基于軍隊(duì)院校微型機(jī)應(yīng)用技術(shù)課程建設(shè)的思考

汪永紅+王瑞敏+王震宇

（解放軍信息工程大學(xué) 四院，河南 鄭州 450000）

摘 要：圍繞部隊(duì)對(duì)指揮軍官人才的培養(yǎng)需求，結(jié)合目前高校微型機(jī)應(yīng)用技術(shù)課程教學(xué)現(xiàn)狀，對(duì)課程內(nèi)容設(shè)置、師資隊(duì)伍建設(shè)、教學(xué)方法、考核方式等方面提出一系列改革思路，以解放軍信息工程大學(xué)合訓(xùn)學(xué)員為教學(xué)實(shí)施對(duì)象組織教學(xué)，教學(xué)效果表明這種改革可以有效調(diào)動(dòng)學(xué)員學(xué)習(xí)積極性，提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：合訓(xùn)學(xué)員；微型機(jī)應(yīng)用技術(shù)；課程建設(shè)；團(tuán)組式教學(xué)

0 引 言

微型機(jī)應(yīng)用技術(shù)是計(jì)算機(jī)、電子工程、信息與通信工程等專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)必修課，是學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握微型計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)知識(shí)、匯編語言程序設(shè)計(jì)以及常用接口技術(shù)的入門課程。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以從理論和實(shí)踐上掌握現(xiàn)代微型計(jì)算機(jī)的基本組成、工作原理及典型接口技術(shù)，建立微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體概念，具備計(jì)算機(jī)硬件應(yīng)用分析問題和解決問題的初步能力，為后續(xù)專業(yè)類課程學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前，很多高校主要以桌面處理器為主介紹微型機(jī)應(yīng)用技術(shù)課程，很少涉及微型機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)主要應(yīng)用形式——嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容。為此，筆者就微型機(jī)應(yīng)用技術(shù)課程在理論設(shè)置、實(shí)踐設(shè)置、教學(xué)方法、師資隊(duì)伍建設(shè)、考核方式等方面提出一系列改革方案，以期能培養(yǎng)出滿足部隊(duì)需求的軍事人才。

1 課程教學(xué)內(nèi)容改革

1.1 理論設(shè)置

目前桌面?zhèn)€人微機(jī)、各類服務(wù)器和嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是微型機(jī)系統(tǒng)的三大主要應(yīng)用形式，其中嵌入式處理器在生產(chǎn)、生活和軍事應(yīng)用中占據(jù)核心地位。隨著物聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模部署，萬物皆嵌入、處處皆嵌入（everything embedded， everywhere embedded）的場(chǎng)景終將出現(xiàn)在眼前，然而很多高校依然以桌面處理器為主介紹微型機(jī)應(yīng)用技術(shù)課程。解放軍信息工程大學(xué)為了滿足新型軍事人才的培養(yǎng)需求，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了改革。理論設(shè)置主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：桌面處理器和嵌入式處理器。桌面處理器以X86為主，主要講述微型計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)組成、處理器結(jié)構(gòu)、微機(jī)總線、存儲(chǔ)系統(tǒng)、輸入輸出接口等。通過桌面處理器的學(xué)習(xí)，學(xué)員能夠建立起桌面計(jì)算機(jī)的整體概念，了解一個(gè)程序在計(jì)算機(jī)中的運(yùn)行過程并且獲得直觀認(rèn)識(shí)：不管基于什么處理器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)，其基本原理是一樣的。目前的嵌入式處理器主要有ARM、MIPS、PowerPC等，很多軍事設(shè)備都是基于ARM處理器的，為了貼近軍事應(yīng)用，可以ARM為主講述嵌入式開發(fā)原理、方法及過程。通過ARM處理器的介紹，學(xué)員可以建立起嵌入式系統(tǒng)的概念，熟練掌握嵌入式開發(fā)環(huán)境和工具的使用以及嵌入式應(yīng)用程序的開發(fā)流程，能進(jìn)行簡(jiǎn)單的嵌入式應(yīng)用程序開發(fā)。

1.2 實(shí)踐設(shè)置

傳統(tǒng)的微型機(jī)應(yīng)用技術(shù)實(shí)驗(yàn)大多是基于實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行的，學(xué)員直到整門課程結(jié)束也沒有理解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理，更不用說掌握開發(fā)技術(shù)。為了改善這一現(xiàn)象，教師可對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)置進(jìn)行改革：采用團(tuán)隊(duì)式教學(xué)，每2～4個(gè)學(xué)員組成一個(gè)實(shí)驗(yàn)小組，每個(gè)小組分發(fā)一套實(shí)驗(yàn)套盒。開展實(shí)驗(yàn)前，首先給學(xué)員講述萬用表、邏輯分析儀、電烙鐵等設(shè)備的使用方法，學(xué)員拿到實(shí)驗(yàn)套盒后，利用焊接設(shè)備進(jìn)行相關(guān)焊接；根據(jù)下發(fā)的資料、視頻安裝實(shí)驗(yàn)環(huán)境，然后學(xué)員上網(wǎng)查閱測(cè)試方法和使用方法。實(shí)驗(yàn)包括SOS實(shí)驗(yàn)、開關(guān)實(shí)驗(yàn)、七段數(shù)碼管實(shí)驗(yàn)、呼吸燈實(shí)驗(yàn)等。教員提供給學(xué)員的示例代碼中有一個(gè)發(fā)光二極管的亮、滅實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)員首先搞明白示例代碼的實(shí)驗(yàn)原理，依據(jù)發(fā)光二極管的電路圖在面包板上使用電阻、發(fā)光二極管搭建電路，實(shí)現(xiàn)發(fā)光二極管的顯示，然后對(duì)示例代碼稍加修改，實(shí)現(xiàn)SOS實(shí)驗(yàn)。開關(guān)實(shí)驗(yàn)要求學(xué)員首先了解開關(guān)的工作原理，進(jìn)而依據(jù)電路圖在面包板上搭建開發(fā)電路，實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制發(fā)光二極管的亮、滅；要求學(xué)員用通用的GPIO接口和中斷兩種方式實(shí)現(xiàn)開關(guān)，實(shí)驗(yàn)完成后要求學(xué)員思考查詢和中斷的優(yōu)缺點(diǎn)，加強(qiáng)對(duì)課本CPU與外設(shè)不同數(shù)據(jù)傳輸方式的理解。七段數(shù)碼管實(shí)驗(yàn)要求學(xué)員了解七段數(shù)碼管的顯示原理和三極管的使用方法，然后利用三極管、七段數(shù)碼管、電阻在面包板上搭建電路，利用開關(guān)實(shí)現(xiàn)七段數(shù)碼管上顯示數(shù)字的增、減。呼吸燈實(shí)驗(yàn)要求學(xué)員利用PWM實(shí)現(xiàn)三色燈的漸滅漸亮，學(xué)會(huì)如何通過改變PWM占空比改變模擬電壓。通過這些實(shí)驗(yàn)，學(xué)員可以掌握萬用表、邏輯分析儀和電烙鐵的使用，學(xué)會(huì)看電路圖并能根據(jù)電路圖搭建實(shí)驗(yàn)電路，了解GPIO、中斷、PWM的工作原理和使用方法，學(xué)會(huì)嵌入式應(yīng)用程序的調(diào)試方法和開發(fā)方法。

2 課程教學(xué)方法改革

2.1 多媒體教學(xué)

教員應(yīng)充分利用多媒體課件向?qū)W員展示嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，利用動(dòng)畫向?qū)W員展示國內(nèi)外無人機(jī)和機(jī)器人的外形及行為，使學(xué)員一方面可以感受到外軍無人武器發(fā)展現(xiàn)狀，另一方面也切實(shí)感受到無人機(jī)和機(jī)器人的強(qiáng)大功能，激發(fā)學(xué)員動(dòng)手實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單機(jī)器人的興趣，起到很好的教學(xué)效果。嵌入式開發(fā)中經(jīng)常需要看開發(fā)板PCB布局、開發(fā)板邏輯圖、電路圖等，教員可通過多媒體圖片的形式將它們展示給學(xué)員并加以介紹，教員也可依據(jù)原理圖具體操作，幫助學(xué)員更好地理解課程內(nèi)容。

2.2 “三步走”實(shí)踐教學(xué)

微型機(jī)應(yīng)用技術(shù)實(shí)踐性很強(qiáng)，涉及知識(shí)面廣，因此做嵌入式開發(fā)需要讓學(xué)員直觀地學(xué)會(huì)開發(fā)環(huán)境和工具的使用，學(xué)會(huì)看開發(fā)板的用戶手冊(cè)、技術(shù)手冊(cè)和邏輯圖[1]，學(xué)會(huì)綜合利用示例代碼實(shí)現(xiàn)所需功能。為達(dá)到教學(xué)目的，教員可以采用“三步走”的實(shí)踐教學(xué)方式[2]：首先將學(xué)員領(lǐng)進(jìn)門，然后扶上馬，最后才撒開手。

例如，為了讓學(xué)員了解如何點(diǎn)亮一個(gè)發(fā)光二極管，教員指導(dǎo)學(xué)員首先從用戶手冊(cè)中找到發(fā)光二極管的邏輯圖，搞清楚發(fā)光二極管的亮、滅原理；然后讓學(xué)員查閱用戶手冊(cè)或看開發(fā)板邏輯圖，找到一個(gè)可用的GPIO引腳；進(jìn)而帶領(lǐng)學(xué)員一步步在面包板上搭建出發(fā)光二極管的電路圖，然后通過修改示例代碼實(shí)現(xiàn)發(fā)光二極管的亮、滅控制。通過這種手把手地幫助學(xué)員完成一個(gè)具體實(shí)驗(yàn)的方式，學(xué)員可以熟悉開發(fā)板的接口使用，學(xué)會(huì)電路的搭建方式，掌握Keil集成開發(fā)環(huán)境的使用，激發(fā)進(jìn)一步開展實(shí)驗(yàn)的熱情。將學(xué)員順利“引入門”后，教員還要引導(dǎo)學(xué)員綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)與技能，創(chuàng)造性地完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，幫助學(xué)員學(xué)會(huì)“怎么做”，以便學(xué)員最終能夠脫離教員的指導(dǎo)獨(dú)立開展相關(guān)工作。在本實(shí)驗(yàn)設(shè)置中，讓學(xué)員在實(shí)現(xiàn)發(fā)光二極管亮、滅的基礎(chǔ)上，能自己實(shí)現(xiàn)呼吸燈。最后“撒開手”，通過一定的方法激發(fā)學(xué)員主動(dòng)思考，使其將知識(shí)與技能轉(zhuǎn)化為自身的能力與素養(yǎng)，能夠獨(dú)立應(yīng)對(duì)相關(guān)問題，如教員提出若干模塊，讓學(xué)員通過查閱資料和自主學(xué)習(xí)獨(dú)立解決；學(xué)員甚至可以自己提出一個(gè)要解決的問題，然后查閱資料、購買元器件和搭建電路，最終編碼實(shí)現(xiàn)。

2.3 研討式教學(xué)

為激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)熱情，教員在授課過程中可以“軍用機(jī)器人”為主題開展3次討論課，讓學(xué)員以組為單位分別查閱中國無人裝備、以色列無人機(jī)技術(shù)、美軍無人機(jī)技術(shù)的現(xiàn)狀、發(fā)展和幾款典型的無人機(jī)、機(jī)器人，然后集體制作PPT并選代表上臺(tái)演講，就演講內(nèi)容開展討論，激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)熱情和研發(fā)軍用機(jī)器人的興趣。

2.4 開放實(shí)驗(yàn)室和自主命題的團(tuán)組式教學(xué)

教員在基本實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)員圍繞自命課題方向進(jìn)行專題閱讀和討論[3]，提出研究報(bào)告和選題報(bào)告，培養(yǎng)學(xué)員的文獻(xiàn)閱讀撰寫能力和團(tuán)隊(duì)合作精神。此外，鼓勵(lì)學(xué)員課外參與軍用機(jī)器人的創(chuàng)新實(shí)踐，采用開放實(shí)驗(yàn)室方式將實(shí)驗(yàn)器材發(fā)至學(xué)員，使學(xué)員有更多的機(jī)會(huì)進(jìn)行實(shí)踐鍛煉；注重課后輔導(dǎo)和交流，建立嵌入式學(xué)習(xí)微信群，即時(shí)為學(xué)員答疑解惑。實(shí)踐證明，學(xué)員的學(xué)習(xí)積極性、實(shí)踐動(dòng)手能力和獨(dú)立解決問題能力都得到顯著提高。

3 師資隊(duì)伍配備

開展微型機(jī)應(yīng)用技術(shù)教學(xué)改革需要教員具有不斷學(xué)習(xí)新嵌入式處理器的能力，能夠借鑒國內(nèi)外高校的成功教學(xué)經(jīng)驗(yàn)并將科研成果轉(zhuǎn)化成教學(xué)案例。為此，課題組每周組織一次教學(xué)研討，就教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)案例展開討論，提倡團(tuán)隊(duì)合作教學(xué)，鼓勵(lì)教員到國內(nèi)外高校參觀、學(xué)習(xí)和交流。我們的教員多次參加ARM Cortex M系列嵌入式培訓(xùn)和Intel機(jī)器人培訓(xùn)，多次赴清華大學(xué)、浙江大學(xué)、國防科技大學(xué)和陜西師范大學(xué)參加教學(xué)培訓(xùn)，參加高校微課、慕課與翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)專題經(jīng)驗(yàn)報(bào)告會(huì)，目的是將先進(jìn)的教學(xué)方法和教學(xué)案例帶回來，提高教學(xué)團(tuán)隊(duì)中每個(gè)成員的知識(shí)水平和教學(xué)水平。

4 考核方式改革

教員可改革課程考核辦法，增加平時(shí)成績(jī)和實(shí)驗(yàn)成績(jī)比例，最終成績(jī)=平時(shí)成績(jī)×20%+實(shí)驗(yàn)成績(jī)×30%+卷面成績(jī)×50%。平時(shí)成績(jī)根據(jù)出勤情況、舉手發(fā)言情況、研討表現(xiàn)和作業(yè)完成情況判定；實(shí)驗(yàn)成績(jī)根據(jù)實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、視頻錄制情況判定；卷面考試共100分，包括判斷題、選擇題、填空題、簡(jiǎn)答題和論述題。判斷題、選擇題和填空題主要考查學(xué)員對(duì)基本概念和術(shù)語的掌握情況；簡(jiǎn)答題主要考查學(xué)員對(duì)嵌入式系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)能力；論述題主要考核學(xué)員如何利用所學(xué)為軍隊(duì)服務(wù)和學(xué)用結(jié)合方面的思考。這樣既可以考核學(xué)員對(duì)基本概念和基本實(shí)驗(yàn)的掌握情況，又能對(duì)學(xué)員課下的文獻(xiàn)閱讀情況進(jìn)行考核，考試成績(jī)基本能反映出學(xué)員的綜合能力和素質(zhì)。

5 結(jié) 語

由于采用以上教學(xué)方法，微型機(jī)應(yīng)用技術(shù)課程取得了良好的教學(xué)效果，教學(xué)班考試成績(jī)統(tǒng)計(jì)情況見表1，其中，最高分為96，最低分為54，平均分為71.9。

從考試情況看，學(xué)員基本熟悉微型機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)原理與技能，能實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的簡(jiǎn)單系統(tǒng)的開發(fā)，達(dá)到了教學(xué)要求。課程結(jié)束后，學(xué)員普遍反映收獲很大。教學(xué)班學(xué)員在結(jié)課后自發(fā)組織兩個(gè)戰(zhàn)隊(duì)參與RoboMasters全國大學(xué)生機(jī)器人大賽，主動(dòng)尋求參賽的技術(shù)支持，在課下利用一切空閑時(shí)間查閱資料，校外參觀交流，自費(fèi)購買元器件，進(jìn)行機(jī)器人的設(shè)計(jì)、組裝和調(diào)試；部分學(xué)員根據(jù)射擊學(xué)原理知識(shí)設(shè)計(jì)出校準(zhǔn)彈道的表尺，大大提高了瞄準(zhǔn)精度和射擊的準(zhǔn)確率；部分學(xué)員通過設(shè)計(jì)彈道、炮管、補(bǔ)給站、戰(zhàn)車等成長(zhǎng)為機(jī)械設(shè)計(jì)高手；大多數(shù)學(xué)員從對(duì)微型機(jī)應(yīng)用程序開發(fā)一無所知迅速成長(zhǎng)為一名嵌入式開發(fā)高手。最終，兩支戰(zhàn)隊(duì)在RoboMasters2016全國大學(xué)生機(jī)器人大賽中均取得西部賽區(qū)三等獎(jiǎng)的成績(jī)。以上成績(jī)說明微型機(jī)應(yīng)用技術(shù)課程的教學(xué)啟迪了學(xué)員的思維，激發(fā)了學(xué)員進(jìn)行微型機(jī)應(yīng)用程序開發(fā)創(chuàng)新實(shí)踐的熱情。

第一作者簡(jiǎn)介：汪永紅，女，講師，研究方向?yàn)榍度胧介_發(fā)與應(yīng)用，Yong_hong_wang@163.com。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯：宋文婷）