“以學為主，項目驅動”的嵌入式系統課程教學設計研究
——以基于STM32的智能小車項目為例

張啟龍

（六盤水師范學院物理與電氣工程學院，貴州 六盤水 553000)

0 引言

現如今，“大眾創業、萬眾創新”的大背景下，高校紛紛響應國家的號召。陸軍工程大學[1]為了想辦法充分去調動學生的積極性和動手興趣，增加學生的積極創新意識，把理論課和實踐課時進行有機融合，通過把理論知識穿插在實踐項目中，讓學生去通過學習制作項目的過程掌握好枯燥難懂的知識點，再通過完善考核目標來閉環前面的考核機制，使得該方法有效地實施；南京城市職業技術學院[2]通過把STM32 嵌入式系統微景觀設計項目有機融入理論課中進行講授，制定相應考核要求，且落到實處，以避免大創項目的形式主義和“雞肋”困境，再者，為了實現項目到產品推向市場的目的，所選的項目很具有代表性，從而提高學生學習的興趣；吉林大學[3]針對學生學習嵌入式系統課程不積極、不主動的問題，將研究性學習法融入了理論課堂教學當中，從而去構建基于“學生主體，老師主動”的相關教學模式，老師在整個教學過程中起主導作用，讓學生去單獨面對每一個項目，激發學生的獨立思考能力，進而培養學生獨立面對問題和解決問題的能力，提升學生的終身學習能力和主動性；上海應用技術大學[4]采用慕課有機結合嵌入式系統創新設計課程的方法，使得授課方式多種多樣，學生學習方式多種多樣，以此來增強學生學習的興趣；針對創新創業類課程的傳統教學方法以講為主已不再適用，把課堂還給學生，以學生為主體[5-6]。因此，創新創業類課程的教學改革迫在眉睫。

由此可見，本文以學生為中心，以學懂會用為目的，提出“以學為主，項目驅動”的教學理念，設計以“三段式管理，八步法教學”的教學方法，依托基于STM32 的智能小車項目為例，詳盡闡明整個教學過程。再者針對以教為主的評價指標進行了細化，全面地支撐了每一個教學內容的完整有效實施。

1 教學設計總述

“三段式管理”指的是課前管理、課堂管理和課后管理，老師對學生的管理分為了課前、課堂和課后三段；“八步法教學”指的是線上學、網上查、線下做、問題引、教師講、學生秀、師生評、課后改。第一步是學生根據老師課前布置的項目要求，去學習網站上學習老師所放的微課視頻；第二步是學生學完微課視頻之后，根據項目要求去網上查找相關資料進行查缺補漏；第三步是準備好前期項目所需相關資料進行線下實驗室或者工作室進行項目調試制作；第四步是老師根據課前學生做項目的過程中存在的問題進行引導；第五步針對所存在的問題老師進行詳細的精講；第六步是學生拿著自己私下做的作品進行課堂現場展示，進行講演；第七步是在學生展示講演結束，其余學生針對該項目作品進行點評討論，然后老師對該作品進行點評打分；第八步是學生在收集好學生老師反饋的建議后，課下對該作品進行進一步的調試改進。具體如圖1所示。

該門課程根據學時的要求，總的安排了四個項目。項目一是安排了兩個學時，所做項目是點亮一盞燈，該項目有四個任務點，屬于個人的低階項目，每個學生都要個人完成，對個人也進行單獨的考核；項目二安排了兩個學時，所做項目是學生們常見的籃球賽計分器，該項目也有四個任務點，也屬于低階的個人項目，可以根據實驗室里的面包板搭建一些外圍電路去實現；項目三安排了四個學時，由于難度增大，結合了前面的兩個項目內容，也有四個任務點，屬于低階個人項目；第四個項目是一個綜合性項目，難度較大，需要學生以團隊的形式去完成，屬于高階的團隊項目，任務點較多，且每一個任務點的完成難度較大；總的來說，該課程項目有三個低階的個人項目和一個高階的團隊項目，其中每一個項目都具有基本、進階和拓展三個層次，四個項目也是相互依托、難度層層遞進的。具體如圖2所示。

圖2 項目分布圖

1.1 課前管理

課前管理是以學生為主體，學生根據老師課前發布的項目設計要求，去進行線上學習相應的微課視頻，網上查相應的技術參數，然后進行線下做。該項目主要以STM32單片機為主的控制系統，其中STM32負責采集紅外避障傳感器，紅外循跡傳感器，ESP8266Wi-Fi 通信模塊，TCS34725 色彩傳感器的數據進行分析和處理，并且發出相應的控制指令對執行模塊進行控制，最后在OLED顯示當前系統狀態；從而實現避障、循跡、Wi-Fi通信功能，以及MG90S數字舵機實現四自由度機械臂，實現顏色識別，完成機械臂的智能分揀功能；結合機智云云平臺實現手機App開發，實現對智能小車無線遠程控制。系統總體框圖如圖3所示。具體要求如下：

圖3 系統總體框圖

1) 熟悉STM32單片機開發環境，掌握STM32單片機相關程序設計。

2) 運用單片機內部定時器產生PWM 信號，對L293D 電機驅動模塊進行控制，實現智能小車的前進、停止、左/右轉、后退、調速等。

3) 運用單片機外部中斷EXTI，實現按鍵控制。

4) 學習紅外避障/循跡模塊工作原理，實現避障、循跡功能的軟件硬件設計。

5) 學習利用TCS34725 色彩傳感器，實現顏色功能的軟件硬件設計。

6) 學習單片機進行串口通信，實現數據傳輸。

7) 學習機智云云平臺產品開發流程，完成產品設計。

8) 采用ESP8266WIFI通信模塊，結合機智云軟件開發平臺完成手機App的開發。

9) 運用OLED 液晶顯示屏，實現智能小車當前功能顯示。

1.2 課堂管理

課堂管理是以學生為主體，老師為主導，按照問題引、教師講、學生秀和師生評四步進行，每一個項目都是嚴格按照這些步驟開展整個課堂教學。老師根據學生線下做項目的過程中存在的問題進行課堂精講，講完之后，學生根據自己的作品按照順序進行現場講演，講演結束之后，其余學生對該作品進行討論提問，講演者進行答辯，最后老師進行總結和點評。具體過程如圖4所示。

圖4 項目測試效果圖

1.3 課后管理

課后管理是指學生根據答辯的結果進行線下的進一步優化，針對答辯過程中老師及學生提出的問題進行更正，通過小組討論，線下進一步改進。通過不斷改進后完整的作品如圖5所示。

圖5 智能小車完整圖

2 考核方式設計

考核評價分別以線上為輔和線下為主構成，線上由課前微課視頻、課前自測和發表討論三大部分組成，線下由項目制作、項目答辯和課堂表現三大部分組成。每一個部分都有對應的具體評分標準，針對項目答辯模塊，具體評價的做法是根據學生的分組進行打分，每一組都有提問分和答辯分，根據兩部分分占比來計算該組的綜合得分，然后根據組內成員的排名來依次遞減，評出每一個組內成員的具體得分。具體每一部分的占比權重分配如圖6所示。

圖6 考核評價指標具體權重分配圖

每一個模塊按照四個維度進行評分，每一個模塊具體評分標準如表1-表4所示。

表1 微課視頻評價指標

表2 項目制作評價指標

表3 課前自測評價指標

3 結論

本文以學生為中心，以學懂會用為目的，提出“以學為主，項目驅動”的教學理念，設計了以“三段式管理，八步法教學”的教學方法，依托基于STM32的智能小車項目為例，詳盡闡明整個教學過程。為充分保證該教法的真正有效實施，進一步健全細化了考核標準。