基于多授課平臺的嵌入式系統課程在線教學實踐

楊 靜，胡秋琦，朱雪秦，王 毅

（1.哈爾濱工業大學（深圳）實驗與創新實踐教育中心，廣東深圳 518055；2.深圳大學計算機與軟件學院，廣東深圳 518060）

0 引言

2020 年后，隨著疫情防控措施常態化，高等教育教學活動模式隨之動態調整。教育部發布《關于在疫情防控期間做好普通高等學校在線教學組織與管理工作的指導意見》指出，高校應充分利用網絡資源，積極開展線上授課、線上學習等網絡教學活動，保證學生學習進度［1-4］。

隨著互聯網信息技術快速發展，教學模式逐漸多樣化。采用課堂問題啟發模式、項目引導式、MOOC 課堂、SPOC 專屬課程、翻轉課堂及混合式教學［5-10］，極大豐富了傳統線下課堂教學效果。但在實踐類課程中，因實驗平臺限制，課程多為演示性實踐，學生無法參與軟件設計和硬件接線實際操作中，導致學習熱情較低。為此，本文針對嵌入式系統實踐類課程，采用口袋實驗儀器作為實驗平臺完成課程。口袋實驗儀器實驗功能豐富，外形小巧、方便攜帶，可由教師功能測試后郵寄給學生使用，便于學生進行課堂學習和課后二次開發。

2022 年春季常態化防控時期，哈爾濱工業大學（深圳）嵌入式系統課程授課團隊為了提供無差別的線上課堂體驗，在軟件方面，借助互聯網授課平臺，分專業建立QQ 學習群，在群內共享學習資料，發布通知，保證每位學生充分了解所學知識；在硬件方面，準備了300 余套MSP 430 口袋實驗儀器，并于課前一周將實驗板件寄給每位學生。此外，采用雨課堂、騰訊課堂和騰訊會議共3 種平臺共同授課。課堂包括一位主講教師和兩位協同教師同時授課，以便于隨時解答學生疑問。實踐表明，口袋實驗儀器打破了授課時空限制，多授課平臺功能互補提升了課堂活躍程度和學生參與度，極大鍛煉了學生的動手能力和工程實踐能力。

1 教學模式選擇

在線教學需要凝練授課內容，提出課程重點與主線。由于案例化教學方式重點突出、思路清晰，能提升學生學習的連貫性［11-19］。因此，本文采用案例化項目驅動方式使學生在學習過程中跟隨主線實踐鍛煉，達到結題要求。

課程總計20 個學時，以實現項目要求目標的前提下設計課程方案。其中，前16 個學時講解案例設計中包含的知識點，重點講解項目中用到的功能。例如，GPIO 模塊、定時器模塊、ADC 采樣模塊。后4 個學時供學生自由調試，在自由調試的最后1個學時進行作品分享交流會。

為此，教學平臺應滿足以下3 點要求：①直播流暢度較高；②授課平臺互動方式豐富；③具備學生自我展示平臺。

1.1 口袋實驗儀器與網絡授課平臺相結合

嵌入式系統軟件設計實驗的教學目標是使學生掌握嵌入式軟件的開發流程，鍛煉學生軟件編程、調試、燒寫等能力，在此過程中培養學生嚴謹的科學態度和認真細致、實事求是的工作作風。

為達到線下教學效果，在線教學需緊密結合口袋實驗儀器硬件平臺與網絡授課平臺，充分發揮網絡授課平臺的優勢，最大程度展現、分享口袋實驗儀器硬件平臺在實際教學中的使用情況。口袋實驗儀器具有小巧靈活、便于運輸、郵寄方便等優勢，手機攝像頭即可拍攝全貌，便于錄制硬件平臺的LED 燈、按鍵、屏幕顯示等操作，為嵌入式系統線上教學提供了可行性。

采用多種網絡授課平臺可實現優勢互補，將基于口袋實驗儀器硬件平臺的應用軟件設計教學全過程在課堂上進行展現。其中，口袋實驗儀器與網絡授課平臺的結合點體現在以下3個方面。

（1）騰訊課堂展示教師端課堂全貌。通過共享桌面提供清晰的課堂PPT 和板書；手寫板、動畫等功能引導學生進行思考，消化教學內容；在線視頻能消除線上教學的距離感，同時可正面展示口袋實驗儀器的每個硬件細節，便于學生快速定位硬件接線，了解實驗現象。

（2）雨課堂的課堂答題、互動投稿等功能，將口袋實驗儀器硬件平臺的具體電路問題設計為填空題、選擇題、主觀題等題型。例如，在深入學習嵌入式軟件設計實際案例中，講授口袋實驗儀器硬件平臺中各種外設接口及其使用方法，在每個模塊的教學過程中使用課堂答題、互動投稿等功能加深學生對口袋實驗儀器硬件平臺的理解和掌握。

（3）騰訊會議的發言分享功能可設計翻轉課堂。在使用口袋實驗儀器硬件平臺實現教學案例任務后，可轉換師生角色。學生在課上分享嵌入式軟件設計案例的具體實現方案和思路，不僅能加強課堂互動效果，對學生也是一個自我展示的平臺，有利于鍛煉學生綜合能力。

實踐表明，通過口袋實驗儀器硬件平臺和網絡授課平臺的有機結合，不僅完成了與線下教學一致的教學目標，還帶給學生全新的聽課體驗。將課上交流互動擴展延伸到課下全方位溝通，既加強教師和學生間的教學結合，又強化了學生間的相互交流和分享，對傳統教學方法的改革創新具有一定借鑒意義。

1.2 多平臺授課選擇

多平臺交叉融合教學方案如圖1 所示。在課程前16學時，教師通過雨課堂和騰訊課堂進行雙直播，學生在計算機屏幕端使用騰訊課堂，手機端app 使用雨課堂互動。在學生自由調試的最后1 個學時，使用騰訊會議進行作品分享、交流。

Fig.1 Multi-platform cross-integration teaching mode圖1 多平臺交叉融合方式教學

由圖1 可見，各平臺授課方案優勢互補。騰訊課堂直播功能強大，直播流暢程度較高，教師可出鏡授課。同時，騰訊課堂還具有簽到功能，教師能在課堂休息后發起簽到，令學生快速重回課堂，形成考勤統計數據。

雨課堂互動功能強大，僅通過手機app 端可實現課堂互動。教師通過雨課堂發布課前預習題、課后作業題，題型包括填空題、單選題、多選題、主觀題，教師課線上批改完成后，系統將自動統計成績，便于教師了解學生知識掌握情況。教師主動發起課堂互動方式包括在雨課堂PPT中插入填空題、單選題、多選題、主觀題（問答題）、投票題等。學生提交答案后系統將顯示做題正確率、答題率等數據。學生主動發起交流的方式包括彈幕、投稿、PPT 頁標等，在投稿功能中學生可上傳圖片、文檔和小視頻到課堂進行分享，以提升課堂師生、生生之間的交流互動。

QQ 學習群便于教師發布各種通知、上傳學習資料，便于學生使用視頻或語音聊天對疑惑知識進行課后提問和交流。此外，教師可使用遠程桌面控制功能幫助學生進行程序調試，彌補無法面對面操作的缺陷，因此該方式可為雙課堂直播授課提供輔助。

騰訊會議的優點在于學生可隨時開麥，主動分享學習成果。同時，教師可隨時對學生學習成果進行點評，指出學生薄弱之處。

1.3 團隊協同授課模式

在線課堂為解決師生互動問題，采用一位主講教師，兩位協同教師的方式進行授課。三位教師共同備課，確保課堂授課的內容和節奏一致。具體的，主講教師通過騰訊課堂授課，兩位協同教師在雨課堂、QQ 群中及時解答學生問題。實踐表明，學生提問主動性大幅度增加，提問難易程度呈現梯級上升。

2 實驗教學案例設計

2.1 教學案例項目需求分析

采用案例化教學模式，首先需要提出案例化項目需求，然后分析出所需完成的硬件和軟件程序設計，接下來結合口袋實驗儀器現有的處理器和外圍擴展電路資源確定需要重點學習的單元模塊，最后根據案例項目完成各單元模塊特定功能的學習和訓練，綜合調試完成所選擇的案例化項目。

本文以智能燈光控制系統項目為例，該項目主要完成一個隨著外界環境光線強弱調節環境光亮度的燈光系統。項目實際需求是系統檢測環境聲音，當聲音達到閾值時，表示需要打開燈光系統。在采集聲音的同時進行計時，當一段時間檢測不到聲音，系統便自動關閉燈光。并且，系統在提供燈光服務過程中，會根據外界光強自動調節燈光強度。

根據案例項目需求分析，在口袋實驗儀器的硬件平臺中選擇大功率LED 燈作為燈光系統的控制對象，通過麥克風、放大電路及處理器中的定時器A、GPIO 和ADC 模塊提供控制信號，具體為點燈滅燈、調節燈光強度兩個操作號。

2.2 案例項目硬件設計

智能燈光控制系統的控制對象為大功率LED 燈，該燈需要大電流驅動，控制信號為PWM 信號。對外部聲音和光強信號進行采樣后，采用閉環控制調節算法形成PWM信號調節控制對象，實現可調聲控燈系統，如圖2所示。

Fig.2 Hardware design of intelligent lighting control system圖2 智能燈光控制系統硬件設計

由圖2 可見，聲音信號經過麥克風和放大電路后，放大后的電壓信號作為模數轉換器的一路輸入信號；光強信號經過光敏傳感器轉換后的電壓信號作為模數轉換器的另一路輸入信號。數字信號經過開發板MCU 的模數轉換器處理后，經過控制邏輯生成PWM 驅動信號，驅動大功率LED 燈點亮和熄滅，并且根據外界環境光變化改變PWM信號的占空比，調節燈光亮度。

2.3 案例項目軟件設計

在熟悉GPIO 模塊、定時器模塊和ADC 模塊的具體引腳后，對應用軟件進行流程圖設計。由于智能燈光控制系統既能根據聲音信號實現點燈、滅燈功能，還能根據環境光強調節光強。因此，根據流程圖（見圖3）進行程序設計并調試，對聲音信號和光強信號進行邏輯判斷，控制驅動信號實現智能燈光控制系統各項功能。

Fig.3 Intelligent lighting control system software design flow chart圖3 智能燈光控制系統軟件設計流程圖

2.4 融入思政元素

全國高校思想政治課中提到，要堅持把立德樹人作為中心環節，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現全程育人、全方位育人，開創我國高等教育事業發展新局面［20］。本課程對學生思想政治教育應從以下3 個方面入手：①順應思想政治理論教育，增強學生的政治認同和文化自信；②通過科學家們在物理電子學、半導體、集成電路、通信等工業產業的杰出貢獻，培養學生的科學奉獻精神；③通過民族工業在通信、互聯網信息、基建等方面的影響力和成就，增加學生科技報國的信心和決心。

教師應充分利用互聯網教學工具，根據案例教學設計課程資料、實踐任務、課后作業等，開設擴展閱讀角融入課程思政元素，使學生在閱讀中受到思政教育。例如，在單片機發展史授課過程中，推送中國半導體行業的發展進程和取得成就；在定時器授課過程中，推送哈工大航天精神等相關鏈接。

3 雨課堂貫穿課程考核

3.1 課前預習

嵌入式系統實踐課程對學生提前預習相關知識的要求較高。傳統課堂布置預習作業均為紙質作業方式，不利于課堂內容銜接。

在線教學借助雨課堂的課件、習題發布功能，使學生在提交答案后立即得到成績結果和問題解析，在一定程度上解決了學生在預習期間的疑問。

3.2 課上投稿互動

雨課堂投稿功能強大，學生可上傳圖片、文檔和小視頻至課堂進行分享，如圖4 可見。該功能增強了師生、生生交流，便于教師點評優秀作品，鼓勵基礎較弱的學生向優秀學生學習。

Fig.4 contribution function in rain classroom圖4 雨課堂投稿功能

3.3 課后作業發布

雨課堂習題發布功能可選擇試卷方式發布，包括填空題、選擇題、主觀題等各種題型，支持文本、圖片、視頻等方式上傳答案，學生在線作業提交的數據將被實時記錄，便于教師統一測評。同時，教師在批改作業時能添加評語和批注，解決學生在作業中存在的問題。通過QQ 群和雨課堂討論區，可便于生生、師生相互交流，討論遇到的問題。

4 騰訊課堂在線直播

騰訊課堂直播功能強大，可通過直播共享PPT 講解課堂重難點知識。點名功能包括語音和視頻兩種，便于教師掌握課堂動態，提升學生聽課專注度。同時，騰訊課堂還兼顧直播回放等功能，便于學生課下進行針對性復習。

在授課過程中，教師可使用畫板功能標記重難點知識，也可單擊畫中畫功能，打開教師端攝像頭進行實物展示。實踐證明，運用騰訊課堂結合雨課堂，能顯著提升課堂互動效果，擴展學生知識獲取途徑，提升學生的實際動手能力。騰訊課堂直播畫面如圖5所示。

Fig.5 Tencent classroom live broadcast screen圖5 騰訊課堂直播畫面

5 騰訊會議分享作品

在課程總結和答疑環節開設騰訊會議，便于學生分享學習成果和師生、生生相互交流。在會議過程中，學生可隨時提出疑問，教師及時給予解答，對于部分共性問題可統一在學生分享知識的過程中進行重點強調。

此外，在測評環節增添加分項，例如分享的學生可適當在課程考核中加分，以激勵學生積極分享自身成果。實踐表明，在該方式激勵下主動分享的學生占課堂總人數80%。課堂分享環節展示如圖6所示。

Fig.6 Students sharing results in Tencent Conference圖6 騰訊會議學生分享成果

6 結語

本文提出了一種在嵌入式系統實踐在線課程中，采用騰訊課堂、雨課堂、騰訊會議和QQ 學習答疑群的多授課平臺教學方法。該方法運用口袋實驗儀器實驗平臺，取得了良好的教學效果。通過案例化教學設計，讓學生親身融入智能系統的軟件設計與開發過程中，深入了解電子產品軟件設計和可維護性的重要性。通過分享優秀學生代碼，使學生掌握嵌入式編碼方式，理解項目開發過程中存在的競爭合作關系。

通過2022年春季的教學實踐表明，多平臺交叉融合授課能顯著提高在線教學質量和課堂活躍度，提升了學生設計編碼、運行調試能力和復雜工程的實踐能力，值得深入研究和推廣。