“以学为主，项目驱动”的嵌入式系统课程教学设计研究<br/>——以基于STM32的智能小车项目为例

“以学为主，项目驱动”的嵌入式系统课程教学设计研究
——以基于STM32的智能小车项目为例

2023-12-07张启龙

电脑知识与技术 2023年30期

张启龙

（六盘水师范学院物理与电气工程学院，贵州六盘水 553000)

0 引言

现如今，“大众创业、万众创新”的大背景下，高校纷纷响应国家的号召。陆军工程大学[1]为了想办法充分去调动学生的积极性和动手兴趣，增加学生的积极创新意识，把理论课和实践课时进行有机融合，通过把理论知识穿插在实践项目中，让学生去通过学习制作项目的过程掌握好枯燥难懂的知识点，再通过完善考核目标来闭环前面的考核机制，使得该方法有效地实施；南京城市职业技术学院[2]通过把STM32 嵌入式系统微景观设计项目有机融入理论课中进行讲授，制定相应考核要求，且落到实处，以避免大创项目的形式主义和“鸡肋”困境，再者，为了实现项目到产品推向市场的目的，所选的项目很具有代表性，从而提高学生学习的兴趣；吉林大学[3]针对学生学习嵌入式系统课程不积极、不主动的问题，将研究性学习法融入了理论课堂教学当中，从而去构建基于“学生主体，老师主动”的相关教学模式，老师在整个教学过程中起主导作用，让学生去单独面对每一个项目，激发学生的独立思考能力，进而培养学生独立面对问题和解决问题的能力，提升学生的终身学习能力和主动性；上海应用技术大学[4]采用慕课有机结合嵌入式系统创新设计课程的方法，使得授课方式多种多样，学生学习方式多种多样，以此来增强学生学习的兴趣；针对创新创业类课程的传统教学方法以讲为主已不再适用，把课堂还给学生，以学生为主体[5-6]。因此，创新创业类课程的教学改革迫在眉睫。

由此可见，本文以学生为中心，以学懂会用为目的，提出“以学为主，项目驱动”的教学理念，设计以“三段式管理，八步法教学”的教学方法，依托基于STM32 的智能小车项目为例，详尽阐明整个教学过程。再者针对以教为主的评价指标进行了细化，全面地支撑了每一个教学内容的完整有效实施。

1 教学设计总述

“三段式管理”指的是课前管理、课堂管理和课后管理，老师对学生的管理分为了课前、课堂和课后三段；“八步法教学”指的是线上学、网上查、线下做、问题引、教师讲、学生秀、师生评、课后改。第一步是学生根据老师课前布置的项目要求，去学习网站上学习老师所放的微课视频；第二步是学生学完微课视频之后，根据项目要求去网上查找相关资料进行查缺补漏；第三步是准备好前期项目所需相关资料进行线下实验室或者工作室进行项目调试制作；第四步是老师根据课前学生做项目的过程中存在的问题进行引导；第五步针对所存在的问题老师进行详细的精讲；第六步是学生拿着自己私下做的作品进行课堂现场展示，进行讲演；第七步是在学生展示讲演结束，其余学生针对该项目作品进行点评讨论，然后老师对该作品进行点评打分；第八步是学生在收集好学生老师反馈的建议后，课下对该作品进行进一步的调试改进。具体如图1所示。

该门课程根据学时的要求，总的安排了四个项目。项目一是安排了两个学时，所做项目是点亮一盏灯，该项目有四个任务点，属于个人的低阶项目，每个学生都要个人完成，对个人也进行单独的考核；项目二安排了两个学时，所做项目是学生们常见的篮球赛计分器，该项目也有四个任务点，也属于低阶的个人项目，可以根据实验室里的面包板搭建一些外围电路去实现；项目三安排了四个学时，由于难度增大，结合了前面的两个项目内容，也有四个任务点，属于低阶个人项目；第四个项目是一个综合性项目，难度较大，需要学生以团队的形式去完成，属于高阶的团队项目，任务点较多，且每一个任务点的完成难度较大；总的来说，该课程项目有三个低阶的个人项目和一个高阶的团队项目，其中每一个项目都具有基本、进阶和拓展三个层次，四个项目也是相互依托、难度层层递进的。具体如图2所示。

图2 项目分布图

1.1 课前管理

课前管理是以学生为主体，学生根据老师课前发布的项目设计要求，去进行线上学习相应的微课视频，网上查相应的技术参数，然后进行线下做。该项目主要以STM32单片机为主的控制系统，其中STM32负责采集红外避障传感器，红外循迹传感器，ESP8266Wi-Fi 通信模块，TCS34725 色彩传感器的数据进行分析和处理，并且发出相应的控制指令对执行模块进行控制，最后在OLED显示当前系统状态；从而实现避障、循迹、Wi-Fi通信功能，以及MG90S数字舵机实现四自由度机械臂，实现颜色识别，完成机械臂的智能分拣功能；结合机智云云平台实现手机App开发，实现对智能小车无线远程控制。系统总体框图如图3所示。具体要求如下：

图3 系统总体框图

1) 熟悉STM32单片机开发环境，掌握STM32单片机相关程序设计。

2) 运用单片机内部定时器产生PWM 信号，对L293D 电机驱动模块进行控制，实现智能小车的前进、停止、左/右转、后退、调速等。

3) 运用单片机外部中断EXTI，实现按键控制。

4) 学习红外避障/循迹模块工作原理，实现避障、循迹功能的软件硬件设计。

5) 学习利用TCS34725 色彩传感器，实现颜色功能的软件硬件设计。

6) 学习单片机进行串口通信，实现数据传输。

7) 学习机智云云平台产品开发流程，完成产品设计。

8) 采用ESP8266WIFI通信模块，结合机智云软件开发平台完成手机App的开发。

9) 运用OLED 液晶显示屏，实现智能小车当前功能显示。

1.2 课堂管理

课堂管理是以学生为主体，老师为主导，按照问题引、教师讲、学生秀和师生评四步进行，每一个项目都是严格按照这些步骤开展整个课堂教学。老师根据学生线下做项目的过程中存在的问题进行课堂精讲，讲完之后，学生根据自己的作品按照顺序进行现场讲演，讲演结束之后，其余学生对该作品进行讨论提问，讲演者进行答辩，最后老师进行总结和点评。具体过程如图4所示。

图4 项目测试效果图

1.3 课后管理

课后管理是指学生根据答辩的结果进行线下的进一步优化，针对答辩过程中老师及学生提出的问题进行更正，通过小组讨论，线下进一步改进。通过不断改进后完整的作品如图5所示。

图5 智能小车完整图

2 考核方式设计

考核评价分别以线上为辅和线下为主构成，线上由课前微课视频、课前自测和发表讨论三大部分组成，线下由项目制作、项目答辩和课堂表现三大部分组成。每一个部分都有对应的具体评分标准，针对项目答辩模块，具体评价的做法是根据学生的分组进行打分，每一组都有提问分和答辩分，根据两部分分占比来计算该组的综合得分，然后根据组内成员的排名来依次递减，评出每一个组内成员的具体得分。具体每一部分的占比权重分配如图6所示。