“1+X”證書制度下物聯網專業嵌入式單片機技術及應用課程教學探索

杜立嬋 王彪 趙云 張青

【摘要】本文闡明在“1+X”證書制度試點制度下物聯網專業嵌入式單片機技術及應用課程的考證目標及要求，分析課程教學現狀及問題，提出在課程改革實踐中采取基于項目應用設計課程體系、基于項目驅動設計教學方法、深化產教一體化教學模式、建立多維度考核評價機制等四個策略，以提高學生的嵌入式開發設計能力、提高該課程的教學效率。

【關鍵詞】物聯網 “1+X”證書 嵌入式單片機技術 課程改革

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2022）12-0161-04

國務院印發的《國家職業教育改革實施方案》中明確指出，高等職業教育是培養復合型技術技能人才及大國工匠的重要方式，其重點工作是如何提升學生的實際操作能力、工程實踐能力和就業水平。同時該方案提出了在職業院校和應用型本科高校啟動“學歷證書+若干職業技能等級證書”的試點工作（簡稱“1+X”證書制度），并針對物聯網專業設置了“傳感網應用開發”職業技能等級證書。因此需要對職業教育現存的課程內容、教學方式以及教學手段進行相應改革與探索，以實現高等教育與工程實踐的有機融合。

傳感網應用開發是物聯網產業鏈中基礎性、關鍵性崗位，是最具物聯網特征的專業技術崗位。在2019年公布的第二批“1+X”證書制度試點證書中，筆者所在的南寧職業技術學院物聯網應用技術專業成功入選“傳感網應用開發”（中級）證書項目試點。本文探索在“1+X”證書制度下，依據“傳感網應用開發”等級證書的考核目標，將物聯網應用技術專業職業技能等級標準與專業教學內容進行有效融合，結合考證核心課程“嵌入式單片機技術及應用”的教學現狀和問題進行相關教學改革與探索。

一、課程考證主要內容

“傳感網應用開發”（中級）的主要技能要求是面向物聯網相關科研及企事業單位中的研發助理、品質管理、產品測試以及技術支持等崗位，從事編碼實現、功能驗證以及系統調試等相關工作的能力。“1+X”證書制度的技能要求就是要求積極拓展“X”中的工程實踐能力，結合“傳感網應用開發”（中級）考證中具體的考核內容，將課程教學主要分為以下五個方面：數據采集，具體包括模擬量傳感器、數字量傳感器以及開關量傳感器的數據采集;有線組網通信，具備包括RS485通信總線開發以及CAN總線通信開發能力;短距離無線通信，具備包括ZigBee組網通信以及Wi-Fi組網通信能力;低功耗窄帶組網通信，具備包括NB-IoT通信以及LoRa通信組網技術能力;通信協議應用，包括寫配置參數指令開發、讀配置參數指令開發以及控制設備指令的開發等。

在上述考核要求中均涉及嵌入式單片機技術及應用，具體包括基本的MCU內部資源編程使用，例如IO口、定時器、串口、PWM、中斷、SPI及I2C等通信接口。此外，還包括外部的接口及總線協議，例如，AD轉換接口、GPIO驅動技術、RS485總線原理、CAN總線原理以及相應的ModBus協議的考核，因此選擇嵌入式單片機技術及應用課程作為教學改革的對象較為合適。而在學習過程中，學生要熟練掌握上述技術的理論并能應用，還要具備基本的模擬電路以及C語言等相關知識，其中特別需要熟練掌握C語言的編程思維方法和技術，具備一定的開發能力。這樣，才能在未來的職業競爭中擁有較高的競爭力。

二、課程教學存在的主要問題

嵌入式單片機技術及應用課程作為電子信息類專業的一門核心專業課程，在教學方式、方法及手段上與傳統基礎理論課不同，該課程與實際應用聯系密切，在教學上需要作出相應的改革。目前該課程的教學主要存在以下幾個方面的問題。

（一）課時設置不合理

該課程實踐性較強，教學過程需要與具體的項目和應用相結合才能讓學生學懂會用。在目前各大高校普遍壓縮課時的情況下，該課程理論課時保留較多，理論與實踐課時比例不合理。或者理論與實踐分開授課，造成學生在實訓操作時，已忘記此前學過的理論，導致學生難以將理論與實際應用相聯系，非常不利于教學活動的開展，導致學生學習難度加大，教學效果不理想。

（二）實踐教學單薄

傳統的課程教學大多采用單一的理論講解和演示方式授課，如僅使用PPT教學，較難滿足一門實踐性很強的課程的教學要求。此授課方式限制了內容的表達，教學效率低下。較為突出的問題是學生難以深刻理解單片機系統的基本結構、原理及指令的執行過程，導致在實訓中出現諸多難以消除的困惑，進而影響學生的積極性，學習效果大打折扣。

（三）課程考核方式單一

目前該課程的考核方式多采用機試，分為理論題與編程題。理論題目內容為記憶知識點，學生即使以優秀的理論成績通過考試，在實際的嵌入式單片機開發過程中仍然難以開展。因此，對實踐性較強的課程而言，采用單一的考核方式對學生創新能力的培養是非常不利的，也難以有效提高學生的職業技能，提升就業能力。

在“1+X”證書制度下，教學要求是保證完成好的“1”的同時，應積極拓展“X”的能力。具體到對物聯網專業學生的要求，就是使其通過“傳感網應用開發”等級考證的同時具備相關職業技能。從培養應用型技能人才來看，核心考證課程“嵌入式單片機技術及應用”目前的傳統教學模式已難滿足“1+X”證書制度的要求。因此，院校應充分調動學生學習的主觀能動性，采用實際項目驅動的教學方式，全面提升學生的嵌入式單片機系統設計開發能力，達到考取“傳感網應用開發”等級證的技能要求。針對上述問題，筆者結合本團隊多年的教學經驗以及“傳感網應用開發”等級證的考核目標，為提高“嵌入式單片機技術及應用”課程的教學質量，進行相關教學改革與探索。

三、課程教學與實踐

為配合“1+X”考證要求，嵌入式單片機技術及應用課程中的單片機采用意法半導體公司的ARM處理器STM32F1系列作為教學實例，教學團隊圍繞該實例對該課程的改革與探索主要做了以下幾個方面的工作。

（一）基于項目應用設計課程體系

嵌入式單片機是一門以實踐動手為主的技術應用類課程，其理論教學與實踐教學應該做到有機融合，相輔相成。例如，教師在講解采用GPIO和定時器實現呼吸燈效果的原理時，該項內容包含多個知識點，既有GPIO的設置，又有定時器的配置，還有PWM的控制，如果在理論方面花很多的時長來講解，待到實踐時，學生可能已經記憶模糊。因此，教師在講解必要的理論基礎之后，可以打破理論教學與實踐教學的邊界，把理論和實踐有機融合起來，基于項目應用重新設計課程體系，通過具體的工程項目開發與實踐，令學生深刻理解理論知識，提升教學效果。在目前的教學活動中，其理論教學環節和實踐教學環節應該在同一個維度上，實現時間和空間的統一，提升教學效果和效率。表1為基于項目應用的嵌入式單片機技術及應用課程體系結構。

從表1可以看出，本體系主要采用小項目應用的方式進行課程的教學，有效分散課程相關知識點，并融入具體的小項目中，使學生通過開展實際項目，快速、高效地掌握該課程要求的相關職業技術技能。最后，通過完成綜合設計類項目“智慧農場監控系統”培養學生設計較大系統的能力。

（二）基于項目驅動設計教學方法

嵌入式單片機技術及應用課程對于職業院校的學生而言，其中一些基本概念和原理還是比較抽象和難懂的。因此，可以基于項目驅動設計教學方法，即通過項目的具體需求，逐步啟發、引導學生理解及應用基本原理后，實現對相關知識的全面掌握。此外，該課程也是綜合性較強的一門課程，需要相關基礎課程支撐，這些課程之間的聯系是非常緊密的，如“C語言程序設計”“電子線路基礎”以及“數字電路與邏輯設計”等課程的相關知識。這樣的課程設計對鞏固和強化學生的知識體系大有裨益。接下來本文就以呼吸燈設計簡要闡明該教學方法。

呼吸燈的教學目標是設計一個可通過按鍵進行控制的LED呼吸燈效果系統，該系統基于脈沖寬度調制信號（PWM）信號實現，具體要求描述如下：（1）采用按鍵實現功能切換，按鍵采用外部中斷實現;（2）LED燈的顯示效果為“逐漸變亮”然后“逐漸變暗”再“逐漸變亮”的循環過程即“呼吸”效果;（3）LED燈初始為關閉狀態，第奇數次按下按鍵時，LED燈顯示呼吸燈效果，第偶數次按下按鍵時，LED燈關閉，循環此過程。

根據上述項目的要求，所開展的教學設計思路過程如下：

1.分析傳統調整LED燈亮暗的方法為通過調節電阻大小改變電流，從而實現LED燈亮暗的變化過程。但該方法采用模擬信號，不易實現自動控制循環實現呼吸燈的效果，且效率低。啟發學生采用數控電流的方式實現亮度調節，就較容易實現上述循環過程。

2.引導學生明白PWM信號作為數字信號輸出實現對模擬電路進行控制的一種簡單、高效的技術方法已被廣泛應用于電機控制、伺服控制、開關電源以及功率控制等領域，因此，掌握PWM信號的使用具有重要的實際應用價值。

3.闡明PWM信號中一個重要特點就是占空比，即一個信號周期內高電平時間占整個周期的百分比。在使用該信號驅動LED燈時，可理解為占空比越高，LED燈亮的時間就越長，平均電流就越大，相應的亮度就越強，否則就越暗。圖1為采用10 ms周期的PWM信號驅動LED燈的波形，從圖中可反映出占空比越大，LED燈亮的時間越長，消耗功率越大，亮度越大。因此，可引導學生結合圖1，思考利用PWM信號占空比的調節實現數控LED燈亮度的改變。

4.闡明STM32F1處理器內部集成有8個功能強大的定時器模塊，編號為TIM1-TIM8，其中6個定時器設計有4個獨立通道，均可以設置為PWM工作模式。引導學生實踐，在設計好輸出PWM信號頻率后，只需按照一定的時序改變CCR寄存器的值，即可實現PWM輸出信號占空比的調節。

5.在上述方法中，采用的是處理器內部集成的PWM控制器，課后可以布置作業令學生發散思考，如不使用內部集成的PWM控制器，只利用定時器中斷借助軟件方法設計PWM信號，又該如何實現呼吸燈的功能。

從上述基于具體項目驅動設計的教學思路可以看出，課程深入淺出講解了呼吸燈效果的原理以及采用PWM信號實現控制的方法，通過具體項目吸引學生深入學習STM32的PWM信號實現過程，讓學生深刻理解PWM信號的本質以及使用方法，有助于學生更好地掌握嵌入式單片機技術，并應用于生產實踐之中。

（三）深化產教一體化教學模式

傳統教育模式的培養標準由于與生產實踐還有一定的距離，故難以滿足現代職業院校的人才培養要求。產教一體化教學模式就是把理論教學與實踐教學作為一個整體進行考慮，從提升學生職業能力考量制定相應的教學計劃和大綱。從而實現學生綜合素質的提升并提高人才培養效率，為社會輸送綜合能力全面且能直接上崗的專門技能人才。

深化產教一體化教學模式的重要內容之一就是建立一支“雙師型”教師隊伍。“雙師型”教師同時具備扎實的理論知識和豐富的實踐經驗，能把理論與實踐有機的融合起來，開展高效率教學。自2019年“1+X”傳感網應用開發考證培訓開展以來，南寧職業技術學院物聯網專業采取了多階段分批次的策略，陸續派出4個批次共計8人次的教師參加培訓，均一次性通過考核獲得中級培訓講師資格，其中一名教師分別獲得了“1+X”傳感網應用開發和“1+X”物聯網工程實施與運維兩項培訓的金牌培訓專家資格。通過實踐說明，多階段分批次選派教師培訓的策略有效地提高了教師獲得雙師型教師資格的概率，提升構建“雙師+”素質師資團隊的效率。此外，教師還通過積極參加不同層次的教學能力比賽和教師技能大賽，以及到企業頂崗鍛煉和指導學生競賽的方式提高自身的教學水平和實踐能力，建立具有前瞻、創造和高效的創新型“雙師+”素質師資團隊。

（四）建立多維度考核評價機制

傳統的課程考核多采用閉卷筆試、機試的方法，而對于動手實踐性較強的課程來說，其弊端是明顯的，筆試的方法適合考查學生對理論知識的掌握情況，但同時缺乏對解決實際問題能力的測試。因此，對嵌入式單片機技術及應用課程的考核，應以“1+X”證書制度中傳感網應用開發（中級）中的關于嵌入式開發技能標準為依據，制定較全面的多維度課程考核評價機制，實現以考核促學，以評促教。

基于以上分析，嵌入式單片機技術及應用課程的多維度考核評價主要由以下3個部分構成：平時教學實訓考核（30%）、期終上機考試（30%）以及期終項目實訓考核（40%）。從上述考核分配比例可以看出，我院校主要通過實訓項目的執行情況對學生的綜合能力進行全面評價，即在考核標準中突出對學生綜合開發設計能力的考核，具體包括考核學生在項目實訓過程中發現問題、解決問題、分析問題以及檢索資料的能力，此外，還需考查學生在此過程體現的團隊精神和工匠精神等。條件允許時可考慮引入企業教師的評價，實現考核標準與企業要求相適應。

目前，“1+X”證書制度試點工作正在全面開展，物聯網專業的“傳感網應用開發”等級考證也對相關專業核心課程的改革提出了更高的要求。為滿足等級考證的考核要求，提高考證通過率，對核心專業技術課程嵌入式單片機技術及應用的教學改革是十分必要的。本文對該課程的教學改革做了相關探索與實踐，目的是提高學生的嵌入式開發設計能力，提升物聯網專業的社會認可度。同時，希望本文的探索經驗能為其他專業或課程提供有益的借鑒，為社會培養更多更優秀的專業技能人才。

參考文獻

[1]國務院.關于印發國家職業教育改革實施方案的通知[J].中華人民共和國國務院公報，2019（6）.

[2]王傳輝，向燕，鄭洪波.高職院校課程標準制定過程中的“頂層設計”方法探索與實踐：以嵌入式系統開發課程為例[J].現代職業教育，2022（1）.

[3]唐偉.基于“1+X”證書制度的高職教學改革探討[J].廣西教育，2020（39）.

[4]王鴻磊.產教融合背景下對接“1+X”證書的人才培養模式和課程建構研究：以物聯網應用技術專業為例[J].河北軟件職業技術學院學報，2020（4）.

[5]張天鵬.基于胡格教學模式的學生職業能力提升路徑研究[J].黃河水利職業技術學院學報，2021（1）.

注：本文系廣西區首批現代學徒制試點單位物聯網應用技術專業項目[桂教職成（2018）27號]的研究成果之一。

作者簡介：杜立嬋（1979— ），廣西玉林人，碩士，南寧職業技術學院副教授，研究方向為物聯網應用技術專業教學與改革;王彪（1986— ），內蒙古烏蘭浩特人，碩士，南寧職業技術學院副教授，研究方向為物聯網應用技術專業教學與改革;趙云（1979— ），廣西梧州人，碩士，南寧職業技術學院工程師，研究方向為物聯網應用技術專業教學與改革;張青（1972— ），湖南常德人，碩士，南寧職業技術學院教授，研究方向為物聯網應用技術專業教學與改革。

（責編 羅異豐）