新工科背景下嵌入式微處理器原理與應用實踐教學建設

劉 煒，曾 鳴，田 嵐

（山東大學 微電子學院，山東 濟南 250100）

0 引 言

當今世界高等教育出現了多樣化、信息化等革命性變化趨勢，高等工程教育也從技術范式、科學范式向工程范式甚至更新的教育范式轉變[1]。高等工程類本科教育的主要目標是為社會培養工程應用型人才。為保障我國產業發展，并為我國在國際競爭中提供有力的智力支持和人才保障，培養引領未來技術與產業發展的卓越技術人才，我國提出了“新工科”教育理念[2-6]。在此背景下，對嵌入式微處理器原理與應用實驗課程展開教學改革與探索。

早期的微處理器原理與應用課程，教學講解對象和實驗多圍繞Intel公司的80×86系列芯片。隨著物聯網時代的到來，起源于20世紀70年代的嵌入式微處理器已廣泛應用到消費類電子、工業控制、通信、國防等領域，成為物連互通不可或缺的電子器件[7-8]。其中ARM公司的微處理器系列產品由于其特殊的IP核架構授權商業模式，占微處理器市場份額后來居上，已成為微處理器工程應用的主流產品[9-10]。為更貼近實際工程需要，教學中選用ARM公司CortexM3系列微處理器作為典型芯片來授課和實踐。

嵌入式微處理器原理與應用課程是一門電子信息類專業基礎課程，它通過系統講述ARM CortexM3微處理器的原理、架構、編程和設計方法，讓學生初步掌握嵌入式微處理器與嵌入式系統應用的方法。該課程的顯著特點是理論與實踐需結合，且實踐性更強。以往的實踐教學環節，由于實驗裝置體積較大、實驗空間和時間較為固定，學生總感覺實踐體驗和訓練不夠充分。根據課程改革預期，在此改用小型便攜式“口袋實驗室”實驗環境，規劃設計實驗內容，采用創新實踐教學模式構建課程，強化實踐環節。實驗課程選用典型ARM Cortex-M3作為內核的意法半導體的STM32F1系列芯片構成主芯片實驗板。針對前期有一定數字、模擬電路基礎和一定編程能力的電子信息類本科生，進行邊學邊練、多學常練有針對性的實驗改革，通過實操演示、創新課堂、翻轉課堂[11]等多種教學形式，讓學生更便利、更主動地參與到實驗中來，再通過自由組合、分工協作，培養學生的團隊合作精神和創新意識。

1 “口袋實驗室”課程建設

“口袋實驗室”，顧名思義是一種可以裝進“口袋”的實驗室。因其小巧靈活、攜帶方便，可以滿足學生“全天候”實驗要求[12]，在各高校的物聯網、電子信息、計算機、控制類專業中有普及趨勢[13-16]。

結合實踐要求，對原有體積較大的實驗設備進行了重新規劃和裝置選型，在保證課程基礎實驗前提下，配備豐富的擴展接口以方便功能擴充，定制實驗板面積為6 cm×10 cm。為調試方便，將ST-link集成到開發板內，這樣只需一根USB線即可連接電腦開展各種實驗和調試。實驗板上裝有LED、數碼管、按鍵、紅外接收、蜂鳴器等多種外圍器件，可獨立運行常用的接口實驗，如GPIO控制、按鍵控制、紅外遙控、數碼顯示、串口通信、ADC等。實驗板還可外接擴展套件，開展智能小車、智能光感控制等綜合創新實驗。圖1為該實踐課程定制的實驗主板、套件、擴展模塊以及備選的創新項目示例。教學中，引入創新項目驅動實驗內容，適當采用“翻轉課堂”，強化互動教學。這樣，通過“口袋實驗室”建設，實現了學生課下（或線下）可結合實驗指導書預習實驗、測試驗證，老師課上（或線上）驗收設計結果、答疑解惑的新實驗教學模式。

圖1 “口袋實驗室”主實驗板、擴展模塊及創新實驗項目

2 教學內容與教學改革

2.1 教學內容設計

2.1.1 課程分級設計

由于“口袋實驗室”具備“全天候”實驗可能，本文設計了由“基礎講堂”+“創新項目”+“翻轉課堂”三級難度構成的教學內容。實驗課程分級設計見表1所列。

表1 實驗課程分級設計

其中“基礎講堂”是精選的基礎實驗，用于幫助學生熟悉和理解微處理器的各種原理性概念和基本外設控制方法?！盎A講堂”中，首先通過實驗系統和編程環境的演示操作和學生動手練習，使學生跨進微處理器應用的門檻，掌握微處理器應用開發的具體流程和方法。進而，通過匯編基礎實驗及匯編程序控制GPIO實驗，可讓學生深入理解微處理器中的微架構（微結構）、ISA總線、存儲、外設之間的關系，形成完整的微計算機體系結構認識。隨后，再通過常用外設控制實驗，讓學生掌握串口通信、數模轉換器等必用的擴展功能，為下一步進行創新實踐項目做好準備。

創新項目驅動的“創新課堂”是為進一步提升學生的創新應用和團隊協作能力而設計的。創新教育是我國大力推行的素質教育的重要內容，高校創新教育目標在于提高學生的創新意識和能力培養。實驗課程的創新課堂，根據學生興趣選題，自愿組合，開展創新項目實驗實踐。綜合性的創新項目可鍛煉學生對微處理器各種結構和組件的認識和掌控能力，提升他們分析問題解決問題的實際設計能力，同時切身感受團隊協作的重要性。在課程的最后，通過創新項目和“翻轉課堂”結合，讓課堂成為項目驗收和答辯的現場，師生互動講解、回答問題，學生們互相學習、開闊眼界、拓展思路，可全面開放地考查評估學生對嵌入式微處理器原理與應用課程的掌握情況。

“基礎課堂”“創新課堂”“翻轉課堂”這三大課程模塊的有機組合，構成一整套由基礎實驗逐步提升實踐能力，再到創新項目驅動+翻轉課堂的實踐教學體系。

2.1.2 創新項目

將項目驅動式實驗教學方式引入嵌入式微處理器原理與應用實驗課的創新課堂，以相同或不同項目為設計目標，將同學分組，每3～6人一組，每組一個項目，組內同學分工協作。創新課堂為學生提供了功能各異的6個實驗項目，見表2所列，可從多方面考察學生綜合運用相關知識解決問題和協同創新能力。例如，在教室智能照明系統中，如何判斷是否有人在教室、光照度采集如何摒棄偶然因素等，可考察學生對傳感器使用和硬件系統的整合能力；在智能小車控制系統中，如何精確調控電機的轉速、如何通過舵機調整前進方向、如何通過超聲波或紅外傳感器進行障礙、如何進行路線控制等，能夠考察學生對于電機控制、智能避障、路線選擇等知識的理解和編程實現能力。

表2 創新課堂創新實驗項目設計

小組完成創新項目后，以小組為單位提交項目報告，并以翻轉課堂教學模式組織各團隊答辯。答辯中，小組需講解項目的整體硬件結構、軟件實現方法以及每位同學的參與部分或貢獻，以便打分評價，同時以現場演示或視頻錄像方式展示設計功能和實現效果，同一課題各小組可相互借鑒和評估水平。翻轉課堂上，同學之間可直接提問、交換思路，分享自己的設計歷程、項目得失，老師可擇時給予設計點評和答疑解惑。通過翻轉課堂互動交流，可鍛煉學生的演講、組織和團隊溝通能力，以適應今后的學習和工作。

2.2 教學方式改革

2.2.1 教學場景轉換

在新工科教學中，其特點更加強調實踐教學環節?！翱诖鼘嶒炇摇钡慕ㄔO，極大地減少了實驗教學對于固定教室的依賴，實踐時長不受限，這樣可大大激發學生的主動學習熱情和潛力，改變嵌入式微處理器原理與應用實驗教學場景。配備“口袋實驗室”，使實驗教學場景變得更加靈活易變，對固定教室教學、網絡教學、戶外現場演示教學均可適時開展。

2020年突如其來的新冠疫情使學生無法回歸正常學習，迫使所有教學搬到網上進行，常規的固定實驗場所的實驗教學計劃被徹底打亂。這時，依賴笨重實驗箱的實驗教學被迫停止。在抗擊疫情特殊時期，“口袋實驗室”被便利地寄送到學生手中，通過網絡平臺直播授課，學生參照實驗指導書，線上+線下順利開展實驗調試和實驗驗證，有效保證了原有的教學秩序和教學進程。

2.2.2 創新項目+翻轉課堂

“口袋實驗室”教學模式可充分發揮學生主觀能動性和老師的因材施教，使項目驅動的創新課堂有了用武之地。創新項目與“翻轉課堂”的結合，模擬構成較完整的創新研發過程，更接近工程實踐，符合新工科人才培養的改革要求。以翻轉課堂形式組織學生進行項目答辯、互動交流，是一種結合創新項目驅動實踐教學的新模式，該模式能多方面展現學生的綜合素質和創新潛力，獲得學生歡迎和認可。做好這項教學改革，對教師提出更高要求，需要適時更新教學內容，搜集教學素材，優選教學案例，才能不斷提高實踐教學水平。

3 結 語

為適應“新工科”教育強化實踐教學的新要求，本文針對高校電子信息類專業的嵌入式微處理器原理與應用實驗課程的教學，從實驗內容、實驗環境以及教學模式等方面展開了改革和探索，建立了基于“口袋實驗室”的嵌入式微處理原理與應用的實踐教學體系。

嵌入式微處理器實驗平臺的輕量化建設使理論學習和實踐教學結合得更加緊密和便利，只要給學生配備適當口袋實驗板，無論線上線下教學，都能顯著增強教學效果。對于實驗實踐教學，“口袋實驗室”教學模式可貫穿基礎理論、實驗操作及創新設計，構建“全天候”自主學習環境，將原理性編程實驗、模塊級單元接口實驗、多功能模塊綜合設計以及創新項目分級實現，擺脫了以往實驗局限在固定地點、固定時間的實驗場景。該教學模式不僅為學生提供了無限的實踐時間和空間，充分挖掘學生實踐力和創新力，而且對教師的教學能力提出更高要求。

創新課堂引入項目驅動教學環節，以創新項目為創新課堂主線，通過翻轉課堂、項目匯報和答辯，便于綜合考察學生靈活運用知識、解決實際問題的設計能力，拉近實驗實踐與實際工作場景的距離，更符合新工科人才培養理念，并獲得學生普遍歡迎與認可。