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应用型计算机类本科专业嵌入式系统实践教学体系探索

2024-08-30 62 上传者：管理员

摘要：针对计算机类专业嵌入式系统的课程教学特点，探讨了基于OBE理念的课程实践教学体系。课程组以提升学生实践动手能力为中心，确定课程教学目标并构建课程知识体系，将理论知识与系统开发工程实践各环节有机融合，采用项目任务驱动式教学法，优化课程考核评价方式，加大过程性考核力度。教学实践表明，该教学体系能有效提升嵌入式系统的课程教学质量，提升学生的工程实践能力。

关键词：
OBE
嵌入式系统
应用型本科
课程体系
课程教学质量
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新工科背景下，地方性应用型高校应主动应对行业企业对本科计算机类人才的需求，树立创新型、复合型人才培养理念；积极实施案例教学、项目式教学等创新性教学方法，注重综合性项目训练提高学生的工程能力，持续提升人才培养质量[1-4]。

贵州理工学院大数据学院成立于2017年5月，是一所由贵州理工学院与阿里巴巴集团联合共建的本科特色产业学院，采用产教融合、协同育人的办学模式，不断完善产学合作，构建产教融合、协同育人的专业实践课程体系，培养高素质应用型计算机类人才。

本文结合大数据学院本科计算机类专业嵌入式系统课程教学特点，探讨了如何构建理论与实践融合的专业课程实践教学模式，创新课程考核评价方式，以提升应用型计算机类专业的人才培养质量。

1、嵌入式系统课程特点

嵌入式系统是涉及计算机、电子、通信等技术领域的软/硬件综合体，嵌入式系统内核架构种类繁多，采用统一的标准化内核设计和生产MCU产品已成为嵌入式微处理器发展的趋势。采用标准化内核一方面降低了半导体厂商在芯片架构上的研发难度，缩短了产品开发周期。另一方面，由于采用统一的ARM内核，为了实现产品的差异化，各大半导体厂商将研发重点放在了外设接口、功耗、存储器资源等方面，针对各自优势应用领域推出系列化的产品。各大半导体厂商基于ARM CPU内核开发了不同应用领域各具特色的MCU,这种产品方式降低了嵌入式开发人员学习和掌握MCU应用开发的难度，只需要针对通用的内核就某种MCU产品深入研究，掌握其精髓，就能融会贯通，驾驭主流的MCU产品[5]。

基于ARM Cortex-M内核衍生的32位 STM32系列MCU,配套有位于嵌入式组成结构中间层的各种固件库，如标准外设库、HAL库等，这些库文件屏蔽了复杂的底层寄存器操作，嵌入式开发工程师通过调用API函数的方式就能迅速地搭建嵌入式系统原型。与STM32芯片相关的开发工具和软件解决方案具有良好、完整的生态产业链，为嵌入式开发工程师提供了系列高效易用的开发工具(如Keil、IAR等),丰富的如固件库、应用例程等编程资源，极大地提高了嵌入式系统的开发效率、缩短了开发周期。

嵌入式系统课程是计算机类专业的一门理论与实践融合的专业课，48学时中理论32 学时、实验16学时，前置课程为模拟与数字电子技术、计算机组成原理、计算机网络等专业基础课程。

课程主要内容包括嵌入式系统的基本概念、组成以及嵌入式系统开发的一般流程，以32位系列ARM微控制器为例，介绍嵌入式系统最小系统、常用片内外设模块(通用输入输出、中断、串口通信、定时器、模数转换器等)的原理及应用。主要通过讲授、项目案例式以及分组实验等教学方法进行课程内容的学习，使学生理解和掌握嵌入式系统的基本概念、基本原理。

课程注重培养学生的实践操作能力，以项目为驱动，结合行业前沿进行嵌入式系统的软件设计与开发，以有效理解嵌入式系统技术的基本概念与特点，掌握嵌入式系统软件设计与开发的常规流程，培养学生充分利用互联网资源自主学习及系统的分析与设计能力。为学生后续生产实习、毕业设计等实践环节进一步开展智能网联系统的研究、设计、开发和集成等打下良好基础。

2、项目式教学探索

2.1 基于OBE理念的课程体系设计

根据计算机类专业人才培养方案，结合学院产教融合的应用型本科专业定位，制定课程教学大纲，考虑有利于培养学生的实践动手能力，明确课程教学目标。

一是理解嵌入式系统的基本知识、基本工作原理，掌握基于STM32F103系列MCU的嵌入式系统的基本原理和基本软件设计方法，为解决嵌入式系统复杂工程问题奠定基础。二是能够应用课程所学基本原理和基本设计方法结合文献查阅及互联网搜索等，针对嵌入式系统的工程开发要求，明确设计目标并提出可行的系统设计方案。三是能正确运用提供的仪器设备完成系统软硬件的实验设计，记录实验过程，分析结果，获得实验结论。四是能正确运用嵌入式处理器常规开发工具，开展嵌入式系统复杂工程问题的仿真、分析、综合调试与设计。

基于OBE理念构建课程知识体系，将课程知识按照嵌入式系统产品开发过程有机融入，针对不同的环节讲授课程相关内容，将理论知识与工程实践开发有机结合。

2.2 项目式教学模式

嵌入式系统知识繁杂，课程组采用从易到难、从单一模块到系统各模块融合的教学方式，基于ARM Cortex-M3内核的32位MCU为引导，对理论内容进行精简讲授，强化学生动手实践能力，紧跟行业企业工程实践。

课程教学主要针对STM32常用的外设结合具体应用范例进行讲解，使学生能从整体框架掌握STM32基本外设的应用开发流程，避免陷入复杂的应用编程细节，应用编程细节可随着学生实践动手能力的提升而不断积累。课程教学以项目为驱动，4～6名学生自由组成实训项目小组，分工协作，注重学生团队精神的培养，共同提升专业课程学习效果。

课程组采购了与课程教学内容匹配的便携式实验开发套件，基于STM32F103ZET6嵌入式处理器设计的开发板，输入5 V工作电源，可为其他扩展外设提供3.3 V电源。开发板采用USB仿真器进行程序调试和下载，具有按键、LED发光二极管、OLED显示屏、音频输入/输出、RS232/R485/CAN/USB通信接口、SPI 扩展的8MB FLASH 存储器、256字节的EEPROM、SD卡等硬件资源或接口。

根据课程章节内容和要求，课程组设计了便于在课堂讲授后即开展的学生实训项目。每个项目都按照实际产品开发的过程进行，采用任务驱动式教学法，创新探究式教学模式[6]。要求学生在实验前明确系统功能、熟悉开发板硬件电路的管脚连接、完成软件初步设计；实验中完成实验程序的设计、调试，实现系统功能；实验后撰写实验报告。整个课程包括7个实训项目，其中5个为验证性项目，2个为综合性设计项目，所有项目都细分为基础任务和扩展任务，鼓励学有余力的学生完成扩展任务。嵌入式系统课程项目式实践教学体系，如表1所示。

表1嵌入式系统实践教学体系

2.3 课程考核方法

课程考核采用百分制，平时成绩50%+期末考试成绩50%,将过程性与总结性评价有机融入学生课程学习的全过程。平时成绩由考勤10%、课后作业20%和实验20%构成，课堂练习、课后作业与实验报告批改在雨课堂中完成。

平时成绩中，课堂实验主要从项目方案的合理性和复杂性，完成项目功能的难易程度，代码的完整与规范程度，项目创新性等方面做出综合性评分，个人表现包括团队分工和工作量比例等；课后考核包括学生课后作业完成质量、实验报告的写作能力、分析和整理资料能力的评价。期末考试采用开卷考试，重点考查学生独立利用STM32F103进行软件编程解决问题的能力、片内外设资源的运用能力。

2.4 课程教学效果

大数据学院计算机类专业2018级、2019级两届学生的嵌入式系统教学实践中，同学们表现出了浓厚的学习热情，嵌入式系统的课程学评教分数都在90分以上。课程实验项目中，许多学生经常花大量时间查资料挑战扩展任务，不断进行实践探索和软硬件调试。课堂上学生优秀实验项目成果的展示，更好地调动了同学们自主创新解决工程实际问题的积极性。

嵌入式系统对学生工程实践能力的培养，为学生在后续生产实习、毕业设计中的项目选题和设计奠定了良好的工程实践基础。两届智能科学与技术专业146名学生中，116人考取了Intel FPGA初级工程师证书，30余名毕业生入职嵌入式系统开发相关岗位。2019级廖晨宇同学基于FPGA设计嵌入式双目摄像机视觉测距系统，相较传统的基于DSP或单片机的测距系统，具有灵活程度高、成本低、响应速度较快的特点，不同于基于云平台的图像距离检测，所设计的双目测距系统在本地嵌入式处理器中实现测距，实时性好，论文获评第二届全国仪器类本科毕业设计交流会优秀论文。

3、结语

本文结合贵州理工学院大数据学院计算机类专业嵌入式系统课程教学特点，基于OBE理念明确课程教学目标并构建课程知识体系，将理论知识与系统开发工程实践各环节有机融合，采用实验项目任务驱动式教学法，创新课程过程性考核评价方式，注重学生工程实践能力的综合培养。实践表明，教学效果良好，为学生后续专业综合工程实践夯实了专业基础。

参考文献:

[1]教育部,工业和信息化部,中国工程院.关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0的意见[J].中华人民共和国教育部公报,2018(10):13-15.

[2]殷婷婷,杨忠,徐楠,等.新工科背景下物联网工程专业嵌入式系统课程教学探索[J].物联网技术,2022,12(12):139-141,144.

[3]孙晓雪,雷立群.基于CDIO导向的应用型本科高校单片机课程改革研究[J].机械管理开发,2023,38(7):88-90.

[4]彭朋,刘伟峰,曹晓倩,等.基于CDIO-PBL教学模式的微处理器与嵌入式系统课程教学改革探讨[J].高教学刊,2022,8(27):138-141.

[5]刘黎明,王建波,赵纲领.嵌入式系统基础与实践[M].北京:电子工业出版社,2021:3-4.

[6]万里冰,郭保青,霍凯.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[J].黑龙江教育(高教研究与评估),2023(6):68-70.

基金资助:贵州省高等学校教学内容和课程体系改革项目(2020129);

文章来源:杨仁增,张良,张苏,等.应用型计算机类本科专业嵌入式系统实践教学体系探索[J].贵州农机化,2024,(03):44-46+50.