職業院校“嵌入式系統技術”課程教學思路研究

張銀巧，陳小紅

(上海震旦職業學院，上海 201908)

0 引言

電氣與電子工程師協會(IEEE)對嵌入式系統的定義：控制、監視或輔助設備、機器，或用于工廠運作的設備[1]。在我國，嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可剪裁，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統[1]。依據上述兩個定義可知，嵌入式系統的應用領域起初僅僅是工業控制，現如今已延伸到消費電子、科學研究、網絡設備、醫療儀器、環境工程等多個領域；嵌入式系統有3個基本要素：嵌入、專用、計算機系統。

1 嵌入式系統知識結構

嵌入式系統是面向具體應用的計算機系統，由硬件和軟件組成。簡單運行的嵌入式系統不含有嵌入式操作系統，依靠設備驅動程序、單任務運行的應用軟件即可實現功能；較為復雜的嵌入式產品需要嵌入式操作系統完成資源分配、多任務調用、內存管理等功能[1]。嵌入式系統基本體系結構如圖1所示。

圖1 嵌入式系統基本體系結構

1.1 嵌入式系統的硬件結構

嵌入式系統的硬件結構如圖2所示，主要由微處理器和外圍設備構成。外圍設備是完成存儲、通信、調試、顯示等輔助功能的部件。

圖2 嵌入式系統的硬件結構

1.2 嵌入式系統的軟件結構

嵌入式系統軟件結構分為無嵌入式操作系統的簡單系統和有嵌入式操作系統的復雜系統。嵌入式系統軟件結構如圖3所示(在嵌入式系統軟硬件整體結構中進行對比)：左側是無嵌入式操作系統支持的簡單系統，右側是有嵌入式操作系統支持的復雜系統。

圖3 嵌入式系統的軟件結構

1.3 嵌入式處理器

目前，市場現有的嵌入式處理器有三十余種，用于教學的主流體系結構也琳瑯滿目，各大院校選用的嵌入式處理器各不相同，如PSoC、80C51、ARM、MIPS等[2]。文章基于高性能、低成本、低功耗的特點，選用普通的ARM Cortex-M3嵌入式內核。基于ARM Cortex-M3嵌入式內核適用于微控制器MCU領域，結合微控制器的存儲和外設資源分布情況，文章圍繞增強型STM32F103ZET6微控制器芯片展開論述。

2 高職院校嵌入式系統技術教學的學情分析

學情分析是教學策略選擇和教學活動設計的落腳點。若未基于學情分析制訂教學策略，將難以達到因材施教的目的；不了解學生的知識、經驗基礎，任何講解、操作、練習、合作都難以落實。

2.1 學情分析的方法

借助問卷法摸底學生基礎，高職學生以應屆三校生和高中生為主，部分院校還會錄取往屆生。通過調查問卷法可快速收集學生的基礎、興趣、志向、薄弱環節等信息。

設計問卷的注意事項：有明確的主題、結構合理、邏輯性強、通俗易懂、控制長度、便于統計分析。

2.2 學情分析的過程

2.2.1 如何進行學情分析

針對教學目標和內容，可通過設計調查問卷展開。從調研的時間來看，調查問卷要把課前、課中、課后結合起來，貫穿課前教學設計、課中教學實施、課后教學評價。課前的問卷直接決定了教學思路的走向，所以至關重要，問卷可以從生源地、學生來源、性別、未來規劃、興趣愛好、前置基礎課程等多方面開展。“嵌入式系統技術”課程的課前學情分析關系著教學思路的調整，可以從“必知、已知、未知、能知、想知、如何知”6個方面展開[3]。

必知：獲知學生學習嵌入式系統技術必須要掌握的知識點及掌握程度。

已知：決定學生的起點；查漏補缺，增加知識點，降低教學難度，調整教學方法。

未知：明確普遍未知的知識點，有利于教師進行教學設計，達到教學目的。

能知：是因材施教的基礎，教師把握教學的總體方案，選擇合適的教學方法進行教學。嵌入式是以實驗為主的課程，教師演示實驗，學生進行驗證和探索；為學生創設良好的實驗情境，提供充足的感性體驗。實驗采用小組合作的方式開展，既保證教學任務的完成，也提高了課堂效率。

想知：除了教學目標之外，學生想要知道的內容，可能超出教學目標或學生認知水平，建議給學生提示性的答復。

如何知：鑒于學生的認知方式和學習方法，即多數學生普遍不善于開口的現象，教師可以根據知識點拋出提示性的問題或綱要，請學生收集資料后完成敘述或總結；對于實驗過程中遇到的錯誤提示，也可以請學生通過查找資料的方法自己解決。

教師應結合教學經驗和課堂觀察，敏銳捕捉相關信息，通過提出挑戰性問題及學生小組合作等方式，了解學生的學習能力和學習風格，從而設計符合該教學班使用的教學實驗，實驗的深度、難度、廣度要適中。

2.2.2 學情分析數據樣本

聯合上海6所職業院校，對2017—2020級計算機、物聯網應用技術、電子信息三大類專業共2112位學生開展調研分析。從生源地、學生來源、性別、未來規劃、興趣愛好、前置基礎課程等多方面開展“嵌入式系統技術”學習的課前學情分析。

2.3 學情調查基本結論

(1)生源地情況

從選取的調查樣本看，生源地主要是上海和新疆，相對集中在長三角一帶，如圖4所示。

圖4 調查樣本生源地一覽表

(2)學生來源分析

高職學生中，三校生占比最高，達58.76%，普通高中生源占比37.69%，也包括往屆畢業生、留級生、其他社會人士。

(3)性別比例

從性別比例看，男女生比例基本持平，男生(51.23%)略高于女生(48.77%)。

(4)學生缺乏對未來的規劃

大部分學生缺少學習動力，對未來發展沒有規劃，缺少方向，具體體現在社會責任感、學習態度、專業課成績、素質能力、大學生的期望和要求等方面。部分學生認為嵌入式系統技術的學習對自己的幫助不大，在學習中產生消極自卑的情緒。

(5)學生的身心發展特點

調查結果顯示：擅長動手操作的學生占44.74%，偏好理論學習的學生占55.26%。就高職學生的情感因素、身心發展特征而言，他們的思維活躍、興趣廣泛，但是易受外界環境干擾，我行我素，多數學生缺乏學習的動力，在動手操作上有畏難情緒，甚至不愿意主動操作。

(6)學生的專業基礎

適合開設“嵌入式系統技術”課程的專業有計算機、物聯網應用技術、電子、半導體、電氣自動化、控制理論與控制工程等工科類專業，高職學生學習“嵌入式系統技術”課程，應以“動手為主、理論夠用”的思路展開。部分高職學生未曾接觸過“嵌入式系統技術”課程學習必備的基礎知識，如模擬電路、數字電路、微機原理、計算機體系結構等前置性課程，難以透徹理解嵌入式微控制器的原理。

2.4 基于學情分析結果的教學設計

基于學情分析結果，從因材施教角度出發設計教學思路，教學思路包括教學目標、課程設置、教學形式、教學環節、教學時間安排5個方面。

2.4.1 教學目標設計

教學目標設計包括知識與技能、過程與方法、情感和價值觀。

(1)知識與技能

介紹嵌入式系統的基本概念，包括定義、特點與應用。學生掌握中斷、串口、ADC轉換、無線通信、傳感器數據采集和應用的基礎實驗，拓展提高實驗；會綜合性分析應用需求，根據需求搭建項目并實現相關應用。理論和實踐課程結束后，具備小型項目化能力。

培養學生自主學習、自主探索、合作學習、觀察和總結歸納、動手能力。

(2)過程與方法

通過課件演示、學生交流、師生交流、人機交流的模式展開，培養學生的信息技術應用、軟硬件協同，以及自主探索、概括表達、總結提高的能力。

(3)情感和價值觀

讓學生在自主解決問題中獲得成就感，為學生自主學習、獨立工作奠定基礎。通過小組協作，培養學生合作學習意識、競爭參與意識和研究探索的精神；調動學生的積極性，激發他們的動手意愿、探索興趣，培養創新意識。

教學過程中融入思政元素，強調科技強國的戰略方向，強調國家相關法律制度的保障作用。從日常學習、實習實踐、工作生活等方面強化學生的愛國、愛崗意識，嚴格遵守保密制度，維護黨、國家和自身的合法利益。

2.4.2 教學內容設計

軟硬件設計和驅動程序設計能力：搭建硬件、軟件開發環境，完成基本操作流程，讓學生能根據基礎工程模板和源代碼實現相對應的拓展功能；加大實踐環節，拓展、增強訓練的規模和靈活性，通過電子課件講授形式、實驗演練和更改實驗要求相結合的形式實施教學[4]。

(1)教學內容

根據學期的學時安排可分為理論講授和實踐操作兩部分。

理論部分：嵌入式概念、范圍、應用，以及必備的基礎知識。

實踐部分：基礎實驗7個，提高實驗4個，綜合實驗2個，拓展實驗8個。

(2)教學重點

硬件資源介紹、軟件安裝、配套的驅動、下載流程、工程搭建，以及虛擬機、Linux操作系統等。

(3)教學難點

針對每個實驗，編寫代碼實現基本需求，通過代碼的修改實現相對應的拓展功能。

2.4.3 教學策略分析

(1)教學方法

①項目驅動法

采用項目驅動式教學，注重課程資源建設，方便學生隨時隨地學習和交流。教學資源包括授課課件、操作視頻、說明文檔、基礎項目、提高項目、綜合項目的操作方法，自主開發游戲等。實施過程中，采用設計比賽活動，要求學生通過邊講解邊操作的方法錄制某一個實驗的微視頻并參賽，獎項設置具有吸引力、可操作性。

引入仿真操作平臺，解決硬件資源不足的問題，自主檢測故障。通過仿真操作平臺，驗證電路搭建的正確性、有效性，以及是否能實現預期的功能需求。

②小組協作法

采用小組協作的方法完成提高性、綜合性項目。在基礎項目教學過程中，發現部分學生動手能力較弱，采用小組協作、幫扶的方式提高學生的實際操作能力；綜合性項目需要完成多個基礎性的項目內容，并進行整合，通過小組協作的方法既可以讓學生快速完成任務項目，又可以提高他們分工協作的團隊合作意識。

分組遵循男女生搭配、三校生與全日制高中生、發達地區學生和欠發達地區學生搭配的原則。

(2)教學手段

自主學習：通過問題代入式進行知識點的復習，預設新課問題導入新知識點；通過問題引導學生獨立思考；進行小組討論。

講練結合：采取邊講解邊演示的方式，引導學生動手實操。

互幫互助：采用小組協作、分配項目的方式，以小組代表模式陳述項目進展。

(3)考核標準

開課前，通過發布詳細的打分說明制定考核標準，與學生商定考核規則；對于制定的考核指標，遵循可量化、有理有據的原則。

參考的考核規則：在閱讀并理解了本次作業后，回復“充分閱讀且理解”完成本次答題，否則請和任課教師討論。

“嵌入式系統技術”課程考核分為理論+實操課，最終成績=平時成績*50%+期末考試*50%，最終成績達60分通過。期末考試采用機考，按“打分規則”進行閱卷；注意不要作弊，雷同卷均判0分；平時成績=簽到分(占5%)+課堂互動(含提問、討論，占10%)+平時布置的作業加權平均分(占45%)+作業提交及時性(占10%)+平時測驗(占20%)+印象分(占10%)。

3 課程實施的教學思路

教學是“以課程內容為中介的師生雙方教和學的共同性活動”。教學思路是關于教學將使學生發生何種變化的明確表述，是指在教學活動中學生可達到某種程度的學習結果。

3.1 教學模式

立足課程體系設置、理論和實驗教學，進行綜合教學與實訓教學體系的設計。教學體系設計以培養學生的系統分析、設計與驗證能力為出發點，以培養學生軟硬件、驅動軟件設計能力為導向，構建精講多練的模塊化課程體系；遵循有用、有趣的教學原則，幫助學生樹立自信；引入活潑生動的教學案例，提高學生的興趣。

3.2 教學準備

教師應具備的技能：要求教師能整體把握課程脈絡、探索基礎實驗原理、解密外設的功能和作用、對相關板件和器材能運用自如。研讀教材和課程標準，做到思路清晰；采取恰當的方法呈現教學內容；大膽創新、拓展；依托教學模式，構建高效課堂；重點突出，優化教學環節。具體做法如下：

(1)實驗的選取標準

實驗設計靈活、有趣，融入學生感興趣的話題編寫實驗內容。

(2)軟硬件及機房環境準備到位

與機房管理員、實驗員聯系，備好板件，準備好機房環境，確保實驗順利進行。

3.3 教學實施過程

根據調查問卷的設計原則，從課中和課后角度調查學生“必知、已知、未知、能知、想知、如何知”6個方面的基本情況。

教學實施環節包含理論環節和實踐環節，具體的知識點有嵌入式系統的基本體系結構、嵌入式系統的硬件結構、軟件結構等。

3.3.1 理論環節

闡明嵌入式系統的相關概念：從嵌入式系統本身的特點、主流的微處理器、軟硬件架構、市場化需求等方面描述嵌入式系統是什么；介紹嵌入式系統的基本體系結構、嵌入式系統的軟硬件結構，再進一步分解說明嵌入式系統的學習內容。說明本課程學習的知識在整個課程體系中的位置，就具體的實驗闡述各模塊的基本原理。

3.3.2 實踐環節

(1)硬件選型

當前流行的嵌入式處理器有三十余種，文章通過單總線溫濕度傳感器項目實例的設計與實施,介紹項目式教學的實現方法和步驟[5]；選用面向普通嵌入式的ARM Cortex-M3內核。

(2)軟件設計

軟件設計是嵌入式開發的核心，其中代碼工作量最大，從MCU芯片、外設函數的調用等入手編寫。

(3)實驗和項目實施

①軟件安裝

A.Keil軟件安裝。

B.USB驅動安裝：常用的驅動安裝可借助驅動精靈查找，并點擊安裝。文章選用USB的驅動CH340。

C.串口驅動安裝：常用的USB轉串口驅動程序是PL2303。

D.代碼燒寫工具安裝：常用的燒寫HEX文件工具有STC-ISP、J-link、ST-link等。

E.J-link驅動安裝和使用。

②工程搭建和實施過程

A.新建工程。

B.點擊Project選項，選擇第一個選項，新建工程。

C.新建文件，編輯源碼。單擊File下方的New新建一個文件，進入源代碼編輯窗口；再將創建好的文件添加到項目中；根據應用需求，完善代碼，完成相應的功能需求。

D.編譯下載，觀察實驗現象。

3.3.3 實施情況總結

通過問卷調研，按照設計的教學思路開展職業院校“嵌入式系統技術”課程教學，學生的“必知、已知、未知、能知、想知、如何知”學情清晰明了，通過在指定試點院校實施后，本門課程的授課效果明顯提升。

4 結語

為能高質量地在職業院校開設“嵌入式系統技術”課程，基于學情分析的教學過程必不可少。只有改變傳統的講授模式，通過靈活的課堂設計，調整教學思路，堅持“理論夠用，應用為主”的原則，強化學生的動手實踐環節，才能最大化地發揮職業教育的作用，達到培養技能型人才的目的。