基于军队院校微型机应用技术课程建设的思考

汪永红+王瑞敏+王震宇

（解放军信息工程大学 四院，河南 郑州 450000）

摘 要：围绕部队对指挥军官人才的培养需求，结合目前高校微型机应用技术课程教学现状，对课程内容设置、师资队伍建设、教学方法、考核方式等方面提出一系列改革思路，以解放军信息工程大学合训学员为教学实施对象组织教学，教学效果表明这种改革可以有效调动学员学习积极性，提高教学质量。

关键词：合训学员；微型机应用技术；课程建设；团组式教学

0 引 言

微型机应用技术是计算机、电子工程、信息与通信工程等专业的一门专业基础必修课，是学生学习和掌握微型计算机硬件基础知识、汇编语言程序设计以及常用接口技术的入门课程。通过本课程的学习，学生可以从理论和实践上掌握现代微型计算机的基本组成、工作原理及典型接口技术，建立微型计算机系统的整体概念，具备计算机硬件应用分析问题和解决问题的初步能力，为后续专业类课程学习打下坚实的基础。目前，很多高校主要以桌面处理器为主介绍微型机应用技术课程，很少涉及微型机系统的一个主要应用形式——嵌入式计算机系统的相关内容。为此，笔者就微型机应用技术课程在理论设置、实践设置、教学方法、师资队伍建设、考核方式等方面提出一系列改革方案，以期能培养出满足部队需求的军事人才。

1 课程教学内容改革

1.1 理论设置

目前桌面个人微机、各类服务器和嵌入式计算机系统是微型机系统的三大主要应用形式，其中嵌入式处理器在生产、生活和军事应用中占据核心地位。随着物联网的大规模部署，万物皆嵌入、处处皆嵌入（everything embedded， everywhere embedded）的场景终将出现在眼前，然而很多高校依然以桌面处理器为主介绍微型机应用技术课程。解放军信息工程大学为了满足新型军事人才的培养需求，对教学内容进行了改革。理论设置主要包括两个方面的内容：桌面处理器和嵌入式处理器。桌面处理器以X86为主，主要讲述微型计算机的系统组成、处理器结构、微机总线、存储系统、输入输出接口等。通过桌面处理器的学习，学员能够建立起桌面计算机的整体概念，了解一个程序在计算机中的运行过程并且获得直观认识：不管基于什么处理器设计实现一个系统，其基本原理是一样的。目前的嵌入式处理器主要有ARM、MIPS、PowerPC等，很多军事设备都是基于ARM处理器的，为了贴近军事应用，可以ARM为主讲述嵌入式开发原理、方法及过程。通过ARM处理器的介绍，学员可以建立起嵌入式系统的概念，熟练掌握嵌入式开发环境和工具的使用以及嵌入式应用程序的开发流程，能进行简单的嵌入式应用程序开发。

1.2 实践设置

传统的微型机应用技术实验大多是基于实验箱进行的，学员直到整门课程结束也没有理解其内部结构及工作原理，更不用说掌握开发技术。为了改善这一现象，教师可对实验设置进行改革：采用团队式教学，每2～4个学员组成一个实验小组，每个小组分发一套实验套盒。开展实验前，首先给学员讲述万用表、逻辑分析仪、电烙铁等设备的使用方法，学员拿到实验套盒后，利用焊接设备进行相关焊接；根据下發的资料、视频安装实验环境，然后学员上网查阅测试方法和使用方法。实验包括SOS实验、开关实验、七段数码管实验、呼吸灯实验等。教员提供给学员的示例代码中有一个发光二极管的亮、灭实验，要求学员首先搞明白示例代码的实验原理，依据发光二极管的电路图在面包板上使用电阻、发光二极管搭建电路，实现发光二极管的显示，然后对示例代码稍加修改，实现SOS实验。开关实验要求学员首先了解开关的工作原理，进而依据电路图在面包板上搭建开发电路，实现开关控制发光二极管的亮、灭；要求学员用通用的GPIO接口和中断两种方式实现开关，实验完成后要求学员思考查询和中断的优缺点，加强对课本CPU与外设不同数据传输方式的理解。七段数码管实验要求学员了解七段数码管的显示原理和三极管的使用方法，然后利用三极管、七段数码管、电阻在面包板上搭建电路，利用开关实现七段数码管上显示数字的增、减。呼吸灯实验要求学员利用PWM实现三色灯的渐灭渐亮，学会如何通过改变PWM占空比改变模拟电压。通过这些实验，学员可以掌握万用表、逻辑分析仪和电烙铁的使用，学会看电路图并能根据电路图搭建实验电路，了解GPIO、中断、PWM的工作原理和使用方法，学会嵌入式应用程序的调试方法和开发方法。

2 课程教学方法改革

2.1 多媒体教学

教员应充分利用多媒体课件向学员展示嵌入式系统的应用，利用动画向学员展示国内外无人机和机器人的外形及行为，使学员一方面可以感受到外军无人武器发展现状，另一方面也切实感受到无人机和机器人的强大功能，激发学员动手实现简单机器人的兴趣，起到很好的教学效果。嵌入式开发中经常需要看开发板PCB布局、开发板逻辑图、电路图等，教员可通过多媒体图片的形式将它们展示给学员并加以介绍，教员也可依据原理图具体操作，帮助学员更好地理解课程内容。

2.2 “三步走”实践教学

微型机应用技术实践性很强，涉及知识面广，因此做嵌入式开发需要让学员直观地学会开发环境和工具的使用，学会看开发板的用户手册、技术手册和逻辑图[1]，学会综合利用示例代码实现所需功能。为达到教学目的，教员可以采用“三步走”的实践教学方式[2]：首先将学员领进门，然后扶上马，最后才撒开手。

例如，为了让学员了解如何点亮一个发光二极管，教员指导学员首先从用户手册中找到发光二极管的逻辑图，搞清楚发光二极管的亮、灭原理；然后让学员查阅用户手册或看开发板逻辑图，找到一个可用的GPIO引脚；进而带领学员一步步在面包板上搭建出发光二极管的电路图，然后通过修改示例代码实现发光二极管的亮、灭控制。通过这种手把手地帮助学员完成一个具体实验的方式，学员可以熟悉开发板的接口使用，学会电路的搭建方式，掌握Keil集成开发环境的使用，激发进一步开展实验的热情。将学员顺利“引入门”后，教员还要引导学员综合运用所学知识与技能，创造性地完成实验项目，帮助学员学会“怎么做”，以便学员最终能够脱离教员的指导独立开展相关工作。在本实验设置中，让学员在实现发光二极管亮、灭的基础上，能自己实现呼吸灯。最后“撒开手”，通过一定的方法激发学员主动思考，使其将知识与技能转化为自身的能力与素养，能够独立应对相关问题，如教员提出若干模块，让学员通过查阅资料和自主学习独立解决；学员甚至可以自己提出一个要解决的问题，然后查阅资料、购买元器件和搭建电路，最终编码实现。

2.3 研讨式教学

为激发学员学习热情，教员在授课过程中可以“军用机器人”为主题开展3次讨论课，让学员以组为单位分别查阅中国无人装备、以色列无人机技术、美军无人机技术的现状、发展和几款典型的无人机、机器人，然后集体制作PPT并选代表上台演讲，就演讲内容开展讨论，激发学员的学习热情和研发军用机器人的兴趣。

2.4 开放实验室和自主命题的团组式教学

教员在基本实验基础上，引导学员围绕自命课题方向进行专题阅读和讨论[3]，提出研究报告和选题报告，培养学员的文献阅读撰写能力和团队合作精神。此外，鼓励学员课外参与军用机器人的创新实践，采用开放实验室方式将实验器材发至学员，使学员有更多的机会进行实践锻炼；注重课后辅导和交流，建立嵌入式学习微信群，即时为学员答疑解惑。实践证明，学员的学习积极性、实践动手能力和独立解决问题能力都得到显著提高。

3 师资队伍配备

开展微型机应用技术教学改革需要教员具有不断学习新嵌入式处理器的能力，能够借鉴国内外高校的成功教学经验并将科研成果转化成教学案例。为此，课题组每周组织一次教学研讨，就教学内容、教学方法和教学案例展开讨论，提倡团队合作教学，鼓励教员到国内外高校参观、学习和交流。我们的教员多次参加ARM Cortex M系列嵌入式培训和Intel机器人培训，多次赴清华大学、浙江大学、国防科技大学和陕西师范大学参加教学培训，参加高校微课、慕课与翻转课堂等教学专题经验报告会，目的是将先进的教学方法和教学案例带回来，提高教学团队中每个成员的知识水平和教学水平。

4 考核方式改革

教员可改革课程考核办法，增加平时成绩和实验成绩比例，最终成绩=平时成绩×20%+实验成绩×30%+卷面成绩×50%。平时成绩根据出勤情况、举手发言情况、研讨表现和作业完成情况判定；实验成绩根据实验表现、实验报告、实验结果、视频录制情况判定；卷面考试共100分，包括判断题、选择题、填空题、简答题和论述题。判断题、选择题和填空題主要考查学员对基本概念和术语的掌握情况；简答题主要考查学员对嵌入式系统的基本设计能力；论述题主要考核学员如何利用所学为军队服务和学用结合方面的思考。这样既可以考核学员对基本概念和基本实验的掌握情况，又能对学员课下的文献阅读情况进行考核，考试成绩基本能反映出学员的综合能力和素质。

5 结 语

由于采用以上教学方法，微型机应用技术课程取得了良好的教学效果，教学班考试成绩统计情况见表1，其中，最高分为96，最低分为54，平均分为71.9。

从考试情况看，学员基本熟悉微型机系统的开发原理与技能，能实现一个具有实际应用价值的简单系统的开发，达到了教学要求。课程结束后，学员普遍反映收获很大。教学班学员在结课后自发组织两个战队参与RoboMasters全国大学生机器人大赛，主动寻求参赛的技术支持，在课下利用一切空闲时间查阅资料，校外参观交流，自费购买元器件，进行机器人的设计、组装和调试；部分学员根据射击学原理知识设计出校准弹道的表尺，大大提高了瞄准精度和射击的准确率；部分学员通过设计弹道、炮管、补给站、战车等成长为机械设计高手；大多数学员从对微型机应用程序开发一无所知迅速成长为一名嵌入式开发高手。最终，两支战队在RoboMasters2016全国大学生机器人大赛中均取得西部赛区三等奖的成绩。以上成绩说明微型机应用技术课程的教学启迪了学员的思维，激发了学员进行微型机应用程序开发创新实践的热情。

第一作者简介：汪永红，女，讲师，研究方向为嵌入式开发与应用，Yong_hong_wang@163.com。

参考文献：

[1]王保进， 齐宁， 汪永红. 面向嵌入式系统教学的“微研发”方法探究[J]. 教学研究， 2015（3）： 57-60.

[2]王炜， 井靖， 焦建华.“三步走”计算机专业实践教学方法探索与实践[J]. 计算机教育， 2015（6）： 108-110.

[3]王震宇， 汪永红， 司彬彬. 基于自命课题的团组式教学模式改革的探索[J]. 计算机教育， 2014（16）： 43-45.

（编辑：宋文婷）