基于多授课平台的嵌入式系统课程在线教学实践

杨 静，胡秋琦，朱雪秦，王 毅

（1.哈尔滨工业大学（深圳）实验与创新实践教育中心，广东深圳 518055；2.深圳大学计算机与软件学院，广东深圳 518060）

0 引言

2020 年后，随着疫情防控措施常态化，高等教育教学活动模式随之动态调整。教育部发布《关于在疫情防控期间做好普通高等学校在线教学组织与管理工作的指导意见》指出，高校应充分利用网络资源，积极开展线上授课、线上学习等网络教学活动，保证学生学习进度［1-4］。

随着互联网信息技术快速发展，教学模式逐渐多样化。采用课堂问题启发模式、项目引导式、MOOC 课堂、SPOC 专属课程、翻转课堂及混合式教学［5-10］，极大丰富了传统线下课堂教学效果。但在实践类课程中，因实验平台限制，课程多为演示性实践，学生无法参与软件设计和硬件接线实际操作中，导致学习热情较低。为此，本文针对嵌入式系统实践类课程，采用口袋实验仪器作为实验平台完成课程。口袋实验仪器实验功能丰富，外形小巧、方便携带，可由教师功能测试后邮寄给学生使用，便于学生进行课堂学习和课后二次开发。

2022 年春季常态化防控时期，哈尔滨工业大学（深圳）嵌入式系统课程授课团队为了提供无差别的线上课堂体验，在软件方面，借助互联网授课平台，分专业建立QQ 学习群，在群内共享学习资料，发布通知，保证每位学生充分了解所学知识；在硬件方面，准备了300 余套MSP 430 口袋实验仪器，并于课前一周将实验板件寄给每位学生。此外，采用雨课堂、腾讯课堂和腾讯会议共3 种平台共同授课。课堂包括一位主讲教师和两位协同教师同时授课，以便于随时解答学生疑问。实践表明，口袋实验仪器打破了授课时空限制，多授课平台功能互补提升了课堂活跃程度和学生参与度，极大锻炼了学生的动手能力和工程实践能力。

1 教学模式选择

在线教学需要凝练授课内容，提出课程重点与主线。由于案例化教学方式重点突出、思路清晰，能提升学生学习的连贯性［11-19］。因此，本文采用案例化项目驱动方式使学生在学习过程中跟随主线实践锻炼，达到结题要求。

课程总计20 个学时，以实现项目要求目标的前提下设计课程方案。其中，前16 个学时讲解案例设计中包含的知识点，重点讲解项目中用到的功能。例如，GPIO 模块、定时器模块、ADC 采样模块。后4 个学时供学生自由调试，在自由调试的最后1个学时进行作品分享交流会。

为此，教学平台应满足以下3 点要求：①直播流畅度较高；②授课平台互动方式丰富；③具备学生自我展示平台。

1.1 口袋实验仪器与网络授课平台相结合

嵌入式系统软件设计实验的教学目标是使学生掌握嵌入式软件的开发流程，锻炼学生软件编程、调试、烧写等能力，在此过程中培养学生严谨的科学态度和认真细致、实事求是的工作作风。

为达到线下教学效果，在线教学需紧密结合口袋实验仪器硬件平台与网络授课平台，充分发挥网络授课平台的优势，最大程度展现、分享口袋实验仪器硬件平台在实际教学中的使用情况。口袋实验仪器具有小巧灵活、便于运输、邮寄方便等优势，手机摄像头即可拍摄全貌，便于录制硬件平台的LED 灯、按键、屏幕显示等操作，为嵌入式系统线上教学提供了可行性。

采用多种网络授课平台可实现优势互补，将基于口袋实验仪器硬件平台的应用软件设计教学全过程在课堂上进行展现。其中，口袋实验仪器与网络授课平台的结合点体现在以下3个方面。

（1）腾讯课堂展示教师端课堂全貌。通过共享桌面提供清晰的课堂PPT 和板书；手写板、动画等功能引导学生进行思考，消化教学内容；在线视频能消除线上教学的距离感，同时可正面展示口袋实验仪器的每个硬件细节，便于学生快速定位硬件接线，了解实验现象。

（2）雨课堂的课堂答题、互动投稿等功能，将口袋实验仪器硬件平台的具体电路问题设计为填空题、选择题、主观题等题型。例如，在深入学习嵌入式软件设计实际案例中，讲授口袋实验仪器硬件平台中各种外设接口及其使用方法，在每个模块的教学过程中使用课堂答题、互动投稿等功能加深学生对口袋实验仪器硬件平台的理解和掌握。

（3）腾讯会议的发言分享功能可设计翻转课堂。在使用口袋实验仪器硬件平台实现教学案例任务后，可转换师生角色。学生在课上分享嵌入式软件设计案例的具体实现方案和思路，不仅能加强课堂互动效果，对学生也是一个自我展示的平台，有利于锻炼学生综合能力。

实践表明，通过口袋实验仪器硬件平台和网络授课平台的有机结合，不仅完成了与线下教学一致的教学目标，还带给学生全新的听课体验。将课上交流互动扩展延伸到课下全方位沟通，既加强教师和学生间的教学结合，又强化了学生间的相互交流和分享，对传统教学方法的改革创新具有一定借鉴意义。

1.2 多平台授课选择

多平台交叉融合教学方案如图1 所示。在课程前16学时，教师通过雨课堂和腾讯课堂进行双直播，学生在计算机屏幕端使用腾讯课堂，手机端app 使用雨课堂互动。在学生自由调试的最后1 个学时，使用腾讯会议进行作品分享、交流。

Fig.1 Multi-platform cross-integration teaching mode图1 多平台交叉融合方式教学

由图1 可见，各平台授课方案优势互补。腾讯课堂直播功能强大，直播流畅程度较高，教师可出镜授课。同时，腾讯课堂还具有签到功能，教师能在课堂休息后发起签到，令学生快速重回课堂，形成考勤统计数据。

雨课堂互动功能强大，仅通过手机app 端可实现课堂互动。教师通过雨课堂发布课前预习题、课后作业题，题型包括填空题、单选题、多选题、主观题，教师课线上批改完成后，系统将自动统计成绩，便于教师了解学生知识掌握情况。教师主动发起课堂互动方式包括在雨课堂PPT中插入填空题、单选题、多选题、主观题（问答题）、投票题等。学生提交答案后系统将显示做题正确率、答题率等数据。学生主动发起交流的方式包括弹幕、投稿、PPT 页标等，在投稿功能中学生可上传图片、文档和小视频到课堂进行分享，以提升课堂师生、生生之间的交流互动。

QQ 学习群便于教师发布各种通知、上传学习资料，便于学生使用视频或语音聊天对疑惑知识进行课后提问和交流。此外，教师可使用远程桌面控制功能帮助学生进行程序调试，弥补无法面对面操作的缺陷，因此该方式可为双课堂直播授课提供辅助。

腾讯会议的优点在于学生可随时开麦，主动分享学习成果。同时，教师可随时对学生学习成果进行点评，指出学生薄弱之处。

1.3 团队协同授课模式

在线课堂为解决师生互动问题，采用一位主讲教师，两位协同教师的方式进行授课。三位教师共同备课，确保课堂授课的内容和节奏一致。具体的，主讲教师通过腾讯课堂授课，两位协同教师在雨课堂、QQ 群中及时解答学生问题。实践表明，学生提问主动性大幅度增加，提问难易程度呈现梯级上升。

2 实验教学案例设计

2.1 教学案例项目需求分析

采用案例化教学模式，首先需要提出案例化项目需求，然后分析出所需完成的硬件和软件程序设计，接下来结合口袋实验仪器现有的处理器和外围扩展电路资源确定需要重点学习的单元模块，最后根据案例项目完成各单元模块特定功能的学习和训练，综合调试完成所选择的案例化项目。

本文以智能灯光控制系统项目为例，该项目主要完成一个随着外界环境光线强弱调节环境光亮度的灯光系统。项目实际需求是系统检测环境声音，当声音达到阈值时，表示需要打开灯光系统。在采集声音的同时进行计时，当一段时间检测不到声音，系统便自动关闭灯光。并且，系统在提供灯光服务过程中，会根据外界光强自动调节灯光强度。

根据案例项目需求分析，在口袋实验仪器的硬件平台中选择大功率LED 灯作为灯光系统的控制对象，通过麦克风、放大电路及处理器中的定时器A、GPIO 和ADC 模块提供控制信号，具体为点灯灭灯、调节灯光强度两个操作号。

2.2 案例项目硬件设计

智能灯光控制系统的控制对象为大功率LED 灯，该灯需要大电流驱动，控制信号为PWM 信号。对外部声音和光强信号进行采样后，采用闭环控制调节算法形成PWM信号调节控制对象，实现可调声控灯系统，如图2所示。

Fig.2 Hardware design of intelligent lighting control system图2 智能灯光控制系统硬件设计

由图2 可见，声音信号经过麦克风和放大电路后，放大后的电压信号作为模数转换器的一路输入信号；光强信号经过光敏传感器转换后的电压信号作为模数转换器的另一路输入信号。数字信号经过开发板MCU 的模数转换器处理后，经过控制逻辑生成PWM 驱动信号，驱动大功率LED 灯点亮和熄灭，并且根据外界环境光变化改变PWM信号的占空比，调节灯光亮度。

2.3 案例项目软件设计

在熟悉GPIO 模块、定时器模块和ADC 模块的具体引脚后，对应用软件进行流程图设计。由于智能灯光控制系统既能根据声音信号实现点灯、灭灯功能，还能根据环境光强调节光强。因此，根据流程图（见图3）进行程序设计并调试，对声音信号和光强信号进行逻辑判断，控制驱动信号实现智能灯光控制系统各项功能。

Fig.3 Intelligent lighting control system software design flow chart图3 智能灯光控制系统软件设计流程图

2.4 融入思政元素

全国高校思想政治课中提到，要坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人，开创我国高等教育事业发展新局面［20］。本课程对学生思想政治教育应从以下3 个方面入手：①顺应思想政治理论教育，增强学生的政治认同和文化自信；②通过科学家们在物理电子学、半导体、集成电路、通信等工业产业的杰出贡献，培养学生的科学奉献精神；③通过民族工业在通信、互联网信息、基建等方面的影响力和成就，增加学生科技报国的信心和决心。

教师应充分利用互联网教学工具，根据案例教学设计课程资料、实践任务、课后作业等，开设扩展阅读角融入课程思政元素，使学生在阅读中受到思政教育。例如，在单片机发展史授课过程中，推送中国半导体行业的发展进程和取得成就；在定时器授课过程中，推送哈工大航天精神等相关链接。

3 雨课堂贯穿课程考核

3.1 课前预习

嵌入式系统实践课程对学生提前预习相关知识的要求较高。传统课堂布置预习作业均为纸质作业方式，不利于课堂内容衔接。

在线教学借助雨课堂的课件、习题发布功能，使学生在提交答案后立即得到成绩结果和问题解析，在一定程度上解决了学生在预习期间的疑问。

3.2 课上投稿互动

雨课堂投稿功能强大，学生可上传图片、文档和小视频至课堂进行分享，如图4 可见。该功能增强了师生、生生交流，便于教师点评优秀作品，鼓励基础较弱的学生向优秀学生学习。

Fig.4 contribution function in rain classroom图4 雨课堂投稿功能

3.3 课后作业发布

雨课堂习题发布功能可选择试卷方式发布，包括填空题、选择题、主观题等各种题型，支持文本、图片、视频等方式上传答案，学生在线作业提交的数据将被实时记录，便于教师统一测评。同时，教师在批改作业时能添加评语和批注，解决学生在作业中存在的问题。通过QQ 群和雨课堂讨论区，可便于生生、师生相互交流，讨论遇到的问题。

4 腾讯课堂在线直播

腾讯课堂直播功能强大，可通过直播共享PPT 讲解课堂重难点知识。点名功能包括语音和视频两种，便于教师掌握课堂动态，提升学生听课专注度。同时，腾讯课堂还兼顾直播回放等功能，便于学生课下进行针对性复习。

在授课过程中，教师可使用画板功能标记重难点知识，也可单击画中画功能，打开教师端摄像头进行实物展示。实践证明，运用腾讯课堂结合雨课堂，能显著提升课堂互动效果，扩展学生知识获取途径，提升学生的实际动手能力。腾讯课堂直播画面如图5所示。

Fig.5 Tencent classroom live broadcast screen图5 腾讯课堂直播画面

5 腾讯会议分享作品

在课程总结和答疑环节开设腾讯会议，便于学生分享学习成果和师生、生生相互交流。在会议过程中，学生可随时提出疑问，教师及时给予解答，对于部分共性问题可统一在学生分享知识的过程中进行重点强调。

此外，在测评环节增添加分项，例如分享的学生可适当在课程考核中加分，以激励学生积极分享自身成果。实践表明，在该方式激励下主动分享的学生占课堂总人数80%。课堂分享环节展示如图6所示。

Fig.6 Students sharing results in Tencent Conference图6 腾讯会议学生分享成果

6 结语

本文提出了一种在嵌入式系统实践在线课程中，采用腾讯课堂、雨课堂、腾讯会议和QQ 学习答疑群的多授课平台教学方法。该方法运用口袋实验仪器实验平台，取得了良好的教学效果。通过案例化教学设计，让学生亲身融入智能系统的软件设计与开发过程中，深入了解电子产品软件设计和可维护性的重要性。通过分享优秀学生代码，使学生掌握嵌入式编码方式，理解项目开发过程中存在的竞争合作关系。

通过2022年春季的教学实践表明，多平台交叉融合授课能显著提高在线教学质量和课堂活跃度，提升了学生设计编码、运行调试能力和复杂工程的实践能力，值得深入研究和推广。