新工科建设背景下嵌入式接口技术与应用教学创新探索

关键词：新工科；产学合作；接口应用

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）25-0140-03

0 引言

新工科教育强调培养学生的多元化应用能力，以立德树人为核心，秉持应对变化、塑造未来的建设理念，通过继承与创新、交叉与融合、协调与共享等途径，致力于培育未来多元化、创新型的卓越工程人才[1]。面对新兴应用场景与技术的快速发展，学生需整合专业课程中的知识点，结合实际需求，构建知识模块，形成系统解决方案。在教学过程中，教师应紧跟技术前沿，挖掘行业应用场景，以解决实际问题及接口应用为导向，不断更新教学内容[2]。鉴于信息产业的高速迭代，高校与企业合作，利用企业资源开展师资培训，将最新行业技术引入课堂。产学合作协同育人项目有效促进了学校与企业、产业的深度融合，提升了教师的实践能力。本文聚焦于计算机硬件接口技术，探索教学内容与方式的创新，旨在逐步增强学生的动手能力及解决实际工程问题的能力。

1 计算机专业接口技术应用教学目前的问题

分析本校计算机专业所开设的数字逻辑、计算机组成原理、操作系统、嵌入式与接口技术、计算机体系结构等硬件课程教学内容，硬件系列课程从体系结构上划分为三个层次：基础层、应用层和提高层。基础层为数字电路与计算机组成原理，主要讲述计算机硬件系统的数字逻辑电路基础知识、计算机五大部件的实现及它们之间的联系，让学生建立一个整机的概念；在应用层中，嵌入式与接口技术介绍嵌入式系统的内部和外部接口特性，使学生在掌握基础知识之后能够掌握接口的使用；提高层为计算机系统结构、专业能力综合实训、计算机组成与结构课程设计等，通过集中的实践环节，使学生具备一定的计算机系统的软硬件分析设计能力。

然而，当前教学中存在硬件与软件课程知识交叉不足、硬件课程间衔接不紧密的问题，导致知识点重复或缺失，学生难以构建系统的知识体系，实际应用能力受限。学生往往局限于孤立的知识点，缺乏整体视角，难以在复杂工程问题中灵活应用所学知识。面对高难度的学科创新竞赛作品设计，学生难以有效融合已有知识进行创新，理论与实践脱节。

此外，课堂教学偏重理论讲授，接口机制讲解占据较多时间，内容相对枯燥抽象，学生理解困难。实验教学中仿真软件使用频繁，而硬件设备操作不足，导致学生硬件测量技术薄弱，工具使用不熟练，数据分析流程不清晰，调试能力欠缺。接口技术作为连接不同系统或组件的关键，若缺乏系统学习，仅凭零散知识和经验，难以在实际应用中发挥其优势。

2 教学内容与方式的探索

2.1 应用场景的设计

在智能车、自动驾驶、人工智能等新兴产业与技术的背景下，软硬协同设计能力显得尤为重要，这恰好契合了计算机科学与技术专业应用的发展方向。在探索课程应用时，应尽量选择既专一又便于拓展的方向。鉴于实际课程中常用的51单片机，课程组选择了以智能车为例的智能控制应用方向。智能车作为一个集成了环境感知、规划决策等功能的综合系统，综合运用了计算机、现代传感、信息融合等技术，并随着电动车行业的蓬勃发展，展现出广阔的应用前景[3]。学生在课后或第二课堂的竞赛中，可以继续拓展应用，或根据个人在软硬件方面的专长深入钻研，以满足课程组设定的应用场景需求。

2.2 接口技术应用与教学内容融合

以接口的应用为主，通过智能小车的行驶实验将GPIO接口、中断系统、定时器、串行口、显示等模块串联起来，形成一个系统的作品。接口技术与教学案例相融合，设计小车驱动前进、小车按键启动、小车PWM调速、小车避障、无线遥控、调整姿态和屏显触控等10个教学案例。利用积木式搭建模块的方式，学生每学完一个内容能完成一个模块，最终完成一个智能小车的设计。这种以硬件实例为驱动，从易到难渐进式的教学方式，不仅激发了学生的学习兴趣，还显著提升了他们的实践动手能力。后续，学生可通过参与“蓝桥杯”或“智能车比赛”等活动，创作出更高阶的作品。

在接口教学过程中，首先通过应用场景引入，引导学生思考如何拆解工程问题；随后讲解接口的使用方法，并指导学生完成部分程序编写；接着深入分析内部实现机制，完善所有控制程序；最后总结工程中的理论知识，以加深学生的理解。例如，在实现小车避障功能时，先指导学生编写程序实现避障功能，再探讨中断的内部实现过程，进而扩展到其他四个中断源的使用，学习如何有效管理中断源，并最终总结中断机制的理论知识。这种以实例为引导、应用为导向的教学模式，使学生在学习过程中既锻炼了实践能力，又巩固了理论知识，实现了理论与实践的有机结合。

在工程实践中，注重硬件设备的测量与仿真软件相结合。在I2C接口应用中，利用虚实结合的方式对传感器数据测量。学生在仿真软件、硬件实物两种不同情景下，对同一接口进行信号测量。虚拟仿真环境可以快速熟悉相关知识，实物测试可以让学生深刻掌握器件的特性。在Proteus中仿真电路时，可以使用实际硬件测量的数据来作为输入，确保仿真的输入条件更加贴近真实情况。在真实的工程应用中，元件器的特性和测量方法对系统调试很重要。利用普源提供的虚拟仿真平台和设备仪器，采用课下仿真、课堂实践实物融合的方式，能给学生提供更多的实践机会，可以有效提升学生的实践能力。

2.3 产教融合促进教学

教学的实施离不开教师的努力，而教师也需要不断提升个人的专业技术能力和工程实践能力。加强与企业的合作，围绕常用的接口技术应用实例开展师资培训和教学案例的优化显得尤为重要。当前，一些高校教师更注重理论和方法的研究，以及科研论文的撰写，但在与产业结合方面尚显不足。通过参与培训和沟通，加入企业的真实项目，教师可以更好地了解当前行业需求，进而反馈到教学中，提升课程的适应性和实用性。建议安排教师在企业中进行短期或周期性的参观或实践工作，通过实地参与企业的项目开发和日常运作，提升教师的实战经验和产业理解能力[4]。同时，可邀请产业界的专家或工程师作为客座讲师，分享他们在接口技术应用方面的经验和最佳实践。在师资培训过程中，应遵循渐进原则，根据教师的个性差异进行分层次的培训[5]。在实施过程中，应选择适当的技术难度，确保教师有足够的提升空间，避免因技术难度过高而丧失积极性。

此外，结合嵌入式比赛的相关知识点，与企业共同探索高层次的应用创新人才培养机制。同时，可以将优秀的学生推荐到企业进行实践，通过共同的项目合作方式，实现协同育人的目标。

2.4 优化课程考核方式

传统的课程设置中，成绩构成主要包括平时成绩、实验成绩和期末成绩，其中期末成绩占比高达70%，相对较重，而平时成绩仅占10%，实验成绩为20%。这导致学生往往更为重视期末考试的卷面成绩。为了改善这一情况，建议增加平时成绩的权重，可提升至占总成绩的25%。在重新分配的平时成绩中，应增设课程作品考核环节，要求学生期末以小组为单位提交实物作品，并通过小组答辩的形式展示其成果。这一过程不仅能锻炼学生的动手能力、团队协作能力，还能积累宝贵的工程实践经验，有效促进学生将理论与实践相结合，同时增强学生的课程学习成就感。

3 结束语

借助产教融合的项目契机，我们应与企业工程师密切交流，通过培训与学习，不断提升教师团队的工程实践能力。进一步地，应与企业合作探索教学内容与实践方式的革新，特别是在嵌入式接口技术的教学中，应引入智能车行业的背景知识，着重强调接口应用的工程实践。在教学过程中，利用场景化的兴趣引导，结合虚实融合的实验环境，为学生提供更为便捷的实践条件。经过一段时间的尝试与探索，学生对课程的学习积极性显著提升，参与嵌入式比赛的学生人数及获奖人数均有所增加，进而提升了学生的就业竞争力。产学合作育人是一项长期且需持续努力的工作，它要求我们在与企业不断磨合的过程中，继续深化合作，力求为学生提供更多样化的实践案例和工程项目。