物联网工程专业ARM体系架构与编程课程思政教学改革实践探索

杨树媛，郭斌，靳晟

（新疆农业大学计算机与信息工程学院，新疆乌鲁木齐 830052)

0 引言

习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上指出：“要用好课堂教学这个主渠道，思想政治理论课要坚持在改进中加强，提升思想政治教育亲和力和针对性，满足学生成长发展需求和期待，其他各门课都要守好一段渠、种好责任田，使各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应[1]。”大学生的思政教育工作必须与专业课程同步进行，要找到一个合适的切入点，将思政教育贯穿于整个专业课程的教学全过程中，切实落实立德树人的根本任务。专业课程的思政教学改革必须利用网络平台和课堂教学阵地，把握课程教学改革的核心环节，改革教学内容、教学目标、教学方法等教学环节，从而构建高效的课程思政教学体系[2-3]。

ARM 体系架构与编程课程是国家一流本科专业——物联网工程专业的一门专业拓展类课程，具有较强的理论性和实践性，是基础课程的综合应用类课程，同时又是连接基础课程与相关嵌入式类专业课程的桥梁，在物联网专业中起到承上启下的作用，对于后续的实时操作系统课程、专业实习和毕业设计等的学习有着重要的作用。课程以STM32F407 系列开发板为例，主要讲授ARM嵌入式系统涉及的理论知识、STM32处理器的功能特点、工作原理、硬件资源、常用外设包括GPIO、中断、串口、定时器以及其他基本外设接口的程序设计方法、嵌入式系统设计方法等内容，为今后开展“智能感知与控制”相关科研训练、科技竞赛、产品研发等工作做好技术储备。

随着“物联网+”时代的到来，ARM 嵌入式系统在智慧农业、智慧交通、机器人等现实场景中应用日益广泛。ARM 体系架构与编程课程教学内容贴合时代背景、社会热点，紧跟学科前沿。因此，对该课程进行思政教学，在课程教学内容中引入思政单元，在学习专业知识、锻炼实践能力的同时，提高学生的思政素养，培养学生的家国情怀和社会责任感，对于落实立德树人的根本任务有着重要的意义。传统教学过程中，课程以讲授专业知识为主，很少涉及对学生思想政治素质方面的教育。基于此，在备课过程中，课程组深入挖掘课程内在思政资源，以立德树人为出发点，以课程专业知识为重点，将专业知识传授与思政育人深入融合，做到知识教育与思政教育的同向同行，实现知识教育与思政教育相互促进[4]。

1 融入思政教育的教学目标

“ARM 体系结构与编程”是一门既涉及硬件芯片又与嵌入式软件关系十分紧密的课程。课程围绕目前流行的CORTEX-M4 32位ARM处理器的架构与外设进行讲解，介绍了ARM 处理器的架构演进过程、GPIO、NVIC、UART、ADC等常用外设的使用及编程方法。课程融合了嵌入式软件设计和硬件设计的思想，通过学习学生能够了解现代处理器的内部构成和编程技巧，为学生今后从事物联网工程相关领域的开发、嵌入式系统研究与开发打下坚实的基础。在夯实知识目标的基础上，本课程深入挖掘课程的思政资源，力求将思政元素“嵌入”到专业知识目标中，以“润物无声”的方式做到知识目标与思政目标相统一，以“同下一盘棋”的理念做到知识教育与思政教育同向同行，在知识传授的同时，培养学生运用辩证维护主义观点和科学的方法分析和解决嵌入式系统设计中的实际问题[4]。本课程的教学目标中融入了思政教育，具体如下：

1)掌握ARM 嵌入式处理器的基本工作原理，融入家国情怀、时代责任等德育元素，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。

2) 熟悉STM32F4 系列常用外设(GPIO、NVIC、ADC等），掌握嵌入式系统硬件和软件开发技术，强化理论到实践的转换思维，增强学生勇于探索的创新精神、善于解决问题的实践能力。同时培养学生珍惜时间、诚信守时的职业素养和“严谨认真、一丝不苟”的工匠精神。

2 课程思政教学设计

本课程聚焦于立德树人的目标，采用“知识点模块——MOOC——实践项目”三位一体的教学模式（图1)，思政教育贯穿课程始终，形成了价值塑造、知识传授和能力培养三者为一体的全面育人成果。如图1所示，学生通过MOOC 教学视频完成课前预习，了解本周教学内容和项目要求，带着问题进入线下课堂的学习；线下课堂环节通过讲解和演示完成知识点的解惑答疑，给实训项目的完成提供了良好的理论基础；在实验课上，通过实际项目的训练使得理论知道得到了很好的扩展和应用。另一方面，在完成项目的过程中不仅提升了动手能力，同时由于项目的内容和难度随着课程的深入不断增多、加大，激发了学生探索新知识的兴趣，促使被动式学习转换成主动式学习；课下再通过完成MOOC提供的测验题，进一步巩固了理论知识点，以此课堂授课、MOOC 教学和实验实训三个环节形成了一种互相促进的循环模式。在整个教学过程中，思政教育作为整个课程的灵魂，融入每一个教学环节中，完成了育人目标的统一、育人方法的多样、育人资源的整合，最终达到既树人又立德的目的[5]。

图1 课程思政视角下的三位一体的教学模式

2.1 课程思政教学内容

在ARM 体系架构与编程课程的思政教学中，将思政元素融入课程知识点模块，做到价值导向与知识传授相融合，在知识传授、能力培养中，弘扬社会主义核心价值观，传播爱党、爱国、积极向上的正能量，培养科学精神。具体做到以下几点：

1)紧抓理论知识，立足ARM 嵌入式处理器的基本工作原理，加强对ARM 的Cortex-M4 的内核结构、体系架构的认识和掌握，夯实ARM 嵌入式理论的基础，为其他嵌入式课程做好知识储备，在此过程中，引入“《瓦森纳协定》”“中兴”“华为”事件，以此为契机，融入家国情怀、时代责任等德育元素，激发学生科技报国的情怀和青年一代的使命担当。

2)充分体现物联网工程专业的特色，综合利用传感器技术、电路、通信、App开发、云服务等知识，深入研究并分析STM32 处理器常用外设的硬件结构和原理、软件(STM32CubMX、Keil 等）开发、调试技术及其相关应用，作为物联网工程专业学生将来职业需要的储备知识，厚植求真务实、勇于实践的创新精神，培养认真踏实、敬业爱岗的职业素养，树立心系社会、求真学问、练真本事并有时代担当的精神追求。

3)以项目贯穿课程始终，注重教育和引导学生弘扬工匠精神，不仅让学生充分领悟ARM 嵌入式系统开发及其应用的科学思维和科学研究方法，同时还引导学生明白“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”的道理，强化理论到实践的转换思维，掌握不同应用场景下不同的解决方法，增强学生勇于探索的创新精神、善于解决问题的实践能力。

2.2 课程思政教学方法

本课程采用线上线下混合式教学模式。线上教学依托新疆农业大学MOOC 平台设计完成。主要内容包括：教学视频、知识库、思政案例（文档和视频）、项目（包括课程设计）要求及模板，这些内容按照教学计划安排，每周日固定时间在平台上发布本周的学习任务，方便学生提前预习本周内容，了解本周项目要求，提前做好课堂准备。课程平台结合课程教学大纲和教学计划，在线提供了与课程相关的优质学习资料，包括视频、文档、知识库等，方便学生使用[9]。其中思政部分的设计如下：

思政案例以生动形象的短视频的方式发布，能够吸引学生的兴趣，从而加深理解和情感认同。课程思政内容的考核内容加入专业知识的知识库中，即每周知识库中除了对应的专业知识点之外，还包括10道思政相关的测验题，系统自动抽题，自动判分。这种每周测验的方式不仅有助于学生及时查缺补漏，同时也可以帮助老师及时有效地了解学生对课程内容包括思政内容的掌握和理解程度，从而对教学内容进行及时的调整。

线下课堂分为理论和实验两部分，理论课根据教学计划结合线上材料展开项目驱动式的教学活动，注重知识点的理解和应用，思政案例教学穿插其中。实验课以直播的方式进行实践演示为主的教学，采用腾讯会议、钉钉直播的方式完成[9]，是对理论课堂实现教学的增量补充，也是对课堂思政教学的实践扩展。直播回放可以帮助学生在课后进行重难点的复习和项目完成。实训项目环节设置一次思政作业（如图1实训项目7) ，要求通过查阅文献资料完成小论文的撰写，作为思政内容的考核项。

2.3 课程思政案例

课程思政不是传统意义上的思想政治理论课，要寻找专业课程知识点与德育思政元素间的“结合点”，不能生搬硬套思政理论，也不能照本宣科，要顺其自然，有机融合[6]。以下是课程教学过程中融合的几个思政案例：

1) 知识点：ARM 嵌入式处理器发展史。思政元素：家国情怀、爱国主义、自主创新、使命责任。

自2018 年至今，美国对中国发起的“芯片战争”，已经进入第五个年头。历数美国对华“卡脖子”的手段，可谓无所不用其极。2018 年4 月，美国商务部宣布7年内禁止美国企业向中兴公司销售零件，当时中兴有20%~30%的元器件从美国采购，包括基带芯片、射频芯片等。2019 年，美国又对华为公司实施制裁，切断其大部分海外芯片供应，并阻止其自行制造芯片，导致华为的手机业务跌入了谷底。2020 年，华盛顿扩大制裁范围，将中国顶级芯片制造商中芯国际列入黑名单。2022 年7 月28 日出台《2022 年芯片和科技法案》（以下简称“芯片法案”)[7]。“芯片法案”的实行使得国内企业就进行相关领域的国产化工作达成共识，法案的限制只能加速这一进程的推进，中国芯片业越来越重视自主替代和产业链安全，在过去四个季度里，世界上增长最快的20家芯片行业公司中，19家是中国大陆企业[8]。

通过这些生活的案例，深刻讲解了“芯片”的战略重要性，使学生意识到芯片行业中我们的差距和不足，激发学生的爱国主义精神和迎头追赶的决心，树立为国担当的信念，学好技术勇于拼搏和奋斗，逐梦前行。

2)知识点：中断机制。思政元素：正确看待人生路上的“中断”和异常、遵守纪律、专注认真、直面困难、抗挫精神，树立正确的人生观等。

STM32F4系统微处理器采用中断分组、多种中断优先级方式解决复杂的中断源优先级问题。通过课堂中老师授课（主程序）、学生不认真听课、低头、玩手机、睡觉、说话等事件（中断）打断正常进行的授课过程（主程序），主程序不得不停下来处理中断，然后再回到授课的主程序中去这一案例，讲解STM32F4系列的中断控制、响应机制等问题，引导学生上课要认真听讲，保证主程序正常进行，对于“异常中断”越少越好。在工作中也要认真专注，保持良好的职业素养。同时引申到每个人的人生路上，没有谁会一帆风顺，总会碰到各种各样复杂的问题和困难（中断），要勇于面对，仔细分析问题，耐心细致地去探究和思考，解决问题，回归正道，而不是退缩和放弃。

3)知识点：定时器。思政元素：珍惜时间，诚信守时，严谨认真、一丝不苟的工匠精神。

定时器是微控器必不可少的外设，其最基本的功能就是定时处理事情。就好比上课的铃声一响，我们就应该坐在教室里准备上课了，引导学生要诚实守信。同时引申到人生中，每个阶段都有各自的特点和设定，到了哪个阶段就应该去做符合这个年龄阶段的事情，每个人的生命只有一次，要珍惜时间，要“不负青春韶华，逐梦砥砺前行”。在定时器定时时间计算环节，介绍航天发射时对时间的精确要求，强调定时器定时时间的计算要一丝不苟，如果时钟源频率、自动装载周期和分频系数三个参数任一个选择错误，都有可能导致计时时间错误，在工程上可能会导致不可预见的后果，强调要认真细致，培养学生一丝不苟的工匠精神。

4) 知识点：单总线通信，以DHT11 传感器为例。思政元素：有得必有失、树立正确的人生观。

DHT11的控制和通信是单总线的方式，这是一种对硬件设计很友好，对软件设计不友好的总线。一根线可以完成供电、时钟、和双向数据的功能，但是DHT11对时序要求非常严格，这就对软件设计提出了较高的要求。这里引入“有得必有失”这一自然运行法则，当你得到一些东西的时候，你也会失去一些东西；相反，你失去了一些东西、也会得到一些东西，这就是很平衡的规律。不论是失去还是得到，我们都要以平常心去面对。不以物喜不以己悲，引导大学生树立正确的人生观，看待人生中的得失，不要斤斤计较一次的失去。

3 总结

本文以物联网工程专业ARM体系架构与编程课程为例，分析了专业课课程思政的必要性，深入挖掘了该课程的思政资源，研究了该课程的思政教学方法，介绍了课程授课过程中课程思政教学的实施措施。本课程将思政教育有机地融入教学全过程中，让学生在掌握本课程专业知识的同时认识科技创新的重要性，引导学生辩证地看待问题，树立正确的人生观，激发学生科技报国的家国情怀和青年一代的使命担当，培养学生一丝不苟的工匠精神。本文的研究工作对专业课程与思政协同育人的目标提供一定的参考和借鉴。