基于创客教育的高职院校“嵌入式微控制器的认识与应用”课程 建设研究

张晓芳 周静红

摘   要：文章阐述了“嵌入式微控制器的认识与应用”课程存在的问题，提出了以创客教育“实体作品”理念引领的课程设计总体方案。从课程内容及标准建设、线上+线下教学资源建设、教学模式实施几个方面阐述了以创客教育理念引领的本门课程建设的具体实施途径。通过智能小车实体作品进行技能强化和技术提升训练，提升学生的创新创业能力和竞争力。

关键词：创客教育;实体作品;智能小车;STM32;创新创业

党的十八大提出，实施创新驱动发展战略;教育部关于印发《教育信息化“十三五”规划》的通知提出，要积极探索创客教育的教育模式，着力提升学生的信息素养、创新意识和创新能力，促进学生的全面发展[1]。著名创客空间TechShop的CEO与创立者马克·哈特赤（Mark Hatch）特别强调“制造实体作品对创客行动的重要性”，提出创客活动的最终目标是创造“实体作品”。创客教育通过开设课程及开展活动等载体，为社会培养创新创业人才，提升教育竞争力[2]。欧美国家的很多学校都设置有创客课程、开设创客空间，为学生基于创造的学习提供了环境、资源和机会，学以致用[3-4]。中国的例如清华大学、同济大学、深圳大学等高校，各自组建了创客团体或社团，开设了相关课程，为中国高校的创客教育探索了实践道路[5]。以创客教育为引领进行整个专业课程体系的构建需要多方进行协调，实施层面具有一定的难度，本文提出在“嵌入式微控制的认识与应用”课程中渗入创客教育理念，以“实体作品”创客教育目标为引领进行课程改革和建设，希望以点带面，对创客教育的课程建设进行有效的探索与尝试。

1    “嵌入式微控制的认识与应用”课程现状

“嵌入式微控制的认识与应用”是以STM32系列处理器为核心的嵌入式技术课程。目前市场上新出现的各种新电子产品，如平衡车、四轴飞行器、运动手表等都是ARM Cortex-M的STM32处理器。

近年来，随着技术的发展，各高职院校也相继开设此课程，并在产教融合背景下不断摸索课程建设。各高职院校以现有厂家提供的嵌入式开发板为教学使用，常见的有野火、正点原子等品牌进行项目化教学。知识点包括：通用输入/输出（General Purpose Input/Output，GPIO）、模拟/数字转换、外部中断、时钟设置、嵌套向量中断控制器 、DMA控制器、FLASH存储器、通用同步异步收发器、串行外设接口、FSMC总线控制等。以各知识点建立教学项目包括：LED跑马灯设计、温湿度数据采集、上位机串口控制、LCD图形文字显示等[6]，完成从程序编写、调试的工作过程。每个项目都以单独的功能为主，相互之间的联系并不明显，不能完整展现整个嵌入式产品开发步骤及STM32处理器的综合处理能力，学生无法感受STM32处理器和普通8位单片机的性能差别，学完课程后学生很难系统地进行整機产品的开发。

2019年3月，国务院政府工作报告提出：“鼓励更多应届高中毕业生和退役军人、下岗职工、农民工等报考职业教育，今年大规模扩招100万人”。随着学生生源的多元化，学生差异更加明显，课程建设如何尽可能地兼顾到每个学生，也是应该关注的问题。

2    以创客教育理念引领的“嵌入式微控制的认识与应用”总体方案

探索与实践创客教育理念下“实体作品”引领的课程建设方案。校企共建线上线下协同的创客教育平台[7]共同开发专业核心课程，将创新创业能力培养、行业标准和企业化环境等嵌入顶层设计，按照“一条产品开发主线、创新创业能力培养”的模式进行课程内容组织与管理，构建产品化、创新性特色的课程内容，分段完成实现“实体产品”（例如智能小车）的各基本技能学习、综合实战技能训练的教学形式，并结合嵌入式大赛，重新制定课程标准和授课计划。厘清思路，线上线下教学资源项目匹配，从产业产品理念出发，实现线上线下教学资源建设化整为零，再从零散到完整框架体系建设的过程。以创客教育理念引领的“嵌入式微控制的认识与应用”总体方案如图1所示。

3    以创客教育理念引领的“嵌入式微控制的认识与应用”具体实施途径

3.1  基于创客教育“实体作品”理念的课程内容及标准建设

“嵌入式微控制的认识与应用”课程设置的项目不再以单独的功能为主，而是以一条主线“智能小车控制”来统领各模块的协作，以典型产品典型功能作为彼此联系的纽带。课程概述方面，展示智能小车功能，并分析各功能由哪些模块构成;按照智能小车功能将各模块打散，实现化整为零，以项目化进行基本技能点学习，各模块相互联系，分为智能小车报警控制单元（GPIO设置、定时器使用）、智能小车寻迹单元（红外发射与接收传感器及控制）、智能小车调速单元（电机驱动电路、正反转、PWM调速）、智能小车急停、后退、拐弯控制（外部中断、定时器中断）、智能小车标志物控制（WiFi，ZigBee、串口）等项目;对各模块的基本技能掌握之后，进行智能控制小车整机产品的开发，化零为整，实现智能小车整体控制要求;最后承接企业项目实战或技能大赛，提升学生“实体作品”设计开发能力。

3.2  “嵌入式微控制器的认识与应用”线上+线下教学资源建设

为满足不同层次学生不受时间空间限制进行学习，同时也为积极推进信息化建设，进行本门课程的泛雅平台建设。希望通过该平台，校企协同确定本课程的技能点，并投入财力和精力完成本课程所有技能点视频的录制，做到每段视频时间合理、时效高。同时，为巩固学生基本技能点，通过团队协作完成习题库建设，通过在线载体推送给学生。

目前，学生主要购买淘宝等电商平台的开发板进行学习，与真实产品有差距。校企协同共同完善硬件资源。从企业真实项目中遴选知识点及硬件资源，采用智能控制小车为契入点，将企业产品化整为零，设计并制作稳定的核心控制板，完成简单技能点学习，便于初学者学习。学生有了一定的基础，再体验从零散到完整框架体系建设的过程，完成嵌入式整机产品设计与制作。

3.3  基于创客教育“实体作品”理念的教学模式实施

本门课程涉及的“智能控制小车”实体作品的基本技能点，通过教学资源视频资料，结合课程实训场室进行学习，学生以翻转课堂形式进行学习，教师进行必要的指导。在开放式的嵌入式学习室，以“智能控制小车”的整体调试项目为任务，以线下资源为主，提升综合企业实战项目能力，完成整机产品调试。课后，工作室会选取合理的线上资源和线下资源，完成企业项目或嵌入式大赛的兴趣小组学习与训练。多方位、多层级地培养学生完成“实体作品”的创新创业能力。

4    结语

通过以创客教育“智能小车实体作品”引领的嵌入式课程改革，学生对嵌入式系统的整体应用有了更深刻的了解，通过“智能小车”一条主线，有效学习嵌入式各个模块，使得各个知识点有效衔接，学完充分理解以产品理念进行的系统开发，学习兴趣提高，学习效果显著提升。学生分别于2018年、2019年获高职高专院校大学生创客马拉松大赛“MakeX攻城大师赛”二等奖;先后获2018年、2019年江苏省技能大赛“嵌入式技术应用开发”赛项三等奖。两年来，学生参与老师嵌入式横向课题研究5项。

基于创客教育“实体作品”理念下进行课程设计，校企团队合作完成硬件选型、电路设计、电路制作;学生在智能小车实体作品下进行硬件测试、程序设计、调试，完成嵌入式整机产品开发，并能承接企业实现项目进行软硬件开发。通过技能强化和技术提升训练，体验企业文化、积累职场工作经验，提升学生的创新创业能力、竞争力。