基于项目驱动的“嵌入式系统原理及应用”课程研究性教学探索

万里冰，郭保青，霍凯

摘    要：“嵌入式系统原理及应用”课程具有内容多、实践性强的特点，以培养学生的计算机测控技术工程应用能力为目标。文章基于研究性教学理念，采用教师讲授与学生实践操作紧密结合的教学模式，通过项目驱动、讲练结合和专题研究等教学方法，强化学生对知识的理解和应用能力，有效调动学生学习积极性，拓展综合能力，促进学习与研究的有机结合。

关键词： 嵌入式系统；项目驱动；专题研究；教学探索

中图分类号：G642.0          文献标识码： A          文章编号：1002-4107（2023）06-0068-03

研究性教学是指在教学过程中，学生在教师指导下通过以“自主、探究、合作”为特征的学习方式对当前教学内容中的主要知识点进行自主学习、深入探究并进行小组合作交流，从而较好地达到课程目标要求的一种教学模式[1]。近年来，研究性教学已引起了国内外部分高校及学者的关注，并进行了广泛的研究和实践。项目驱动教学则是指教师将课程主要知识点融合到项目，通过课堂讲授与项目实训相结合的方式使学生掌握课程知识点并提高学生的实践能力[2-3]。“嵌入式系统原理及应用”是北京交通大学机电大类专业一门重要的专业基础课，课程内容是以STM32F1系列微控制器为核心，讲授嵌入式应用系统的基本原理和设计方法，为解决测控系统复杂工程问题奠定基础。该课程具有应用性、实践性强的特点，使其较为适合开展讲授与项目实践相结合的研究性教学。为了帮助学生更深刻掌握嵌入式系统相关知识，提高解决实际工程问题的能力，课程组通过项目驱动、讲练结合、课堂实验与课下实训相结合等多种教学形式，开展了研究性教学的探索和尝试。

一、研究性教学方案的建立

（一）确定课程目标

“嵌入式系统原理及应用”课程的主要任务是让学生学习STM32 Cortex M3体系结构、指令系统、开发环境、各类硬件资源及系统设计方法，培养学生进行嵌入式系统硬件开发与软件编程的能力。在对课程内容进行了梳理，并对沿袭多年的传统教学方法的不足进行了分析之后，根据课程所支撑的毕业要求指标点确定课程目标为以下几点。

一是能够解释说明嵌入式系统的基本知识、基本工作原理，并能正確运用STM32 ARM软硬件系统构成的基本原理和基本设计方法，为解决测控系统复杂工程问题奠定专业基础。二是能够应用本课程所学基本原理及基本设计方法结合文献检索等，针对测控系统复杂工程问题的设计开发要求，明确设计目标并进行功能原理分析，提出可行的系统设计方案。三是能够正确运用相关仪器设备完成微型计算机软硬件系统的设计实验，记录实验过程，进行结果分析，获得实验结论。

四是能够正确运用STM32常规开发工具，开展测控系统复杂工程问题的仿真、分析、综合调试与设计。

（二）项目驱动的研究性教学方案构建

作为一门微处理器应用类课程，本课程内容涉及嵌入式处理器资源较多，而实践是学生牢固掌握本课程知识的必要手段。因此，本课程教学强调课堂讲授与动手实践相结合，通过大量实验及项目实训提升学生对嵌入式系统的设计与运用能力。为适应课程应用性、实践性强的特点，课程组构建了项目驱动的研究性教学方案，确定主要依托课堂实训项目、设计性实验、研究性专题三种教学方法开展本课程的研究性教学，教学方案构成及相互之间关系如图1所示。教学方案以学生亲手进行项目实践操作为手段，以强化学生对知识的理解和应用能力，形成教师讲授与学生动手实践的紧密结合。

项目驱动的研究性教学方案需要与课程知识点紧密相关的实践项目以及嵌入式硬件系统的支撑，因此课程组首先针对STM32微控制器的硬件资源，设计供学生课上实践用的实验项目，以实验项目驱动学习，项目内容紧密结合工程案例或研究性专题，难易选取得当。其次，为切实提高学生的硬件开发与软件编程能力，真正实现以项目驱动课程学习，课程组研制了便携式开发板，并批量制作，将开发板分发给每一个学生。基于便携式开发板，学生在课堂上能立即进行实践操作，通过讲练结合的方式，结合课堂研讨，解决学生的能力拓展问题；同时，学生在课下也可以完成对软硬件设计作业和实验的验证，实现学生课上、课下随时随地能开展实践项目。

二、项目驱动研究性教学的实施

（一）便携式开发板的研制

硬件资源丰富、工作可靠、便于应用与携带的开发板对学习嵌入式系统课程具有重要意义，也是开展项目驱动的研究性教学的基础，课上的项目实训、实验室实验以及课下实践作业的完成均需嵌入式开发板。因此课程组研制了与课程内容匹配的便携式开发板系统，系统采用ST半导体公司的STM32F103VCT6微控制器为主控芯片，可通过USB口或X12插针两种方式提供5V工作电源，输入电流不大于500mA。输入5V电压经转换电路后变为3.3V，标记为P3v3，可通过X1插针为其他器件提供3.3V电源。

开发板采用ST LINK仿真器进行程序调试和下载，具有LED发光二极管、按键、OLED显示屏、传感器DS18B20或温湿度传感器DHT11接口、光敏电阻、8MB的FLASH存储器、SPI扩展模块接口等硬件资源或接口。开发板主要功能如下。

（1）3个LED发光二极管和3路幅值3.3V的数字量输出口；（2）4个按键；（3）4位0.36吋共阴极LED数码管；（4）1片0.96 吋IIC接口的128x64OLED显示屏；（5）1路USB转RS232电路（CH340C）；（6）1路单总线温度传感器DS18B20或温湿度传感器DHT11接口；（7）1路模拟量输出的温度传感器AD590电路；（8）1片8MB的FLASH存储器（华邦25Q64）；（9）1个TTL电平的串口扩展模块接口；（10）1个SPI扩展模块接口； （11）34路外扩接口。

（二）项目驱动的课堂教学

课堂讲授是知识传播的重要环节，“嵌入式原理及应用”课程内容多且知识点琐碎，学生在课堂学习中常感到理解困难，实践时无从下手。在教学过程中为了提高学生的学习兴趣和热情，在课堂中积极思考并能参与到教学过程中，结合课程的应用性、实践性强的特点，课程组采用了“项目驱动”这一教学方法[4-5]。

根据每一章节的课程内容和要求，课程组设计了便于在教师课堂讲授后可立即开展的学生实训项目。例如，在“STM32 GPIO控制”这一章中，教师设计了LED点亮控制的课堂实训项目。课堂讲授时，将日常生活中的街边霓虹灯种类、应用和显示形式引入课堂教学内容，同时从微控制器选择、人眼视觉暂留、滚动显示等方面剖析系统功能和控制方法，使得作为初学者的学生对嵌入式应用系统产生感性认识，同时认识到应用本课程知识可以解决很多日常生活中的实际问题，进而产生对这门课的浓厚兴趣。在讲授“计数器/定时器”单元时，先以如何测量方波的宽度和频率引导学生思考，因为此问题易于理解且与学生日常学习和生活密切相关，能快速吸引学生的注意力，激发学生的思考和学习热情，并实现了师生的良好互动。基于课程大纲要求和课程章节安排，共安排了10个课堂实训项目，项目名称分别为LED点亮控制、LED流水灯控制、基于中断的LED亮灭控制、基于外部按键中断的计数器设计、1秒定时的获得、PWM波的产生、字符串的发送和接收、基于通信的按键状态采集显示与控制以及基于SPI的25C64存储器读写。教师在课堂上讲授完本章节知识点的主要内容后，即要求学生立即进行程序编制，并基于自己的开发板上进行程序调试和下载，教师在学生的课堂项目实训中主要担当引导和答疑解惑的角色。“项目驱动”下的学习使学生在课堂上能立即进行实践操作，教师通过讲练结合的方式，结合课堂研讨，促进了学习与研究一体化，解决了学生的能力拓展问题。

（三）实验室实验

基于课程大纲要求和课程章节安排，共安排了6个实验室实验，实验项目分别为LED显示控制、方波输出与频率检测、LED呼吸灯与电机调速、基于I2C的液晶控制、A/D、D/A及DMA数据转移以及uCOS-III操作系统验证。实验室实验的特点是具有一定的设计性和综合性，要求学生在实验前必须完成实验程序的设计，在实验室实验过程中主要完成系统的软硬件联合调试，修改程序错误，实现系统预定功能。完成实验后要求学生撰写详尽的实验报告，锻炼学生的总结能力，也为撰写科技论文奠定了基础。

（四）研究专题的开展

为帮助学生建立系统设计的意识，并能够完成功能较为完整的嵌入式应用系统的开发，课程设置了专题研究的环节。专题题目具有一定的综合性和工程背景，要求学生以4人为一组，组内学生分工和协作，在课后进行具体的设计开发工作。专题研究应按照工程项目研发的步骤展开，学生经过文献检索、技術资料分析与总结以及系统需求分析后，建立符合题目要求、能够实现系统预定功能的总体设计方案，完成嵌入式应用系统的功能模块划分、元器件选型、接口电路设计和软件开发。研究专题基于分发到每个学生手上的开发板进行软硬件联调，通过运行结果验证系统设计的正确性和完整性。

研究专题的主要考核点为系统方案设计、系统预定功能完成情况、PPT制作与讲解、专题报告四部分。要求系统方案要完整，传感器选型及调理电路正确，PPT制作美观规范，讲解清楚。针对专题报告的撰写提出明确和具体要求，要求学生按照报告模板撰写，格式应规范。其中，文献检索要求不能少于15篇期刊论文，在报告中要有对应标注，报告中应有系统设计的社会性和经济性分析，以满足课程目标和工程专业认证的相关要求。项目答辩和演示安排在课内进行，由每一小组全部学生对该组的设计方案、软硬件设计和运行结果进行讲述和演示，演示结束后由教师和同学提问。研究专题成绩主要依据学生对资料查阅总结情况、系统功能实现程度、小组分工与合作、报告完整与规范、演示答辩和回答问题情况，学生研究专题成绩则以一定比例计入课程最终期末考核总成绩。研究专题的设立锻炼了学生理论联系实际的能力，促进了学生对课堂基础知识的吸收和运用。学生在专题研究的过程中，真正体验到了嵌入式系统设计开发的乐趣，增加了对专业的理解和热爱，为后续课程的学习和毕业设计奠定了坚实基础。研究性专题的开展也使学生意识到网络资源的重要性，培养了学生借助互联网资源解决问题的习惯。项目小组成员间的分工与协作，也培养了团队精神，使学生体会到工程项目设计中分工与合作重要性。

（五）课程综合考核方法的设计

考核方式直接影响学生对课程的重视程度以及学习效果，科学、严谨的考核方式能有效促进学生学习的积极性，提高教学质量。由于本课程实践性强的特点，课程考核方式具有一定的特殊性和复杂性。由于在课上、课下引入了大量的实践操作，课程的综合考核方法成为重要问题。课程组建立了与课程教学模式和特点相适应的课程综合考核方法，将评价和考核融入学生课程学习的全过程，课上以课堂实训实践项目完成情况、实验室实验完成情况为主要考核依据，而课下以实践作业完成质量、研究专题完成情况、实验预习情况、期末上机综合实践项目完成情况为考核依据，形成过程性与总结性评价有机结合的课程综合考核方法，课程主要考核环节及各环节成绩占课程总成绩的比例如表2所示。

研究专题占期末总成绩的15%，主要考核点为小组分工、系统方案、系统预定功能完成情况、PPT制作与演示、专题报告撰写情况。系统方案应完整，模拟出智能家电的主要功能，传感器选型及调理电路正确，基于研究方案完成的系统设计应在开发板上模拟完成系统预定功能。研究报告作为学生对整个专题研究的一个总结，报告质量主要从报告格式规范性与完整性、报告内容两方面进行评价，总体上要求撰写态度认真、格式规范、结构完整、内容详实、举例恰当、图文并茂、篇幅符合要求。为了进一步提高设计报告撰写质量，课程组编写了《研究专题指导书》和《研究报告模板》，其中明确而详细地规定了报告结构、格式以及应包含的内容，要求学生在设计报告时要有专门的章节来阐述非技术性毕业要求相关问题，撰写内容也应覆盖课程大纲规定的课程所支撑的全部非技术性毕业要求指标点，并对每一部分内容制定了较为详细撰写要求。

三、结论

基于项目驱动的“嵌入式系统原理及应用”研究性教学模式将教学工作中教师的主导作用和学生的主体作用有机结合起来，通过课堂实训项目、实验室实验、专题研究等多种形式展开教学活动，有效地调动学生主动思考和学习的积极性，锻炼了学生综合运用所学知识解决实际工程问题的能力，促进了学习与研究的有机结合。

参考文献：

[1]张妍.“微机原理及应用”研究性教学模式探索与实践[J].实验室科学，2017（4）.

[2]邓丽.基于项目驱动的数据库系列课程教学研究[J].软件工程，2019（10）.

[3]杨欣，周群.基于项目驱动的大学基础实验教学探索与研究[J].实验室科学，2019（12）.

[4]姜琳颖，程维.基于OBE理念的项目驱动式计算机组成原理教学方法探索[J].计算机教育，2021（10）.

[5]高岩，林颖.目驱动的线上线下启发式深度学习实践教学探索[J].计算机教育，2021（9）.

[责任编辑  巴登其其克]