设备、工业制造、医疗仪器等[5]，这些企业不但要求学生对单片机要有较深入的掌握，同时希望学生具备不同行业产品设计的工作原理及结构知识。

4)学生兴趣方面

根据掌握的学生信息和对学生进行谈话调查，学生普遍期待在学习课程的时候，能够学有所用，即在学的同时能够知道这门课要做什么，在就业领域是否受欢迎，同时希望能够在学习中有具体的产品可以尝试，深入掌握专业知识的应用，与就业接轨。调查中很多同学承认上课之所以听不下课，不仅仅是课程难学的问题，而是一开始就不知道课程有什么用，能够在哪里去用，更不知道对于未来就业的重要性。

2 课程优化整合

2.1 课程优化分析

1)针对调查结果A/C，计划采用C51单片机为芯片作为嵌入式教学，编程上采用C51语言进行设计开发。由于学生在该课之前已经开设过C程序设计语言课程，因此对于C51语言的掌握会更加容易接受。在C51语言中，只需安排与标准C语言不同的内容即可。对于汇编语言，由于其后续课程《微机原理》将会涉及，本次教学改革上决定舍去该部分内容。

2)针对调查结果B/C，调整教学内容，在重点介绍单片机原理及工作过程后，增加常用通信协议和接口技术的内容，如SPI、I2C、SPI等协议，使学生在学习后能更加容易地进行外围扩展，能够针对新的器件进行编写驱动程序、完成并开发新的设计产品。

3)针对调查结果C/D，面向就业来培养学生，使课程方案更加符合应用技术型人才培养的目的。在课程安排中，侧重强调学生的实践能力，重点在课堂中穿插一些该课程在其他专业领域中的应用及产品构想原理，使学生具备更加开阔的思维，更容易产生创新思维，增强学生学习兴趣与对课程的期望。但考虑到课时限制，课上主要以举例引导、应用分析为主，把学生从课上引到课下，发挥学生自主学习与实践的能力。

2.2 课程最终优化结果

通过上一部分的调查结果与分析总结，计划将课程内容做如表2所示调整安排。其中，学院培养方案中，《单片机原理与应用》课程共计48个学时，因此，在课程内容中，总计安排46学时内容，预留2学时机动教学或进行复习。

表2 课程优化调整表

以上内容包括实验安排12个学时，分别为LED8位流水灯和数码管显示实验、按键中断实验、定时器与计数器实验、串口通信实验、SPI/I2C总线协议实验、AD转换实验。

为了更好地应对企业需求，在按键中断中，扩展了按键去抖动的原理及方法，以及矩阵键盘的内容；在定时器与计数器中，专门针对计数器在车速测量时的应用；在串口通信实验中，不仅要求学生掌握串口通信，同时普及如何将通信的数据进行封包与解包，从而使接收数据时不会乱码；在SPI/I2C实验中，通过协议对Flash芯片数据进行读写，使学生了解总线协议的重要性；在AD转换实验里，使学生领悟所有模拟数据，最终都可以直接或间接地通过传感器转化换为电压，再通过AD进行测量出来，以明白AD转换的重要作用。

3 课程实践与效果

3.1 课程实践

课题依托于茅台学院双创实验室，针对实验室内10名同学进行授课培养，在培训课程中，加入了课程在医疗仪器及生物信号检测与处理、无人机与飞控系统、智慧农业的土壤与温湿度检测、物联网等领域的应用串讲，如表3中所列内容。学生听过后，能够根据自己感兴趣的方向，更深入地进行研究。如在进行无人机飞控架构的讲解时，学生兴趣很高，学习主动性也很强，课后寻问各种嵌入式设计思路的同学也很多。同时，借助实验室环境组织学生及时动手进行实践，使学生掌握基础后，能够快速在不同领域进行应用，验证并加深对理论内容的理解。

表3 课程中引入的扩展例子

3.2 比赛组织

在教学内容调整的同时，收集一些与本课程有关的专业类比赛，鼓励与组织学生积极参与，使学生在比赛中增加动力，进行应用与创新。如杨泺冰同学的“共享耳机”项目获得2020年“贵州省大学生创新创业训练计划平台项目”立项资助，如图2所示。胡合武等3位同学的“无人驾驶智能公交车系统”获得2020年“贵州省大学生电子设计竞赛”三等奖，如图3所示。另外，其他6名同学组成的2组队伍在语音控制方面也完成了作品的整体设计和报告撰写，并成功参赛。

图2 双创立项图

图3 省电子设计竞赛获奖图

4 总结

应用型本科院校学生创新能力的培养，一直是国家所倡导的，也是每位科教工作者努力探索的方向。通过调整后的嵌入式课程培养方案，学生在学习主动性与创新上都有所提升，并且对创新设计类比赛热情很高，在双创项目与电子设计类比赛上都有所收获。以上表明嵌入式课程创新能力培养研究与探索方案较之前是有效的，当然由于课时所限，部分内容学时较为紧张。在后序教学研究中，会针对该方面继续进行研究：一是调整学时，二是充分调动学生课后的积极性、实践性与创新性。