案例教学方法在高校嵌入式系统课程中的应用研究

赵恩铭 刘光宇 周豹

摘要：教师在嵌入式系统课程教学中应用案例教学方法，以实际工程案例为授课切入点，将理论学习与实践能力的培养相结合，能够激发学生学习的自主性、积极性和灵活性，增强学生对产业发展的适应性。文章根据“卓越工程师教育培养计划”对工科人才培养所提出的新要求，探索在嵌入式系统课程教学中应用案例教学方法，并结合部分案例，介绍案例教学方法的实施过程。

关键词：卓越工程师教育培养计划；案例教学方法；嵌入式系統课程；工科人才培养

中图分类号：G642文献标志码：A文章编号：1008-3561（2022）14-0016-03

“卓越工程师教育培养计划”（以下简称“卓越计划”）是国家教育部贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》及《国家中长期人才发展规划纲要（2010-2020年）》的重大改革项目，是促进我国发展成为工程教育强国的重要举措。该项目以工程实际为背景，以行业企业需求为导向，以工程技术为主线，重点提升学生的创新能力、实践能力及团队协作能力，培养具备一定工程素养和工程实践精神，能够解决实际问题的工程师，以满足我国从制造大国向制造强国转变对人才的需求。大理大学电气工程及其自动化专业自2017年入选“卓越计划”以来，以培养学生的综合能力和基本素质为主线，面向自动化、电力系统、电子信息等领域，培养知识、能力、素质全面发展的高素质技术和管理人才。

近年来，在信息产业高速发展的推动下，智能设备得到普及，嵌入式系统的应用覆盖了工业控制、消费电子、通信网络等多个领域，加速了嵌入式系统课程在工科类专业中的推广和普及。嵌入式系统课程是大理大学电气工程及其自动化专业的重要专业课程，传统的讲授式教学模式已难以满足人才培养要求。为适应新形势下应用型、创新型人才培养目标，教师结合嵌入式系统课程的特点，引入案例教学方法，既能丰富课程内容和授课方式，又能开阔学生的视野，提高学生解决实际问题的能力、独立思考和创新开发的能力，完全符合“卓越计划”人才培养要求。

一、传统教学方法在高校嵌入式系统课程教学中运用的局限性

在实践性较强的嵌入式系统课程教学中，传统的教学方法多以教师讲、学生听为主，并匹配部分课时的实验课，这种教学方法虽然基本能达到培养要求，但学生学习的效果并不理想，很多学生在碰到实际问题时有无从入手的感觉。这主要是因为传统教学方法多以知识点为切入点，学生虽然对每一个知识点的学习很细致，但并没有和实际应用结合起来，对知识体系的理解停留在表面。而且，多数院校由于实验课时相对较少，仅安排一些验证性实验，缺乏综合性和设计性实验，因此无法培养学生的综合实践能力和创新能力，导致学生毕业后很难独立操作实际项目。

二、高校电气工程及其自动化专业“卓越计划”的实施过程

根据“卓越计划”精神，大理大学电气工程及其自动化专业积极开展卓越工程师专项培养教学活动。教学活动以本科大四学生为培养对象，以部分专业课程为平台，以嵌入式系统设计与开发、电气设备维护、输配电等方向的专业人才为培养目标，在培养方式上从原有的泛式教学模式改为短期专项训练的模式。嵌入式系统课程作为实施“卓越计划”的重要组成部分，在短期专项训练阶段，本着针对实际工程应用开展探索研究的宗旨，应用案例教学方法进行授课，再以全开放的实验教学作为补充，可以保证学生能够从理论和实践双方面加深对案例的理解。教师应用案例教学方法时，并不是为说明一定的理论或概念进行举例分析，而是以实际工程案例代替纯理论讲解，通过精心设计案例、分析技术难点来制定方案，引导学生通过独立思考、共同讨论和协同合作的方式，应用所学知识完成工程案例。学生可以根据案例分析，自主设计实验进行技术验证。这种模式既能提高学生学习的积极性、灵活性和自主性，使学生的潜能得到充分挖掘，还能保证教学资源得以充分利用。

三、案例教学方法在高校嵌入式系统课程中的应用策略

1.案例的设计

案例教学方法是把实际应用中的真实项目加以典型化处理，形成供学生思考、分析、实践的案例。教师所选择的案例要具有启发性、科学性、典型性、先进性、适用性，这对丰富学生知识、提高学生能力、挖掘学生潜质等具有重要作用。案例的来源可以是教师所承担科研项目的一部分，也可以是学生电子设计大赛的相关题目。案例可以按照难易程度或包含知识点的多少，分为基础案例和综合案例两大类。基础案例的选择可以类似于“基于STM32嵌入式处理器的远程土壤湿度采集与传输系统”，该案例既是一个具有实际应用价值的典型案例，又是一个实现起来相对简单的案例。该案例在实现过程中包括的主要知识点可以分解为湿度传感器的驱动、湿度传感器的信号采集与存储、信息显示、系统参数设定、GPS模块应用等。通过该案例的学习，学生可以掌握STM32嵌入式处理器软硬件开发平台的使用方法、STM32嵌入式处理器的输入输出端口（GPIO）、定时器（Timer）、模数转换（AD）及串行外设接口（SPI）的应用。综合案例可以是几个基础案例的组合，也可以是对当前热点或难点问题的解决。例如在智慧城市的背景下，“居家自动养花机器人”就是一个很好的综合案例。该案例的知识点包括自动行走机器人的控制，室内光照度的测量，室内温度、植物土壤湿度和酸碱度的检测与存储，实时检测信息的显示与远程传输等。教学案例的应用，能够帮助学生明确理论知识学习的方向，感受到所学理论知识如何在实际设计中发挥作用。

2.案例教学的实施

案例教学方法采用教师为主导、学生为主体的互动式教学模式。学生分成若干3人～4人的项目小组，教学以小组为单位展开。一个案例融合了多个知识点，授课内容以案例所包括的知识点来重构。授课方式是理论课与实验课结合起来，理论课放在实验室上，实验操作融于理论课教学。还可以利用网络平台开展资料分享、在线讨论等活动，以补充课堂教学。教师要合理设定案例，引导式组织教学，制定阶段任务，强化过程考核，帮助学生构建案例与理论知识的关系，引导学生在实际案例中学习理论知识，根据案例需求自主选择技术实现路线，设计实验方案，完成案例的验证。学生通过对案例的分析和自主学习，能够很好地掌握独立探索的方法，积累实践经验，提高综合能力。

以“基于STM32嵌入式處理器的远程土壤湿度监测与控制系统”为例，在案例设定阶段，教师先对案例进行分析，明确案例所包含的知识点，并根据知识点来制定要达到的目标。本案例主要实现土壤湿度信息的采集、显示及监测参数的网络传输，并实现远程控制。根据需要完成的任务，可将系统划分为2个功能模块，即本地土壤湿度信息的采集与显示模块及远程移动通信模块。学生以小组（3人～4人/组）为单位进行讨论，把案例功能与嵌入式系统课程中的知识点联系起来，通过课前分享的资料和教师的讲解，学习相关知识点；通过自主选择技术路线、设计实验完成对案例中涉及知识点的巩固，最终将案例的完成作为课程内容和知识点学习的总结汇报。

在案例实施过程中，各小组将学校配备的STM32开发板作为硬件开发平台，将Keil uvision作为程序编写与调试的软件平台，根据自己设定的技术路线，实现各模块的功能。教师通过把握案例的完成情况，了解学生的学习动态，对案例实施过程中的难点、重点及共性问题，进行问题点评、主题讨论或课堂总结，以达到帮助学生巩固知识点的目的。教师可以对进度快、实施效果好的小组随时调整案例目标，以达到因材施教的目的。

考核作为教学过程中的一个环节，起着非常重要的作用，不仅可以检查学生的学习情况，反馈教学信息，评价教学效果，还能对学生的学习发挥引导和激励作用。为达到最理想的效果，教师要对各小组的任务完成情况进行过程化考核，对每一位学生的任务完成情况、小组成员的协同工作情况进行详细把握，并给出量化的综合评价。

3.案例教学的实施效果

现以智慧城市背景下“居家自动养花机器人”为例，简要介绍案例教学方法的实施效果。

对案例的需求进行分析后，可以把案例分解为4个功能模块。功能模块一是自动行走机器人控制模块。自动行走机器人由履带车来实现行走的功能，其任务包括如下内容。1）履带车驱动直流电机的控制，实现“机器人”的行走和转弯。2）通过超声波传感器实现“机器人”躲避行进途中的障碍物。功能模块二是室内光照充足点查询模块。其任务包括如下内容。1）通过光电传感器采集室内光照强度，并与设定的阈值相比较，如果达到阈值光照强度就认为满足光照要求。小车子自动行走到光照充足处，让植物接受光照。如果室内没有光照满足要求的地方，“机器人”则自动打开照明灯让植物接受光照。2）控制云台做360度旋转查找室内阳光充足点。功能模块三是植物土壤温度、湿度和酸碱度检测模块。其任务是通过温度传感器、湿度传感器和酸碱度传感器定时监测植物土壤的参数，并进行存储和显示，也可以通过通信网络进行远程传输。功能模块四是远程通信模块。其任务是通过无线移动终端进行数据通讯和“机器人”参数控制。

本案例属于综合案例，学生通过对本案例的学习，能够很好地掌握嵌入式系统的组成、STM32嵌入式处理器的应用方法，了解实际工程项目完整的开发流程，加深对案例中涉及知识点的理解，并能提高自身对所学知识的综合运用能力，为进一步学习和毕业后从事嵌入式系统设计与开发工作打下基础。

4.建立案例库

随着案例教学方法的应用，收集和整理一些适用性强的经典案例，构建嵌入式系统课程案例库，对案例教学方法的推广和拓展能够起到积极的促进作用。并且，在信息产业发展的推动下，随着案例库中新型案例的补充，新旧案例对比教学可以帮助学生了解嵌入式系统技术的历史进程和发展方向，使学生在案例学习过程中既能充分论证理论知识的优势和不足，又能把握嵌入式系统实际应用和研发的趋势，为自主式深入学习提供指导性方向。

四、结语

针对“卓越计划”对工科人才培养所提出的新要求，高校教师在嵌入式系统课程教学中要打破传统教学模式，探索应用案例教学方法，以实际案例为基点，将理论学习与实践能力的培养相结合，进而开阔学生的视野、丰富学生的实践经验、激发学生的潜力，增强工科人才培养对产业发展的适应性。案例教学方法在高校嵌入式系统课程教学中的应用达到了预期效果，值得进一步完善和推广。

参考文献：

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[4]卢灿举，张云峰，高春颖，刘俊.案例教学下嵌入式系统课程的改革与实践[J].计算机工程与科学，2016（S1）.

Research on the Application of Case Teaching Method in Embedded System Course in Colleges and Universities

Zhao Enming， Liu Guangyu， Zhou Bao

（School of Engineering， Dali University， Dali 671000， China）

Abstract： Teachers apply the case teaching method in the embedded system course teaching， take the actual engineering case as the teaching starting point， and combine the theoretical learning with the cultivation of practical ability， which can stimulate students autonomy， enthusiasm and flexibility in learning and enhance students adaptability to industrial development. According to the new requirements of "excellent engineer education and training plan" for engineering talent training， this paper explores the application of case teaching method in embedded system course teaching， and introduces the implementation process of case teaching method combined with some cases.

Key words： excellent engineer education and training plan； case teaching method； embedded system course； engineering talenttraining