應用型大學智能芯片類課程群建設研究與實踐

摘 要 智能芯片類課程是應用型大學電子信息工程專業的核心專業課程。針對南京工程學院電子信息工程專業智能芯片類課程存在的問題，采用“頂層設計+循序漸進+理實一體”的研究思路進行智能芯片類課程群建設，以嵌入式系統應用為主線規劃和統籌當前三門課程的教學和實驗內容，通過課程群建設、應用實踐，取得很好的效果。

關鍵詞 智能芯片類課程群；電子信息工程專業；應用型大學；單片機原理及應用；嵌入式系統；嵌入式系統編程

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）20-00-05

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.20.067

0 引言

應用型本科院校是指介于研究型高校和高職高專之間的一種高等教育類別或類型，是以培養應用型人才為主要任務和目標的辦學層次。應用型大學電子信息工程專業要培養“系統掌握電子信息工程基礎理論和專業技能，具有提出和解決電子信息領域復雜工程問題能力的高水平應用型工程技術人才”。電子信息工程專業智能芯片類課程是以微控制器類芯片為應用對象的專業課程，培養學生基于單片機/嵌入式芯片開發工程應用系統的能力。

1 課程現狀分析

南京工程學院電子信息工程專業的智能芯片類課程目前包括單片機原理及應用、嵌入式系統和嵌入式系統編程，這些課程在內容上存在一定的重疊，且各自的重點不夠明確。此外，這些課程的獨立性較強，相互之間的交流與協作不夠，在一定程度上影響了對學生綜合能力的協同培養。

1.1 總課時偏多

單片機原理及應用3學分（理論40學時，實驗8學時），單片機原理及應用課程設計1學分；嵌入式系統3學分（理論32學時，實驗16學時），嵌入式系統課程設計1個學分；嵌入式系統編程3學分（理論32學時，實驗16學時），因此，三門課程一共有11學分，理論104學時，實驗40學時，課程設計學時32。目前，學校對培養方案改革的方向是減少學分，可以通過課程群建設來實現。

1.2 課程內容有重疊

電子信息工程專業培養具有電子信息系統研究、設計、開發、集成和應用等工程能力，具備較強的工程實踐能力和創新意識的高水平應用型工程技術人才。智能芯片類課程是電子信息工程專業的重要專業課程，課程間內容有重疊（如系統總體架構、外設組成及原理、匯編語言程序設計等），課程間系統性不足，導致學生認知能力不足，影響學生基于MCU/MPU等芯片進行應用系統的設計和開發。以課程群為中心，統籌安排教學內容，明確每一門課程在課程群中的位置和作用，可以有效減少內容重疊，突出重點。

1.3 實踐操作缺乏系統性

三門課程雖然都安排有課內實驗，單片機原理及應用、嵌入式系統還有獨立的課程設計，這些實踐環節都是基于基礎的操作，系統性不足。以課程群建設為中心，選擇一種嵌入式芯片為操作對象（如意法半導體公司的STM32芯片），實踐環節的安排層層遞進：單片機原理及應用課程強調基礎知識的操作和應用；嵌入式系統課程以庫函數編程完成較復雜的應用課題；嵌入式系統編程是在操作系統基礎之上進行應用程序的開發。

1.4 在單門課程教學上也存在問題

1.4.1 重理論、輕實踐

由于實驗環節的評分較主觀，學生對理論考試的重視程度高于實驗課程。同時，實驗內容受實驗設備的限制，更新較慢，只能開展一些基礎性的實驗，導致學生動手實踐能力較差，理論和實踐脫節。

1.4.2 重局部、輕整體

課程內容系統性較差，課程學習完成以后，部分學生不能對系統的架構和工作原理進行正確描述，無法準確理解三門課程層層遞進的知識結構，綜合應用能力較差，相關的學科知識不能融會貫通。

1.4.3 重講授、輕創新

由于課程知識枯燥抽象，在傳統教學模式下，學生的學習興趣差，主動性和創新意識不強。

2 智能芯片類課程群建設

當前，電子信息技術發展很快，面對較復雜的工程問題，單片機作為典型的8位MCU將逐漸被32位ARM所取代，這對獨立設課的課程教學是不利的，學生無法準確把握技術發展脈絡。每門課程雖然都有相關的實驗環節，但分別對應多種芯片，關聯性不足，導致學生的實踐應用能力較差。

為了更加全面地構建能夠達到專業培養目標的課程體系，高校把教學計劃中內容上有關聯、性質上相接近，滿足同一專業的多門課程或不同專業的系列課程進行重新規劃、設計、構建、整合成課程集群，簡稱課程群[1-2]。

課程群建設就是將相關的課程組合起來進行整合，刪去陳舊內容和課程間的重復內容，注重各門課程的相互銜接，統一協調處理各門課程對相同知識點的闡述，提高教學效率，實現單一課程建設所達不到的規模效益[3]。

本文對南京工程學院電子信息工程專業智能芯片類課程的課程群建設進行探索和實踐研究，針對當前課程配置存在的不足，提出智能芯片類課程群建設方案，智能芯片類課程教學大綱確定的教學內容如圖1所示，圖中虛框部分為存在內容重疊并可優化的教學內容。

2.1 研究思路和方法

本文針對電子信息工程專業智能芯片類課程之間存在的總課時數偏多、內容交叉、重點不突出等問題，開展智能芯片類課程群建設研究，采用“頂層設計+循序漸進+理實一體”的研究思路：頂層設計是以嵌入式系統應用為主線規劃和統籌當前三門課程的教學和實驗內容；課程內容設置上循序漸進，從簡單到復雜；在實施上強調理實一體，既有理論教學，也有實踐和課程設計。在研究過程中主要采用理實一體、項目化教學、師生座談等方法。

1）理實一體。課程群以提高學生的理論和實踐能力為目標，理論教學上循序漸進、逐步深入，實踐教學上以某典型嵌入式芯片為平臺，實驗項目由易到難，理論和實踐相結合，達到良好的教學效果。

2）項目化教學。在理論教學中引入相關工程應用項目，引導學生從工程的角度思考問題、提出方案、設計調試、解決問題，最后對方案進行評價，實現問題的閉環。

3）師生座談。以師生座談的形式對課程群實施的效果進行評價，如單片機原理及應用、嵌入式系統、嵌入式系統編程課程結束后，了解學生對課程群方式開展教學的意見和建議，并在下一步的教學活動中進行整改。

2.2 課程群建設內容

課程是人才培養的核心要素，課程質量直接決定人才培養質量。課程群建設可從教學隊伍、教學內容和方法、教學評價等方面展開，以提升學生的核心競爭力和保證專業人才培養質量[4]。

2.2.1 教學隊伍

建設高質量課程群的關鍵是建設一支高水平的教學隊伍，它對于人才培養質量具有重要影響[5]。智能芯片類課程屬于專業課，課程內容直接面向未來就業，因此，教學隊伍不僅需要具備較強的課程教學能力和科研能力，還需要具備豐富的工程實踐經驗，能夠把握社會對電子信息技術人才的需求，將工程實踐知識有機地融入課堂教學。在教學隊伍建設過程中，一方面要考慮引進人才的科研能力和工程實踐經驗；另一方面，對于已有教師隊伍，鼓勵青年教師到相關企業進行掛職鍛煉，提高青年教師的工程實踐能力。

2.2.2 教學內容和方法

在教學內容和方法方面，既要合理統籌不同課程之間的教學內容，做到結構清晰、重點突出，也要考慮同一課程理論教學和實踐教學的內容，做到學以致用、以用促學。具體而言，可以采取以下

措施。

1）知識架構和專業知識點的學習并重。幫助學生理清課程群的知識脈絡，深刻理解專業知識點，提升利用專業知識解決實際問題的能力。

2）理實一體，合理安排理論學時和實驗學時的數量。為了增強理論教學的效果，可以將部分實驗內容放到理論課堂上，使理論變得生動有趣。

3）深入踐行項目化教學。通過項目導入教學內容，圍繞工程項目進行教學設計，最終落腳到工程項目的合理解決，真正實現“從項目中來，到項目中去”。

4）線上線下一體。智能芯片類課程有豐富的線上資源，如中國大學MOOC、微課堂等，線上資源多以視頻的方式呈現，可反復觀看，有利于引導學生建立起對重要知識點的認知、培養學習興趣。教師可以引導學生有選擇性地進行線上課程的學習，將線上學習和線下學習相結合。

2.2.3 教學評價

智能芯片類課程群建設是一個動態發展的過程，從課程群設計、教學活動開展、課程年度評價、畢業生就業反饋到課程群綜合評價等，其中每一個環節的小周期需要一個教學評價，針對課程群的一個大周期需要一個綜合評價，這樣可以對課程群建設進行動態優化調整。教學評價的方式包括考試評價、師生座談和問卷調查。

1）考試評價。考試成績能客觀評價學生的學習效果，根據課程的考試成績，合理分析課程教學存在的問題和不足。

2）師生座談。在課程教學過程中，與部分學生進行座談，了解學生對課程的認識、對未來就業的需求，根據座談結果調整教學內容。

3）問卷調查。對于已經畢業的學生，可以采用問卷調查的形式了解課程群教學和企業需求之間的關系，學生的就業能力能否較好地滿足企業對人才的需求等。

2.3 應用實踐

學校電子信息工程專業智能芯片類課程群建設主要措施如下。

2.3.1 課程群的頂層設計

智能芯片類課程群頂層設計如圖2所示。將智能芯片類課程的教學內容劃分為系統架構、開發語言、系統外設、操作系統和綜合應用五個部分，每一部分由若干知識點進行支撐。課程群內每一門課程都要圍繞這五大部分展開，明確課程定位，促進能力達成。通過頂層設計能有效規避課程之間的重疊內容，重點突出；在內容安排上層層遞進，使學生更容易接受課程知識；在實驗上以某種典型的嵌入式芯片為平臺，由淺入深地進行實踐安排，能使學生熟練掌握該芯片的工作原理和操作方法。

2.3.2 課程群所涉及課程的理論教學工作安排

對于一個課程群，每門課程在課程群中都有明確的定位。單片機原理及應用是智能芯片的基礎，強調對系統基本架構、基本概念的認識和理解，如系統的基本結構和工作原理、尋址方式、指令系統、匯編語言和C51程序設計方法、中斷系統、I/O口、定時器/計數器、串口通信等，程序開發以寄存器編程為主，因此開課時間最早。

嵌入式系統課程是在單片機原理及應用課程上的進階，重點講解嵌入式系統概念、ARM體系結構、ARM微處理器編程模型、嵌入式系統調試開發等，程序開發以庫函數編程為主，和單片機原理及應用課程重疊的內容可稍作強調。嵌入式系統編程課程是小型操作系統在嵌入式芯片上的應用與程序設計，課程以嵌入式Linux系統為背景，以C語言為主要工具，重點講解和底層相關的內核、文件系統、進程控制及進程間通信、線程控制、套接字編程等內容。

2.3.3 課程群所涉及課程的實踐教學工作安排

三門課程都有課內實驗，單片機原理及應用和嵌入式系統還有課程設計，考慮到當前嵌入式系統的應用非常廣泛，三門課程可選用某種典型的嵌入式芯片（如意法半導體公司的STM32芯片）作為三門課程的開發平臺。對于單片機原理及應用課程，可以基于該芯片進行簡單的寄存器編程，強調基礎和簡單的應用開發；對于嵌入式系統課程，可以基于該芯片進行較復雜的庫函數編程，強調高階性，實現較復雜的應用開發；對于嵌入式系統編程課程，需要在芯片上燒寫小型操作系統，通過交叉編譯環境實現基于操作系統的應用程序開發。學生基于該芯片層層深入地學習，有利于學生深刻掌握該芯片的開發過程和使用技巧。

在學校電信2019級本科生中開展智能芯片類課程群建設實踐。在大二下學期開設單片機原理及應用課程，任課教師在第一堂課就詳細介紹智能芯片類課程群以及單片機原理及應用課程在課程群中的定位和作用，使學生對課程群建立一個基本的概念，在專業知識的學習過程中逐漸建立起知識點在課程之間和課程之內的脈絡關系。該課程主要講授微控制系統的基本概念、相關資源，掌握基于寄存器進行系統開發的能力。在大三上學期開設嵌入式系統課程，該課程在單片機原理及應用課程的基礎上講授更多的內設/外設資源，使學生掌握基于庫函數進行系統開發的能力。在大三下學期開設嵌入式系統編程課程，該課程主要講授基于操作系統的嵌入式系統應用編程知識，使學生掌握嵌入式系統的核心架構，擁有自己的編程思想。通過層層進階的學習，學生能較靈活地應用以STM32為代表的嵌入式芯片進行系統開發，開發過程思路清晰、方案合理，取得較好的教學效果，為大四的電子信息工程專業綜合訓練和畢業設計等課程打下很好的基礎。

3 結束語

智能芯片類課程是應用型大學電子信息工程專業的核心專業課程，可以培養學生基于智能芯片開發工程應用系統的能力。目前，南京工程學院電子信息工程專業智能芯片類課程存在總課時偏多、課程內容有重疊、實踐操作缺乏系統性等問題。針對當前課程配置存在的不足，采用“頂層設計+循序漸進+理實一體”的研究思路進行智能芯片類課程群建設，以嵌入式系統應用為主線規劃和統籌當前三門課程的教學和實驗內容，從教學隊伍、教學內容和方法、教學評價等方面論述課程群建設內容，最后以電信2019級本科生為例，介紹智能芯片類課程群的應用實踐，取得很好的效果。

4 參考文獻

[1] 趙立波.軟件工程專業以軟件導論課程為中心的課程群

建設探索[J].高教學刊，2019（4）：58-60.

[2] 黃蘭英，李志敏，張濤.基于“OBE+思政”的軟件工程專

業課程群建設與改革[J].計算機教育，2022（1）：84-87.

[3] 王嘉才，楊式毅，于倩，等.課程集群化建設的研究與

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[5] 蘇慶，列志毅，劉冬寧，等.軟硬結合的計算機專業基

礎課程群實驗教學模式創新與內容體系優化[J].計算機

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*項目來源：南京工程學院教學改革與建設項目“智能芯片類課程群建設探索與實踐”（JXGG2023025）、“基于OBE+PBL理念的應用型高校學用創一體化專業課程建設與實踐——以《嵌入式系統》課程為例”（JXJS2023022）；南京工程學院高等教育研究課題“應用型本科院校青年教師工程實踐能力培養研究”（2023GJZC13）；江蘇省教育廳高校哲學社會科學研究項目“關于大數據和人工智能倫理問題的研究”（2022SJYB0449）。

作者簡介：楊會軍、程啟華，博士，副教授；蔣姝，博士，講師。